專利名稱：測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量裝置。
背景技術：
在醫療領域正積極地研究這樣的測量裝置，這些測量裝置使用從諸如激光的光源照射的光來產生諸如活體的對象內部的光學特性的空間分布的圖像數據。這樣的測量裝置之一是利用光聲層析成像(PAT)的PAT裝置。在光聲層析成像中，首先，將光從光源照射到對象，以使得從已吸收在該對象內部傳播并擴散的光的能量的活組織產生聲波(典型地， 超聲)。探針接收所產生的聲波，探針是指聲波檢測器，并且從數學上對接收的信號進行分析和處理，以生成與對象內部的光學特性相關聯的空間分布信息的圖像。該成像過程被稱為圖像重構。最近幾年開發了這樣一種測量裝置，該測量裝置基于使用使近紅外光振蕩的脈沖激光光源的光聲層析成像來診斷乳腺癌，近紅外光是對活體具有高透射率的波長的范圍并且因此被稱為光學窗口(參見S. Mohahar等人的Proc. of SPIE vol. 6437643702-1)。為了有效率地接收聲波，探針或聲波檢測器需要與對象物理接觸。因此，探針應該優選地經由改進粘接性的液態凝膠等與對象直接接觸。然而，如果對象具有復雜輪廓，例如當對象是小動物或人的乳房時，則難以使探針的接收表面與對象的表面完全接觸。在這樣的情況下，為了例如使對象的形狀平整的目的，使用諸如平板的形狀保持構件，對象通過該形狀保持構件與探針接觸。然而，如果使用這樣的形狀保持構件，則對象內部的聲音的速度和經過形狀保持構件的聲音的平均速度將不同。由于這個原因，傳播經過對象的聲波根據斯涅爾定律在對象與形狀保持構件之間的界面處被折射。結果，就其中假設聲速恒定的基于光聲層析成像的普通圖像重構而言，重構圖像具有降低的圖像分辨率。美國專利申請公開2002/0173722顯示了解決界面處的折射效果的問題的一種方法。美國專利申請公開2002/0173722涉及一種將X射線乳腺照相術與超聲診斷裝置(接收發送到對象并從對象內部返回的反射超聲的裝置)組合的復合機器。X射線乳房照相術通過從關于對象的信息重構圖像來產生圖像數據，所述信息是通過將X射線透射經過被作為形狀保持構件的壓板按壓的所述對象而獲得。在與該X射線乳房照相術組合的超聲裝置中，探針經由壓板發送和接收超聲。因此，計算探針中所包含的多個元件之間的時間延遲以執行延遲處理，并合計來自各個元件的信號，以對由壓板與對象之間的聲速差異而引起的超聲波的折射進行校正。通過如美國專利申請公開2002/0173722中所公開的那樣對壓板處的超聲波(聲波)的折射進行校正的圖像重構產生三維圖像的方法具有這樣的問題，即，它需要復雜計算并花費長時間進行算術運算。探針通常是具有一維或兩維布置的多個傳感器部分(元件)的陣列探針。基于每個元件的形狀和尺寸以及聲波范圍特性，確定陣列探針中的每個元件的方向性。在基于光聲層析成像的圖像重構中，由來自寬范圍的方向的聲波提供的信息將使得以更好地再現對象內部的光學特性的空間信息的方式重構圖像。然而，就常用的平面陣列探針而言，由探針接收的聲波的方向性受限，從而導致重構圖像包括偽像的問題。

發明內容
鑒于上述問題設計本發明，本發明的目的是提供一種測量裝置，該測量裝置能夠在不執行對聲波折射效果進行校正的復雜算術運算的情況下，以由折射引起的分辨率降低減小的方式進行成像。本發明提供一種測量裝置，包括探針，所述探針包括檢測傳播經過對象的聲波的元件；聲透鏡，所述聲透鏡設置在所述探針與所述對象之間；信號處理器，所述信號處理器從基于由所述探針的元件檢測的聲波的電信號獲得對象信息，其中，所述探針設置在下述位置，在所述位置，所述聲透鏡使所述探針的元件與對象的探針側的表面在聲學上共軛。根據本發明，可提供一種測量裝置，該測量裝置能夠在不執行對聲波折射效果進行校正的復雜算術運算的情況下，以由折射引起的分辨率降低減小的方式進行成像。從以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發明的進一步的特征將變得清楚。


