專利名稱：用于生成和集成小型照明方案的設備、系統和方法
技術領域：
本公開總體涉及光聲(PA)成像領域。更具體而言，本公開的示例性實施例涉及用于生成非常小型的照明方案的設備、系統和方法，由此來誘生PA波。本公開的示例性 實施例還涉及用于生成小型且便攜式的集成換能器照明陣列(transducer illumination array TΙΑ)的設備、系統和方法。
背景技術：
光聲(PA)成像是非侵入的醫學成像技術，可以用來檢測血管和皮膚病，例如皮膚 癌和乳腺癌。(如由A. G. Bell首先在1880年報告的)PA效應源于其中目標樣本由于吸收 光而變熱，導致在材料及其周圍的壓力和/或體積增加。通過調制光的強度，所產生的壓力 和/或體積的周期性變化可被檢測為超聲波(US)。使用各個數學方程式可以將US波最終 轉換為目標樣本的近實時的二維或三維圖像。從而，PA成像在對目標樣本相對幾乎無害的 情況下提供了相對廉價且有效的近實時高對比度成像。用于PA成像的現有設備、系統和方法通常使用單個低能近紅外激光器來使用單個 US換能器照亮目標樣本。例如參見Oraevsky禾口Karabutov 的“Optoacoustic Tomography", 生物醫學光子學手冊，P 34-1，2003年，CRC出版社LLC，“Ultrasound-mediated biophotonic imaging :A review of acousto—optical tomography and photo-acoustic tomography" Disease Makers 19,第 123-138 M (2003-2004 $ ) ；Rosencwaig 的 美國專利 4，255，971 “Thermoacoustic Microscopy，，；Nagata 和 Koda 的美國專 利 5，070, 733 "Photoacoustic Imaging Method” ；Oraevsky 等人的美國專利 5，840，023 “Optoacoustic Imaging for Medical Diagnosis，，；Vo_Dinh 等人的美國專 利 6，212，421 "Method and Apparatus of Spectro-Acoustically EnhancedUltrasonic Detection for Diagnostics，，;Unger 禾P Wu 的美國專利 5，977，538"Optoacoustic Imaging System，，；Kanayama 等人的美國專利 6,979,292 "Method and Apparatus for Forming an Image that shows information about asubject” ；MacKenzie 等人的美國專禾丨J 6, 833, 540"System for measuring abiological parameter by means of photoacoustic interaction，，;禾口 Nagar 等人的美國專利 6，846，288 "Photoacoustic Assay and Imaging System，，。值得注意的是，現有技術的教導并沒有提供用于有選擇地照亮US換能器陣列下 方的目標樣本的合適手段。例如Niederhauser等人公開了一種用于US換能器陣列的玻璃 棱鏡照明方案，其不夠小型化和/或不易便攜并因此在用于現場PA成像應用時很不實用。 [參見 Niederhauser 等人的 IEEETransactions on Medical Imaging，第 24 卷，第 4 號，第 436頁，2005年4月]。另外，現有的照明方案不能控制照亮的圖案或幾何結構和/或不能 將不同的照明圖案和幾何結構與市場上的各種換能器/換能器陣列相匹配。一般說來，需要一種用于生成/提供小型照明方案的設備、系統和方法。此外，需 要用于生成/提供可控制圖案和/或幾何結構的小型照明方案的設備、系統和方法。實際上，生成可動態控制的照明方案是特別有益的。另外，需要一種設備、系統和方法，用于將這 樣的照明方案與一個或多個超聲波換能器/超聲波換能器陣列緊湊地集成。在此所述公開的設備、系統和方法滿足了這些和其它需要。

發明內容
