被檢體信息獲取裝置及其控制方法
【專利摘要】一種被檢體信息獲取裝置包括：被配置為檢測從用光照射的被檢體生成的光聲波的探測器；被配置為從光聲波生成第一檢測信號的信號收集器；被配置為通過使用探測器的脈沖響應的微分信號從第一檢測信號生成減小了具有相對于從光聲波導出的分量的相位反轉的相位的分量的第二檢測信號的信號處理器；和被配置為通過使用第二檢測信號生成關于被檢體內部的圖像數據的圖像生成器。
【專利說明】被檢體信息獲取裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及被檢體信息獲取裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002]在醫療領域中，從諸如激光器的光源在諸如活體組織的被檢體上照射光并將關于基于入射光獲得的被檢體內部的信息轉換成圖像的光學成像裝置的研究已取得積極進展。作為一種類型的這種光學成像技術，存在光聲成像(PAI )。
[0003]在光聲成像中，首先，在被檢體上照射來自光源的脈沖光。然后，吸收在被檢體中傳播和擴散的脈沖光的能量的被檢體組織(光吸收體)瞬時膨脹并生成聲波。此時，由于光能的吸收比根據組織的類型和光的波長而不同，因此，在諸如腫瘤的被檢部位與其它組織之間，所產生的聲壓存在差異。因此，信息處理裝置使通過在探測器中接收聲波生成的電信號經受數學分析處理，由此能夠將被檢體信息成像。獲得被檢體中的光學特性分布特別是初始聲壓分布、光學能量吸收密度分布和吸收系數分布等作為被檢體信息。并且，能夠基于這些類型的信息和關于照射光的波長的信息執行被檢體中的特定物質濃度、例如血液中的氧飽和度的定量測量。
[0004]近年來，用于通過使用光聲成像技術將小動物的血管圖像成像的臨床前研究和用于將該原理應用于乳癌等的診斷的臨床研究取得了積極進展(“Photoacoustic imagingin biomedicineM.Xu, L.V.Wang, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT, 77，041101，2006)。在光聲成像中，通常，存在于被檢體內的光吸收體的光學特性分布被轉換成圖像。 [0005]非專利文獻1:“Photoacoustic imaging in biomedicine”，M.Xu, L.V.Wang, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT, 77, 041101, 2006

【發明內容】

[0006]但是，由于被檢體外部的原因，有時在生成的圖像中出現劣化。例如，當光聲波被保持被檢體的被檢體保持部件反射時，反射的光聲波也被探測器接收。結果，包含從反射波導出的分量的電信號被用于被檢體內部的圖像生成(圖像重構)。在以這種方式生成的圖像中，出現由于反射波導致的偽像，并且出現圖像劣化。
[0007]本發明是鑒于上述的問題提出的，并且本發明的目的是，在光聲圖像形成中，即使接收光聲波的反射波，也減少由于反射波的影響導致的圖像劣化。
[0008]本發明提供一種被檢體信息獲取裝置，該被檢體信息獲取裝置包括:
[0009]被配置為檢測從用光照射的被檢體生成的光聲波的探測器；
[0010]被配置為從光聲波生成第一檢測信號的信號收集器；
[0011]被配置為通過使用探測器的脈沖響應的微分信號從第一檢測信號生成減小具有相對于從光聲波導出的分量的相位反轉的相位的分量的第二檢測信號的信號處理器；和
[0012]被配置為通過使用第二檢測信號生成關于被檢體內部的圖像數據的圖像生成器。
[0013]本發明還提供一種用于被檢體信息獲取裝置的控制方法，該被檢體信息獲取裝置包括被配置為檢測從被光照射的被檢體生成的光聲波的探測器、信號收集器、信號處理器和圖像生成器，該控制方法包括:
[0014]信號收集器從光聲波生成第一檢測信號；
[0015]信號處理器通過使用探測器的脈沖響應的微分信號從第一檢測信號生成減小具有相對于從光聲波導出的分量的相位反轉的相位的分量的第二檢測信號；和
[0016]圖像生成器通過使用第二檢測信號生成關于被檢體內部的圖像數據。
[0017]根據本發明，在光聲圖像形成中，即使接收光聲波的反射波，也能夠減少由于反射波的影響導致的圖像劣化。