圖1是實施例1的裝置的示意性構造圖；圖2A至2C是用于說明由探針接收的信號的示圖；圖3A至3C是用于說明用于圖像重構的信號的示圖；圖4A是用于說明對象保持板處的聲波折射的示圖；圖4B是用于說明聲透鏡的功能的示圖；圖5是實施例2的裝置的示意性構造圖；圖6是實施例2的裝置的主要部分的概要圖；圖7A和7B是用于說明在實施例3中方向性如何疊加的示圖；圖8是實施例3的裝置的示意性構造圖；和圖9是實施例3的另一方面中的裝置的示意性構造圖。
具體實施例方式以下，將使用附圖對本發明的測量裝置進行描述。本發明的測量裝置在對象的探針側的表面上創建探針元件的共軛圖像。該裝置基于由探針元件接收的信號是在該位置處接收的假設執行信號處理。然后基于信號處理的結果產生對象信息。如將在實施例的以下描述中所述的，本發明的測量裝置典型地是為乳房而設計的活體測量裝置。該測量裝置也可被稱為從測量獲取對象信息的對象信息獲取裝置。
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在以下描述中，聲波包括被稱為音波、超聲波(彈性波)和光聲波的那些聲波。聲波包括通過將諸如近紅外光(電磁波)的光照射到對象內部而在對象內部產生的聲波，和發送到對象內部并從對象內部返回的聲波的反射波。本發明的對象測量裝置(對象信息獲取裝置)包括使用超聲回聲技術的裝置，在該裝置中，超聲被透射到對象，在對象內部反射的反射波(反射超聲)被接收以獲得作為圖像數據或數值數據的對象信息。本發明的對象信息獲取裝置還包括使用光聲效果的裝置， 在該裝置中，通過將光(電磁波)照射到對象而在對象內部產生的聲波(典型地，超聲)被接收，以獲得作為圖像數據或數值數據的對象信息。在使用超聲回聲技術的前一裝置的情況下，將被獲得的對象信息是反映對象內部的組織的聲阻抗的差異的信息。在使用光聲效果的后一裝置的情況下，將被獲得的對象信息包括通過光的照射而產生的聲波的源的分布、對象內部的初始壓力的分布或者從初始壓力分布推斷的吸收光能密度的分布。所述信息還包括吸收系數的分布、構成組織的物質的濃度分布或者對象內部的光吸收體的吸收系數或濃度。物質的濃度分布可包括例如氧飽和度分布或者氧化/還原血紅蛋白濃度的分布。<實施例1>以下將對本發明的實施例1進行描述。圖1是顯示根據本發明的實施例1的構造的示意圖。本實施例中所述的對象測量裝置是使用光聲層析成像的活體測量裝置，光聲層析成像是用于從通過激光的脈沖照射在對象內部產生的聲波的接收信號重構圖像的技術。假設本實施例中的對象是人的乳房。該裝置使用光聲層析成像技術執行乳房內部的血管的成像。在圖1中，照射光學系統101用來自脈沖光源(未顯示)的光照射對象103，所述脈沖光源使具有預定光能量密度分布的近紅外區中的波長振蕩。對象103保持在兩個對象保持板106與107之間。對象保持板106相對于對象而言位于照射光學系統101側。對象 103的表面與對象保持板107之間的界面將被稱為107b，相對側的界面將被稱為107a。提供用于接收在對象103中產生的聲波的探針102。對象保持板也可被稱為保持對象的保持單元。從照射光學系統101照射的照射光117通過對象保持板106照射對象103。照射光117擴散，并傳播經過對象103。對象中的具有高光吸收系數的血管108a和108b等(也將被稱為光吸收體)瞬時吸收照射光117并經歷熱膨脹，從而產生聲波109a和109b。探針 102經由對象保持板107、聲透鏡10 和104b及聲學膜片105接收所產生的聲波109中的一些。對象103的在與對象保持板107的界面附近的區域經由聲透鏡104與探針102的元件具有聲學共軛關系。