依照本公開提供了用于生成和集成小型照明方案的有益設備、系統和方法。所公 開設備、系統和方法的示例性實施例提供了用于為了光聲(PA)成像目的的簡單、有效且小 型的裝置，用以可控地照亮目標樣本。然而，雖然本公開的示例性實施例和實現方式總體上 涉及PA成像，但是應該理解所公開的設備、系統和方法還適用于可以使用小型照明方案的 任何領域。目前公開的設備/系統的示例性實施例總體上包括至少一個發光源和分束組件。 至少一個發光源通常包括激光器，在光學上被配置為產生所需強度和波長(例如，可見或 紅外光)的集中電磁波束。為了 PA成像目的，常常需要近紅外范圍內的波長。近紅外波長 不太會被吸收并且增加了穿透目標樣本中的深度，產生了更大的輻射區域并最終獲得更大 的深度。將激光束的強度保持在由官方標準設置的所要求限制內(ANSI限制)。對于通常 與所公開的設備/系統相關聯的偏振分束器而言，源束(例如，均勻且消偏的光)的偏振度 對其操作會有顯著影響。在本公開的示例性實施例中，分束組件通常包括一個或多個分束 器的序列，例如，立體分束器、二向色鏡棱鏡、半涂銀鏡、電介質光學涂覆鏡和/或偏振器， 諸如沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡。一個或多個分束器的序列通常配置為用于后續分束器的 源束是來自在前分束器的所得束之一。一個或多個分束器的序列典型地不分支，每個中間分束器產生(i)用于后續分束 器的源束，和(ii)照明束。然而，應該理解，可以同樣使用分支的配置，即其中分束器產生 用于一個以上后續分束器的源束。因此，通常，每個所公開的分束器生成至少兩個所得束， 包括(i)用于后續分束器的一個或多個源束和/或(ii) 一個或多個照明束的任意組合。在本公開的示例性實施例中，給每個分束器分配透射-反射比率(T/R)。透射-反 射比率是相對的強度測量值并且為了本公開的目的被定義為透射光的強度除以反射光的 強度(即，所得的源束的強度除以所得的照明束的強度)。對于生成/產生兩個以上所得束 的分束器來說，透射_反射比率對于每個所得束來說，被計算為特定的所得束的強度除以 剩余所得束的強度和。通常，依照本公開，透射-反射比率可以被用來計算在一個或多個分 束器的整個序列中的每個照明束的相對強度。在本公開的示例性實施例中，分束組件包括至少一個偏振分束器。至少一個偏振 分束器(例如，沃拉斯頓棱鏡)通常有效地反射特定的偏振波同時透射相反偏振的波。因 此，通過適當地配置偏振分束器可以預見地控制所得束的強度和偏振度。應當注意，對于偏 振分束器來說，源束的偏振度是確定所得束的相對強度的必要元素。例如，如果非偏振的光 源通過特定的偏振分束器，那么如果T/R比率是1 (unity)，則所得的S和P偏振束可以具有 相等強度。相反，S主導的偏振光源將生成強度大于所得P束的所得S束。在本公開的示 例性實施例中，分束組件包括至少一個偏振分束器，其包括動態可切換的偏振材料，用于支 持和/或便于動態控制所得的束強度和/或偏振。在本公開的示例性實施例中，選擇和/或設計一個或多個分束器的透射_反射比率和/或序列配置，使得所得到的照明束具有所需的強度和/或以所需的圖案/幾何結構 布置，例如直線布置的增加強度的四個照明束。在偏振分束實施例/實施方式中，可以類似 地控制特定照明束的偏振。此外，在至少一個偏振分束器是動態可控的情況下，可以同樣動 態地控制所得束的強度、幾何布置和/或偏振度。因而，本公開的設備、系統和方法有益地提供了可適應的成像系統，對于特定的圖像要求例如掃描深度、樣本材料等來說，所述成像系統可以被近實時地配置。還可以在分束 過程之前、期間或之后利用變向鏡組件來改變束的路徑從而影響特定的圖案/幾何結構和 /或有助于小型化整個設備/系統。依照本公開還提供了用于生成和/或集成小型照明方案的有益系統和方法。示例 性實施例通常包括(1) 一個或多個元件/設備，用于生成小型發光方案(即，照明元件)， (2)超聲波(US)換能器組件，和(3)用于將所述照明元件和US換能器組件與目標樣本耦合 的裝置。耦合裝置/技術可以包括但不限于使用(i)US凝膠墊，例如透明的超聲波耦合墊， ( )用于將換能器組件和照明元件容納在耦合流體中的容器，和/或(iii)US耦合凝膠。通常，所公開的照明設備用來照亮目標樣本的具體區域以探測對PA效應來說所 需的感興趣區域。