[0018]從參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是示意性地示出光聲圖像形成裝置的配置的例子的示圖；
[0020]圖2是用于解釋檢測信號處理的例子的流程圖；
[0021]圖3是示出關于入射波反轉反射波的相位的例子的示意圖；
[0022]圖4A和圖4B是示出光聲波的分析例子的示意圖；
[0023]圖5A~5E是示出檢測信號的光譜分解的例子的示意圖；
[0024]圖6A~6B是示出重新配置的初始聲壓分布的圖像；
[0025]圖7是示意性地示出光聲圖像形成裝置的配置的例子的示圖。
【具體實施方式】
[0026]以下參照附圖解釋本發明的優選實施例。但是，以下描述的部件的尺寸、材料、形狀和相對布置等應根據應用本發明的裝置的配置和各種條件適當地改變，并且不意味著將本發明的范圍限于以下解釋的描述。
[0027]在本發明中，聲波包含稱為音波、超聲波、光聲波和光超聲波的彈性波。接收器(探測器)接收通過被檢體傳播的聲波。本發明的被檢體信息獲取裝置是利用接收通過在被檢體上照射光(電磁波 )在被檢體中生成的聲波并獲取被檢體內的特性信息的光聲效果的裝置。
[0028]通過裝置獲取的被檢體內的特性信息指示反映由光照射導致的聲波的初始聲壓、從初始聲壓導出的光學能量吸收密度、吸收系數或形成組織的物質的濃度等的被檢體信息。例如，物質的濃度為氧飽和度、或者氧合或還原血紅蛋白濃度。特性信息可被獲取為指示被檢體中的位置的特性的分布信息而不是數值數據。即，可獲取諸如吸收系數分布或氧飽和度分布的分布信息作為圖像數據。
[0029]在以下的描述中，作為被檢體信息獲取裝置的例子，解釋通過使用作為一種類型的光聲成像的光聲斷層法獲取被檢體內部的特性信息并將信息轉換成圖像的光聲圖像形成裝置。代表性的被檢體是活體組織的乳房，但不限于此。也可把握本發明為通過光聲圖像形成裝置的光聲圖像形成方法或裝置的控制方法。
[0030]裝置配置
[0031]參照圖1，解釋根據本實施例的光聲圖像形成裝置的配置。注意，在以下的描述中，原則上，相同的部件由相同的附圖標記和符號表示，并且，省略部件的解釋。[0032]本實施例中的光聲圖像形成裝置包括光源11、被檢體保持部件21、用作聲波的檢測器的探測器17和信號處理器19作為基本部件。從光源11發射的脈沖光12在被包含透鏡、反射鏡、光纖和擴散器的光學系統13處理成希望的光學分布形狀的同時被引導，并且照射到諸如活體組織的被檢體15上。當通過被檢體15內部傳播的光的能量的一部分被諸如血管的光吸收體(導致聲源)14吸收時，通過光吸收體14的熱膨脹生成光聲波16。所生成的光聲波16的一部分被探測器17接收。此時，使得光聲波16的一部分在經受例如被檢體保持部件21等的反射之后入射于探測器17上。在被探測器17檢測之后，光聲波16及其反射波通過信號收集器18被放大或數字轉換，通過信號處理器19經受預定的處理，并最終被轉換成被檢體的圖像數據(光學特性值信息數據)，并在顯示裝置20上被顯示。
[0033]光源11
[0034]光源11在被檢體上照射光。當被檢體是活體組織時，光源11照射具有被被檢體中的特定成分吸收的波長的光。在本發明中，大于或等于500nm且小于或等于1200nm的波長是優選的，使得光傳播到被檢體內部。光源11可與裝置主體一體化，或者可與裝置主體分開。作為光源11，能夠生成幾納秒到幾百納秒的量級的脈沖光的脈沖光源是優選的。為了有效地生成光聲波，特別適當地使用約10納秒的脈沖寬度。作為光源11，獲得大的輸出的激光器是優選的。但是，也可使用發光二極管等。作為激光器，可使用各種激光器，諸如固態激光器、氣體激光器、光纖激光器、染料激光器和半導體激光器。通過未不出的光源控制器控制照射的定時、波形和強度等。
[0035]光學系統13
[0036]光學系統13在將從光源11照射的光12處理成希望的光分布形狀的同時將光12引導到被檢體。光學系統13—般由透鏡、反射鏡、光擴散器和諸如光纖的光學波導等構成。注意，從能夠增加被檢體的安全性和診斷區域的觀點看，優選使光擴展到一定的面積而不是用透鏡會聚光。
[0037]被檢體15和光吸收體14