換句話講，設置聲透鏡104，以使得探針102的元件與在對象103 和對象保持板107之間的界面107b(對象103的在探針102側的表面)具有聲學共軛關系。在探針102與聲透鏡104之間以及在聲透鏡104與對象保持板107之間的空間中提供匹配，以使聲損耗最小。更具體地講，在這些空間中設置匹配構件。以下將對聲透鏡104的功能進行描述。圖4A顯示光吸收體108 (諸如對象103中的血管)中所產生的聲波109如何傳播經過對象保持板107。該圖顯示探針102設置在對象保持板107的在對象103的相對側的表面107a上。 該構造具有以下問題。光吸收體108中所產生的、朝向對象保持板行進的聲波119中的一些在對象103與對象保持板107之間的界面107b處折射。這是因為對象保持板107中的聲速Cl與對象103中的聲速C2不同。這里的折射角取決于入射到對象保持板107的聲波的入射角。因此，為了算出光吸收體的位置，根據入射角的計算是有必要的，因此計算負荷非常大。圖4B是示意性地顯示本實施例中的探針102和聲透鏡104的布置的示圖。如圖所示，聲透鏡104在對象保持板107與作為活體的對象103之間的界面附近的聲學共軛位置115處形成探針102的共軛圖像。考慮由對象保持板107處的折射引起的像差效果設計聲透鏡104。就該構造而言，探針102上的位置114a、114b和IHc分別在對象的表面層中的共軛位置115處的共軛點life、115b和115c處形成共軛點。考慮探針102的接收靈敏度的方向性，聲透鏡104應該優選地在探針102側是遠心的。此外，在本實施例中，共軛位置115處的橫向倍率被設置為-1，并且透鏡在共軛位置115側也是遠心的。遠心意味著聲波的會聚波束的中心線例如垂直地進入探針102。也就是說，它意味著穿過膜片表面并入射到像面的聲波的中心線與中心透鏡的軸平行。該構造使得靈敏度特性在共軛位置115的各個共軛點115a、11 和115c處彼此平行，以使得就好像探針102設置在共軛位置115處一樣。由于聲透鏡104對由折射引起的任何像差進行校正，所以圖4A中所示的折射的校正不是必要的。在圖4B中，折射發生在聲透鏡104側的與對象保持板107的平面界面處。可通過改變聲透鏡104的曲率來對平面界面處的該折射進行校正。聲透鏡104應該優選地以很小的像差在共軛位置115處形成探針102的圖像，因此，非球面透鏡的使用將是有效的。以下將描述從由探針102接收的信號生成圖像的方法。如圖1所示，照射光學系統101與控制器111電連接。提供光電檢測器110來檢測來自照射光學系統101的脈沖光源(未顯示)的發光定時，該光電檢測器110與控制器 111電連接。類似地，探針102也與控制器111電連接，并與來自光電檢測器110的信號同步地接收聲信號。重構器(信號處理器)112從控制器111接收信號，并產生光吸收體(諸如作為活體的對象103內部的血管)的分布的圖像數據。顯示單元113是用于顯示圖像數據的單元。圖2A顯示由探針102接收的信號。該圖顯示在當光電檢測器110 (圖1)檢測到照射光時的時間之后檢測到的信號的示例。在圖中，to表示當檢測到照射光時的時間。從圖1中的光吸收體108a和108b發射的光聲信號分別對應于峰118a和118b。圖2A、圖2B 和圖2C分別涉及在探針102上的檢測點114a、114b和IHc處接收的信號。由于聲波從探針上的檢測點傳播到對象保持板107的在對象103側的界面107b 所需的時間，而導致界面處產生的聲波在時間to到達。存在根據從各個元件到光吸收體的距離的峰檢測時間的差異。例如，在時間tl在檢測點114b處檢測到來自光吸收體108a的信號，而在時間t2在檢測點11 和IHc處檢測到它。如圖3所示，在控制器111中刪除t0之前的數據。圖2中的t0、tl和t2與圖3 中的t3和t4之間的關系是t3 = tl-tO且t4 = t2-t0。如此獲得的信號被用于圖像重構。這去除了在板與對象之間的界面處產生的信號中的任何噪聲。