然后使用所公開的換能器組件來檢測從目標樣本發出的所得US波。在 示例性實施例中，可以將所公開的設備/系統集成到更大的系統中，例如由此可以使用來 自換能器組件的數據來創建目標樣本的二維或三維圖像。值得注意的是，例如在其中提供 和/或便于動態控制的實施例/實現方式中，可以增加另外的反饋回路以使用圖像數據來 優化發光。在替代示例性實施例中并且為了小型化目的，這里所公開的至少一個發光源不必 是實際的換能器組件/照明設備復合體的一部分。相反，諸如激光器的至少一個發光源可 以被安裝在其它地方，即遠離換能器/照明復合體的地方，該源束經由光纖或其它電磁波 傳導機制被引入照明設備中。有益地，波導纖維可以逐漸變細直到進入分束組件中并且容 納在其中或者與其接合?？梢韵鄬τ趽Q能器組件定位所公開的照明設備，以使得照亮位于換能器組件正下 方的區域和/或目標樣本。例如鏡或箔的反光層可以位于換能器組件和目標樣本之間。在 這樣的實施例/實施方式中，反射層通常用來最小化從樣本耗散的電磁波并且照亮換能 器。另外，可以將反射層與一個或多個變向鏡組件耦合以最小化換能器組件和目標樣本之 間的距離和/或使所述系統變得緊湊。例如，從照明設備發出的照明束可以從位于照明設 備正下方的鏡反射，例如其中鏡成一定角度使得所述照明束隨后被從第二鏡和/或反射層 反射到位于換能器組件正下方的目標樣本的區域。特別是當結合附圖閱讀時，根據以下描述，與所公開的設備、系統和方法相關聯的 另外有益的特征、功能和好處將更加清楚。


為了有助于相關領域的普通技術人員實現并使用其主題，參考附圖，其中圖1描繪了示例性的分束設備，其包括具有變化的透射_反射系數的四個(4)非 偏振分束器；圖2描繪了圖1的示例性分束設備，其中非偏振分束器的透射_反射系數配置為獲得恒定強度的發光方案；圖3描繪了圖1的示例性分束設備，其中非偏振分束器的透射_反射系數配置為獲得中心集中的發光方案；圖4描繪了圖1的示例性分束設備，其中非偏振分束器的透射_反射系數配置為獲得漸變強度的發光方案；圖5描繪了示例性的分束設備，其包括具有變化偏振系數的動態偏振分束器；圖6描繪了圖5的示例性分束設備，其中該動態偏振分束器是兩級偏振分束器，由 此均勻且消偏的電磁幅射(即，光)被分為相等強度的S和P偏振束；圖7描繪了示例性的集成照明換能器系統，包括US凝膠墊和反射箔；圖8描繪了示例性的集成照明換能器系統，其中分束設備與換能器/換能器陣列 一起置于容器中；圖9描繪了示例性的集成照明換能器系統，其中小型的安裝方案被用以最小化換 能器/換能器陣列與目標樣本之間的間隔。
具體實施例方式所公開的設備、系統和方法提供了用于生成和/或集成小型發光方案的手段。實 際上，本公開的示例性實施例生成動態可控強度、偏振、圖案和/或幾何結構的小型照明方 案并且將這樣的照明方案與一個或多個超聲波(us)換能器/超聲波換能器陣列集成。首先參照圖1，描繪了用于生成小型發光方案(照明設備)10的示例性設備，包括 單個光源20和具有變化的透射-反射(T/R)系數的四個非偏振分束器32a、32b、32c和32d 的分束組件30。使用包括單個成角鏡22的變向鏡組件24，將光源20引到分束組件30中。 所得到的照明束34a、34b、34c和34d的強度由T/R系數來確定。圖2-4描繪了在圖1中所描繪的示例性設備10的照明束34a、34b、34c和34d的 示例性強度配置。更具體而言，圖2描繪了均勻強度的方案，圖3描繪了中心集中強度的方 案，并且圖4描繪了漸變強度的方案。通過對每個分束器32a、32b、32c和32d使用合適的 T/R比率來生成每個方案。例如，使用以下T/R比率(假定源束20的強度為100)來生成在 圖2中所描繪的均勻強度的方案分束器32a的T/R = 75/25，分束器32b的T/R = 50/25， 分束器32c的T/R = 25/25，并且分束器32d的T/R = 0/25。這些系數的物理效應在于例 如分束器32a生成強度為25的所得照明束并且對于分束器32b而言得到強度為75的所得 源束。類似地，可以如下計算在圖3和圖4中所描繪的照明方案的T/R比率(再次假定源 束20的強度為100)對于中心集中的強度方案來說(90/10，50/40，10/40，0/10)并且對于 漸變強度的方案來說(90/10，70/20，40/30，0/40)(其中分別作為分束器32a的T/R、分束器 32b的T/R、分束器32c的T/R、分束器32d的T/R給出所述比率)。