[0038]以下解釋被檢體15和光吸收體14，但它們不包含于本發明的裝置中。本發明的光聲圖像形成裝置的主要目的是人和動物的惡性腫瘤和血管疾病等的診斷，化學治療的后續觀察等。因此，活體組織，特別是諸如人體或動物的乳房、手指或四肢的診斷的目標部位被假定為被檢體15。被檢體內的具有相對高的吸收系數的光吸收體被假定為被檢體內的光吸收體14。例如，如果人體是測量目標，那么氧合或還原血紅蛋白、包含大量的氧合或還原血紅蛋白的血管、或者包含大量的新生血管的惡性腫瘤與光吸收體14對應。例如，被檢體表面上的光吸收體是皮膚表面附近的黑色素。
[0039]探測器17
[0040]探測器17是被配置為檢測在被檢體的表面和內部生成的聲波并將聲波轉換成作為模擬信號的電信號的檢測器。只要探測器可檢測聲波，探測器17可以是任何探測器，諸如利用壓電現象的換能器、利用光的共振的換能器或利用電容的變化的換能器。通過使用一維或二維布置多個接收元件的多維陣列元件作為探測器17，能夠同時在多個位置上檢測聲波。結果，能夠減少檢測時間并減少由身體移動導致的噪聲。 [0041]信號收集器18
[0042]信號收集器18放大通過探測器17獲得的電信號，并執行從模擬信號到數字信號的轉換。信號收集器18 —般由放大器、A/D轉換器和場可編程門陣列(FPGA)芯片等配置成。當從探測器17獲得多個檢測信號時，希望信號收集器18可同時處理多個信號。因此，能夠減少形成圖像之前的時間。注意，在本說明書中，“檢測信號”是既包括從探測器17獲得的模擬信號也包括在其后經受了 AD轉換的數字信號的概念。檢測信號也被稱為“光聲信號”。
[0043]信號處理器19
[0044]信號處理器19通過圖像重構獲取被檢體內部的圖像數據。典型地，使用工作站作為信號處理器19。通過使用工作站的信息處理器件(CPU等)由編程計算機程序執行信號處理和圖像重構處理等。在圖1所示的例子中，被信號處理器19使用的軟件包含被配置為執行用于選擇性地減少相位反轉的反射信號的處理的信號處理模塊19a和被配置為生成圖像數據的圖像重構模塊1%。信號收集器18和信號處理器19有時被一體化。在這種情況下，也可通過硬件處理生成被檢體的圖像數據。信號處理模塊19a和圖像重構模塊19b分別等同于本發明的信號處理器和圖像生成器。
[0045]顯示裝置20
[0046]顯示裝置20顯示從信號處理器19輸出的圖像數據。例如，液晶顯示器被用作顯示裝置20。注意，可與本發明的光聲圖像形成裝置分開地設置顯示裝置20。
[0047]被檢體保持部件21
[0048]被檢體保持部件21保持被檢體。被檢體保持部件21可包含被配置為保持用于匹配被檢體的聲學阻抗和探 測器的聲學阻抗的液體的部件。被檢體保持部件或用于匹配液體的保持部件優選在光通過側透明。例如，作為被檢體保持部件或用于匹配液體的保持部件，使用聚甲基戍烯(polymethylpentene)或丙烯酸(acrylic)的塑料板或玻璃板等。一般地，由于這些部件比活體組織硬，因此，部件具有比活體組織的聲學阻抗大的聲學阻抗。因此，如以下詳細解釋的那樣，當使得光聲波從被檢體15入射到被檢體保持部件21上時，被檢體保持部件21的界面上的反射波的相位反轉180°。作為被檢體保持部件的形狀，一般采取用于保持被檢體的板狀形狀。被檢體保持部件等同于本發明的保持部件。
[0049]探測器17也可被視為被檢體保持部件21。通常，探測器的檢測元件(例如，PZT)的聲學阻抗比被檢體的聲學阻抗大。由于使得從探測器入射于被檢體上的光聲波的反射波的相位反轉180°，因此，能夠通過本發明的方法減少反射光。
[0050]在圖1中，通過使用兩個被檢體保持部件21a和21b保持被檢體。因此，被檢體被固定，不能移動。被檢體的厚度減小，并且光可到達被檢體。在本說明書中，當不必區分兩個被檢體保持部件21a和21b時，被檢體保持部件21a和21b被一并描述為被檢體保持部件21。
[0051]光聲圖像形成方法
[0052]參照圖2~6詳細解釋作為本發明的特征的由信號處理器19執行的處理。在以下的解釋中，在被檢體內生成的光聲波16在被檢體保持部件21上多重反射，并且，光聲波16的多重反射信號被探測器17接收。在這種情況下，即使當在來自被檢體的信號中包含多重反射信號時，通過根據本發明的光聲圖像形成方法，也能夠減少由于重構圖像中的多重反射的影響導致的偽像。