還優選的是，考慮到探針102與共軛位置115之間的聲學傳播特性，在對圖3A、圖 3B和圖3C的信號的強度等進行校正之后，由重構器112產生重構的圖像數據。應該優選地在對象保持板106和107與對象103之間的界面處提供聲學匹配。用于該目的的優選匹配材料包括在超聲回聲裝置中所使用的凝膠、聚氨酯板、水等。關于對象保持板107，應該優選地使用具有優良的超聲透射特性的材料，諸如聚甲基戊烯。此外，應該優選地考慮聲學匹配來確定用于聲透鏡104的材料和用于填充聲透鏡 104與對象保持板107之間的空間以及聲透鏡104與探針102之間的空間的材料。例如，關于聲透鏡104，應該優選地使用諸如硅橡膠的樹脂材料。所述空間應該優選地用油或水填充。以這種方式考慮聲學匹配可降低由界面處的反射引起的任何聲波損耗。重構器112對由控制器111獲得的電信號執行算術運算，以產生重構的圖像數據。 工作站等通常被用作重構器112。重構器執行降噪處理、與共軛位置115和探針102之間的聲波透射相關聯的校正以及對于由探針102接收的電信號的上述電信號偏移校正。然后對如此校正的電信號進行重構處理。可應用的重構方法包括光聲層析成像技術中常用的時域和傅里葉域反向投影方法。在本實施例中，聲透鏡104關于探針102側和共軛位置115側設置為遠心系統，具有-1的聲學圖像形成倍率。該布置與在共軛位置115處設置探針102的系統等效。聲學圖像形成倍率可被設置為不同的值。這將意味著探針102上的元件的相應尺寸被改變該倍率，因此，當重構圖像時，其校正將是有必要的。如果探針102是平面陣列變換器，則透鏡應該優選地在探針102側是遠心的。在這種情況下，從聲學觀點，將考慮探針102的靈敏度的方向性設計孔徑的數量(NA)，所以在聲透鏡104內部布置膜片105將是有效的。盡管在本實施例中透鏡在共軛位置115側也是遠心的，但是本發明不限于此。<實施例2>以下將對本發明的實施例2進行描述。本實施例中所述的對象測量裝置基本上是與實施例1類似地使用光聲層析成像技術的活體測量裝置。這里，然而，照射光學系統和探針被構造為可移動的，以使得對象可被掃描，由此可產生更廣視場的圖像。圖5是顯示根據本發明的實施例2的構造的示意圖。本實施例的活體測量裝置使用光聲層析成像技術獲得對象內部的信息。也就是，本實施例的裝置接收通過激光的脈沖照射而在對象內部產生的聲波，并重構接收的信號，以獲得與照射的激光的波長對應的吸收系數的空間分布的圖像。假設本實施例中的對象是人的乳房。假設照射到對象的激光的波長是近紅外光。 本實施例的活體測量裝置可執行作為具有近紅外光的波長范圍的高吸收率的活組織的血管(血液)的成像。
在圖5中，照射光學系統201用來自脈沖光源(未顯示)的光以預定光能量密度分布照射對象203，所述脈沖光源使近紅外區中的波長振蕩。對象203保持在對象保持板 206與207之間。來自照射光學系統201的照射光217通過對象保持板206照射對象203。 照射光217擴散，并傳播經過對象203。對象中的具有高光吸收系數的血管208a和208b 等吸收照射光217，并經受熱膨脹，從而產生聲波209a和209b。探針202經由對象保持板 207 (以及，另外，聲學膜片205及聲透鏡20 和204b)，接收所產生的聲波209中的一些。與實施例1類似，由于聲透鏡204的存在，探針202與對象保持板207的在對象側的界面207b具有共軛關系。因此，可在不考慮由對象保持板207與對象203之間的聲速差異引起的折射對于像差的影響的情況下執行圖像重構。由于聲透鏡204的功能基本上與實施例1的聲透鏡的功能相同，所以將不再對其進行描述。探針202上的點214a、214b和2Hc分別經由聲透鏡204在對象保持板207的在對象側的表面上形成共軛點215a、2Mb和215c。在本實施例中，共軛位置215處的倍率被設置為-1. 5。