值得注意的是，由于最 后的分束器32d有效地用作反射所有剩余光的理想鏡，所以這樣的分束器32d可以由根據 其中描繪的示例性實現方式的鏡組件來替代。現在參考圖5，描繪了示例性的照明設備15，包括單個光源20和分束組件30，所述 分束組件30包括具有變化的偏振效應的兩個偏振分束器40a和40b。在本公開的示例性實 施例中，光源20是均勻非偏振激光器；然而，可以利用可選的源/偏振。如上所述，對于在 此所公開的包括至少一個偏振分束器的設備/系統來說，光源20的偏振是確定所得照明束42a和42b的強度和/或偏振的必要元素。作為選擇，可以修改光源20的偏振以動態地且 可控地實現所得發光方案中的變化。在圖5所描繪的示例性實施例中，第二偏振分束器40b有效地用作反射所有剩余 光的理想鏡并且因此可以由鏡組件來替代。圖6描繪了在圖5中所描繪的照明設備15的 示例性實施例，其中非偏振光源20通過偏振分束器40a和40b以生成相等強度的所得S和 P偏振照明束。圖7-9描繪了用于將本公開的小型發光方案與換能器/換能器陣列集成的系統的 各個實施例。值得注意的是，所公開的系統包括(1) 一個或多個設備，用于生成小型發光 方案(即，照明元件/設備)56，(2)超聲波(US)換能器組件50，和(3)用于將一個或多個 照明元件56和US換能器組件50與目標樣本70耦合的裝置。在此所描繪的示例性實施例 中，目標樣本70是活的病人的真皮層，其中正在針對血管病而檢查皮下血管72。如在圖7-9 中所描述的示例性實施例中所述的，照明設備的源束經由光纖線路52被引入系統中。波導 纖維52逐漸變細直到進入照明設備56中并且容納在其中。在圖7-9中所描繪的示例性實 施例中，所公開的系統2、4和6分別集成到更大的系統中，由此來自換能器組件50的數據 被發送到處理設備54，例如計算機，并且用來創建目標樣本70的二維或三維圖像。在本公開的示例性實施例中，所公開的用于耦合照明元件和US換能器組件的裝 置可以包括但不限于使用us凝膠墊，使用用于將換能器組件和照明設備容納在耦合液體 中的容器，和/或us耦合凝膠。圖7描繪了使用透明的超聲波凝膠耦合墊60作為用于將 照明設備56和換能器組件50與目標樣本70耦合的裝置。作為選擇，圖8和圖9描繪了將 耦合液體62的容器和US耦合凝膠層64結合使用以作為用于將示例性的系統4與目標樣 本70耦合的裝置。應當注意，在圖8和圖9所描繪的特定實施例中，照明設備56和部分換 能器組件50被容納在容器62中。對于在圖7-9中給出的具體實施例，照明設備56相對于換能器組件50定位，使得 位于換能器組件50正下方的區域和/或目標樣本70被照亮。對于在圖9中所描繪的具體 實施例來說，將反射層68與變向鏡66耦合以最小化換能器組件50和目標樣本70之間的 距離，從而使系統6變得緊湊。從照明設備56發出的照明束首先由鏡66反射繼而由反射 層68反射到位于換能器組件50正下方的目標樣本70的區域。還可以如在圖7中所描述 那樣使用反射層來抵消電磁波從樣本中耗散。在示例性的系統2中，從照明設備56發出的 照明束借助于位于換能器組件50以下并且與其鄰近的反射層58被進一步集中到目標樣本 70上。盡管參考其示例性實施例和實現方式描述了本公開，不過本公開不限于這樣的示 例性實施例和/或實現方式。相反，在不脫離本公開的精神或范圍的情況下，本公開的設 備、系統和方法易于進行各種修改、變型和/或增強。據此，在本公開的范圍內明確地包括 了所有這樣的修改、變型和增強。
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權利要求
一種用于生成小型發光方案的設備，包括至少一個發光源，和分束組件，包括變化的透射-反射比率的一個或多個分束器的序列；其中所述至少一個光源通過所述分束組件并且其中所述分束組件將所述至少一個光源劃分為所需強度的一個或多個束。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個光源在分束過程之前、期間或之后通 過一個或多個變向鏡組件。
3.如權利要求1所述的設備，其中，一個或多個分束器的該序列包括至少一個偏振分 束器。