[0053]聲波的相位反轉的數學表示[0054]首先，作為前提，解釋聲波的反射的物理現象。在圖3中，區域301的聲學阻抗(Z)是Zl (Z = Zl)，并且，區域302的聲學阻抗是Z2 (Z = Z2)。與區域301的聲學阻抗相比，區域302的聲學阻抗相對較大(Z1〈Z2)?？梢垣@知，當在這種情況下使聲波從區域301入射到區域302上時，區域301和區域302之間的界面上的反射光的相位反轉180°。
[0055]將該現象應用于圖1所示的被檢體15和被檢體保持部件21，并檢查這種現象。當比較被檢體15與被檢體保持部件21時，通常，具有更高的剛度的后者具有更高的聲學阻抗。因此，當使得在被檢體內生成的光聲波16入射于被檢體保持部件21上時，在被檢體保持部件21的界面上反射的光聲波的相位相對于入射波改變180°。因此，例如，如圖3所示，在單個頻率處形成的聲波的形狀反轉。
[0056]當作為正常光聲波的入射波的相位和入射波的反射波的相位由于這種物理現象而相差180°時，能夠通過本發明的方法區分正常光聲波和光聲波的反射波。以下詳細解釋該方法。
[0057]描述光聲波的傳播的方程是類似于式(I)的波動方程。
[0058][數學I]
[0059]
【權利要求】
1.一種被檢體信息獲取裝置，包括: 探測器，所述探測器被配置為檢測從用光照射的被檢體生成的光聲波； 信號收集器，所述信號收集器被配置為從所述光聲波生成第一檢測信號； 信號處理器，所述信號處理器被配置為通過使用探測器的脈沖響應的微分信號從第一檢測信號生成第二檢測信號，在第二檢測信號中，具有相對于從光聲波導出的分量的相位反轉的相位的分量被減小了 ；和 圖像生成器，所述圖像生成器被配置為通過使用第二檢測信號生成關于被檢體內部的圖像數據。
2.根據權利要求1的被檢體信息獲取裝置，還包括被配置為保持被檢體的保持部件，其中， 所述信號處理器選擇性地減小作為從被所述保持部件反射的光聲波的反射波導出的分量的具有反轉相位的分量。
3.根據權利要求2的被檢體信息獲取裝置，其中，所述反射波是當使得通過被檢體生成的光聲波入射于保持部件上時在被檢體與保持部件之間的界面上反射的波。
4.根據權利要求1~3中的任一項的被檢體信息獲取裝置，其中，所述信號處理器通過使用所述脈沖響應的微分信號執行第一檢測信號的光譜分解。
5.根據權利要求4的被檢體信息獲取裝置，其中，通過用所述脈沖響應的微分信號解卷積第一檢測信號，執行通過信號處理器的光譜分解。
6.根據權利要求4的被檢體信息獲取裝置，其中，通過用設為基底的脈沖響應的微分信號對第一檢測信號進行基底轉換，執行通過信號處理器的光譜分解。
7.根據權利要求4的被檢體信息獲取裝置，其中，所述信號處理器通過在刪除負系數之后在通過光譜分解獲得的光譜信號上執行重構處理來生成第二檢測信號。
8.根據權利要求7的被檢體信息獲取裝置，其中，通過使用所述脈沖響應的微分信號的卷積，執行通過信號處理器的重構處理。
9.根據權利要求7的被檢體信息獲取裝置，其中，通過使用所述脈沖響應的微分信號的基底轉換，執行通過信號處理器的重構處理。
10.根據權利要求2的被檢體信息獲取裝置，其中，所述保持部件是被配置為保持被檢體的板狀部件。
11.根據權利要求2的被檢體信息獲取裝置，其中，所述探測器還用作所述保持部件。
12.根據權利要求1的被檢體信息獲取裝置，其中，接收了△脈沖信號的探測器獲取所述脈沖響應作為輸出的波形。
13.根據權利要求1的被檢體信息獲取裝置，還包括被配置為顯示圖像數據的顯示裝置。
14.一種用于被檢體信息獲取裝置的控制方法，所述被檢體信息獲取裝置包括被配置為檢測從被光照射的被檢體生成的光聲波的探測器、信號收集器、信號處理器和圖像生成器，所述控制方法包括: 信號收集器從所述光聲波生成第一檢測信號； 信號處理器通過使用探測器的脈沖響應的微分信號從第一檢測信號生成第二檢測信號，在第二檢測信號中，具有相對于從光聲波導出的分量的相位反轉的相位的分量被減小了 ；和 圖像生成器通過使用第二檢測信號生成關于被檢體內部的圖像數據。
15.一種用于使被檢體信息獲取裝置的信息處理裝置執行根據權利要求14的控制方法的步驟的計算機程 序。
【文檔編號】A61B5/00GK103989455SQ201410050587
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2013年2月19日
【發明者】福谷和彥 申請人:佳能株式會社