這意味著幾何上1. 5倍大的探針被設置在共軛位置215處。必須基于該事實的假設來執行圖像重構。由于考慮到探針202的接收靈敏度的方向性，聲透鏡204應該優選地在探針202 側是遠心的，所以在本實施例中將透鏡設置為在探針側是遠心的。在本實施例中，探針202和聲透鏡204及其它構件形成探針側托架 (carriage) 2220照射光學系統201和用于檢測來自照射光學系統201的光照射的光電檢測器210形成照射光學系統托架223。探針側托架222和照射光學系統托架223分別與托架驅動單元218和托架驅動單元219機械連接。托架驅動單元218和219由控制器211控制。托架驅動單元218和219 分別移動探針202和照射光學系統201，以掃描對象上的接收光聲信號的位置，由此比探針 202寬的區域可被測量和成像。因此，可縮短操作時間。盡管在本實施例中探針側托架222和照射光學系統托架223的掃描方向通過在紙面內畫出的箭頭220和221指示，但是托架可被構造為還在與紙面垂直的方向上掃描。在本實施例中，可通過托架222和223的掃描以及照射光學系統201的照射與探針202處的接收定時的同步控制來獲得更寬區域上的光聲圖像。可連續地執行托架的掃描，或者可重復地停止和啟動托架的掃描。以下將對從由探針202接收的信號生成圖像的方法進行描述。照射光學系統201與控制器211電連接。提供光電檢測器210來檢測照射光學系統201的發光定時，并且光電檢測器210與控制器211電連接。類似地，探針202也與控制器211電連接，并與來自光電檢測器210的信號同步地接收聲信號。重構器212從控制器211接收信號，并產生光吸收體(諸如作為活體的對象203內部的血管)的分布的圖像數據。顯示單元213是用于顯示圖像數據的單元。應該優選地按需要通過如實施例1中所述那樣補償傳播經過聲透鏡204所需的時間以及考慮聲透鏡204 內部的光路的透射率等，對由探針202接收的信號進行校正。圖6顯示根據本實施例的裝置的主要部分的概要。在本實施例中，透鏡不是對象保持板207側的遠心系統。在聲透鏡204內部相對于對象保持板207設置出射光瞳位置226，并且主光線22^、224b和22 傾斜。
如上所述，本實施例的裝置移動探針側托架222進行掃描。圖7A顯示對象保持板 207的共軛位置215處的探針靈敏度的方向性。假設探針202的元件本身具有作為方向性角度的角度α °，如果共軛位置處的倍率被設置為1.5，則共軛圖像將具有α/1.5°的方向性角度。盡管與探針的元件相比，共軛點處的方向性角度減小，但是共軛點處的方向性角度22如、22恥和225c被定向到不同的方向。如圖7B所示，這提供由于這些角度疊加而增大方向性角度的效果。可通過出射光瞳位置2 的設置來如此增大可接收信號方向(這使得能夠從更寬的角度接收聲波)，以使得可降低重構圖像中的噪聲。與實施例1類似，優選地應該在對象保持板206和207與對象203之間的界面處提供聲學匹配。用于該目的的優選匹配材料與實施例1的用于該目的的優選匹配材料相同。 用于對象保持板207的優選材料也與實施例1的用于對象保持板的材料相同。優選地應該考慮聲學匹配來確定用于聲透鏡204的材料和用于填充聲透鏡204與對象保持板207之間的空間以及聲透鏡204與探針202之間的空間的材料。用于這些部件的優選材料與實施例1的用于這些部件的優選材料相同。以這種方式考慮聲學匹配可降低由界面處的反射引起的任何聲波損耗。重構器212與實施例1類似地對由控制器211獲得的電信號執行算術運算，以產生重構的圖像數據(未顯示)。重構器執行的處理和重構方法與實施例1的重構器執行的處理和重構方法相同。如果探針202是平面陣列變換器，則透鏡應該優選地在探針202側是遠心的。在這種情況下，從聲學觀點考慮探針202的靈敏度的方向性來設計孔徑的數量(NA)，從而將膜片205布置在聲透鏡204內部將是有效的。