4.如權利要求3所述的設備，其中，所述至少一個偏振分束器是兩級偏振分束器，其將 所述至少一個發光源劃分為S和P偏振束。
5.如權利要求3所述的設備，其中，所述至少一個偏振分束器包括動態可切換的偏振 材料，以使得所得束的強度和/或偏振是動態可控的。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述束用于光聲成像。
7.一種用于將照明設備與超聲波換能器組件緊密集成的系統，所述系統包括一個或多個設備，用于生成小型發光方案，所述一個或多個設備包括(i)至少一個發光源，和(ii)分束組件，包括變化的透射_反射比率的一個或多個分束器的序列，其中所述 至少一個光源通過所述分束組件并且其中在相對于目標樣本通過所述束之前，所述分束組 件將所述至少一個光源劃分為所需強度的一個或多個束；超聲波換能器組件，包括至少一個超聲波換能器；其中所述超聲波換能器組件檢測相 對于所述目標樣本發出的超聲波；和用于將用于生成小型發光方案的所述一個或多個設備和所述超聲波換能器組件與目 標樣本耦合的裝置。
8.如權利要求7所述的系統，其中，用于將用于生成小型發光方案的所述一個或多個 設備和所述超聲波換能器組件與目標樣本耦合的裝置包括超聲波凝膠墊。
9.如權利要求7所述的系統，其中，用于將用于生成小型發光方案的所述一個或多個 設備和所述超聲波換能器組件與目標樣本耦合的裝置包括具有耦合液體的容器和超聲波 凝膠層。
10.如權利要求7所述的系統，其中，用于將用于生成小型發光方案的所述一個或多個 設備和所述超聲波換能器組件與目標樣本耦合的裝置包括小型外殼和超聲波凝膠層。
11.如權利要求10所述的系統，其中，所述小型外殼還包括一個或多個鏡組件，用于在 分束過程之前、期間或之后改變所述光源的方向。
12.如權利要求7所述的系統，還包括在所述超聲波換能器組件和所述目標樣本置之 間內的反射層。
13.如權利要求7所述的系統，其中，用于生成小型發光方案的所述一個或多個設備相 對于所述超聲波換能器組件定位以便照亮位于所述換能器組件正下方的所述目標樣本的 區域。
14.如權利要求7所述的系統，其中，所述超聲波換能器組件包括換能器陣列。
15.如權利要求14所述的系統，其中，用于生成小型發光方案的所述一個或多個設備相對于所述超聲波換能器組件定位以便以所需的強度和/或極性來照亮位于每個換能器 正下方的所述目標樣本的區域。
16.如權利要求14所述的系統，其中，一個或多個分束器的一個或多個序列包括由動 態可切換的偏振材料構成的至少一個偏振分束器，以使得所得到的束強度和/或偏振是動 態可控的。
17.如權利要求16所述的系統，其中，用于生成小型發光方案的所述一個或多個設備 相對于所述超聲波換能器組件定位以便以動態可控的強度和/或極性來照亮位于每個換 能器正下方的所述目標樣本的區域。
18.一種用于對目標樣本成像的方法，包括提供用于生成小型發光方案的一個或多個設備，所述一個或多個設備包括(i)至少一 個發光源，和(ii)分束組件，包括變化的透射-反射比率的一個或多個分束器的序列，其中 所述至少一個光源通過所述分束組件并且其中在相對于目標樣本通過所述束之前，所述分 束組件將所述至少一個光源劃分為所需強度的一個或多個束；提供包括至少一個超聲波換能器的超聲波換能器組件；其中所述超聲波換能器組件檢 測相對于所述目標樣本發出的超聲波；以及將用于生成小型發光方案的所述一個或多個設備和所述超聲波換能器組件與目標樣 本華禹合。
全文摘要
提供了一種用于生成和集成小型照明方案的設備、系統和方法。所公開的實施例具體涉及用于生成非常小型的照明方案的設備/系統和方法，由此在目標樣本中誘生光聲波。另外，所公開的設備/系統和方法能夠有效地生成小型且便攜式的集成換能器照明陣列。所公開的設備通常包括至少一個發光源和分束組件。所公開的系統通常包括用于生成小型發光方案的一個或多個設備、超聲波換能器組件和用于將所述一個或多個設備和US換能器組件與目標樣本耦合的裝置。
文檔編號A61B8/06GK101828102SQ200880111699
公開日2010年9月8日 申請日期2008年10月13日 優先權日2007年10月16日
發明者K·沙阿扎德, L·揚科維奇 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司