盡管在本實施例中將相對于探針202的共軛點215處的聲學圖像形成倍率描述為-1. 5，但是可設置倍率以減小探針，比如，可將倍率設置為0. 5。期望減小相對于探針202 的共軛點215處的圖像形成倍率，以提供與減小探針的孔徑的尺寸類似的效果，并可改進分辨力。更不用說，必須基于該事實的假設執行重構。倍率可被設置為不同的值。〈實施例3>以下將對本發明的實施例3進行描述。圖8是顯示根據實施例3的裝置的主要部分的概要的示圖。相同的編號被給予具有與圖5的裝置的功能相同功能的組件，并將不再對這些相同的編號進行描述。本實施例的裝置具有這樣的構造，在該構造中，探針側照射光學系統2 和光電檢測器2 設置在根據實施例2的裝置的探針側托架222內部。與實施例2類似，本實施例的裝置是用于基于光聲層析成像原理獲得重構圖像的裝置。本實施例的裝置用來自照射光學系統2 的照射光227照射對象203，光電檢測器 2 捕獲光照射的定時。將照射光學系統2 布置在探針側托架222內部使得對象203能夠順利地從探針 202側接收信號。盡管在本實施例中省略圖5中的照射光學系統托架，但是托架可組合使用，這將使得能夠形成活體內部深處的圖像。圖9顯示本實施例的另一方面。相同的編號被給予具有與圖8的裝置的功能相同功能的組件，并將不對這些相同的編號進行描述。
該圖的裝置具有這樣的構造，在該構造中，來自設置在探針側的照射光學系統229 的照射光227透射聲透鏡204的部分。該布置使得能夠有效率地照射探針202的接收區。盡管已參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是將理解本發明不限于所公開的示例性實施例。將給予權利要求的范圍以最廣泛的解釋，以涵蓋所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種測量裝置，包括探針，所述探針包括檢測傳播經過對象的聲波的元件；聲透鏡，所述聲透鏡設置在所述探針與所述對象之間；信號處理器，所述信號處理器從基于由所述探針的所述元件檢測的聲波的電信號獲得對象信息，其中，所述探針設置在下述位置，在所述位置，所述聲透鏡使所述探針的所述元件與對象的探針側的表面在聲學上共軛。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，還包括保持單元，所述保持單元設置在所述對象與所述聲透鏡之間并保持所述對象，其中，所述探針設置在下述位置，在所述位置，所述聲透鏡使所述探針的元件與所述對象的在與所述保持單元的界面處的表面在聲學上共軛。
3.根據權利要求1所述的測量裝置，其中，所述聲透鏡被設置為使得在所述探針側是遠心的。
4.根據權利要求2所述的測量裝置，還包括驅動單元，所述驅動單元用于在所述保持單元上移動所述探針，其中，所述探針檢測所述探針被所述驅動單元移動到的各個位置處的聲波。
5.根據權利要求1-4中的任何一個所述的測量裝置，其中，所述傳播經過所述對象的聲波是當所述對象被光照射時產生的光聲波。
6.根據權利要求1-4中的任何一個所述的測量裝置，其中，所述傳播經過所述對象的聲波是發送到所述對象并且在所述對象內部反射的彈性波。
全文摘要
本申請涉及測量裝置。使用一種測量裝置，該裝置包括探針，所述探針具有檢測傳播經過對象的聲波的元件；聲透鏡，所述聲透鏡設置在探針與對象之間；和信號處理器，所述信號處理器從基于由探針的元件檢測的聲波的電信號獲得對象信息。探針設置在下述位置，在所述位置，聲透鏡使探針的元件與對象的探針側的表面在聲學上共軛。
文檔編號A61B8/00GK102525550SQ20111036002
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月15日 優先權日2010年11月19日
發明者小林秀一, 福谷和彥 申請人:佳能株式會社