专利名称：测量系统、图像形成方法和程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收声波并生成图像数据的测量系统、用于从声波生成图像数据的图像形成方法、以及用于使图像形成方法被执行的程序。
背景技术：
用于使从诸如激光器的光源照射到样本的光在样本内传播并获得关于样本的内部的信息的光学成像装置的研究主要在医疗领域中一直在积极进展。作为基于这些研究的光学成像技术中的一种，提出了光声断层成像(PAT)(参见专利文献I)。在光声断层成像中，脉冲光首先从光源产生并被照射到样本。使照射的光在样本内传播和扩散，同时体组织吸收所述光的能量并从其产生声波(一般是超声波)。所产生的声波在位于关于样本的周围的多个点处被检测，并且，所获得的信号被数学分析并被处理 成图像数据。以下，这种处理被称为成像。可通过成像获得样本内的初始压力产生分布或光学特性值分布特别是光能量吸收密度分布，并且，可获得诸如恶性肿瘤的位置的关于样本的内部的信息。引文列表专利文献PTL I :美国专利 No. 584002
发明内容
技术问题有时会在通过成像获得的图像中出现伪像(artifact)。伪像意指看起来如同存在某物(虽然实际上它不存在)的图像。伪像也被称为幻影(ghost)。特别地，当视角受限时，例如，当获得声波信号的位置沿一定的方向位于一平面(plane)上而不是绕样本跨过360度时，可归因于声波接收器的带域(band)的伪像表现得显著。到目前为止，不能从实际存在的光吸收体的图像(即，从实际图像)区分伪像。因此，本发明的目的是，区分或减少(抑制)可归因于声波接收器的带域的伪像。问题的解决方案根据本发明，提供一种测量系统，该测量系统包括用于接收通过向样本照射光产生的声波并用于将接收的声波转换成电信号的声波接收器，以及，用于通过使用所述电信号生成图像数据的图像形成装置，其中，声波接收器至少接收从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达声波接收器的直接波和从检测目标产生的声波中的被设置在样本中的声波反射表面反射的反射波，并且将接收的波转换成相应的电信号，所述图像形成装置包括用于将从直接波转换的电信号和从反射波转换的电信号转换成体素(voxel)数据或像素数据由此生成图像数据的数据生成单元；用于确定当在所述图像数据上观察时从直接波转换的体素数据或像素数据的位置与从反射波转换的体素数据或像素数据的位置关于图像数据上的与声波反射表面对应的位置是否对称的确定单元；和用于执行处理以区分或减少被确定单元确定为非対称的体素数据或像素数据的图像的处理单元。并且，根据本发明，提供ー种测量系统，该测量系统包括用于接收通过向样本照射光产生的声波并用于将接收的声波转换成电信号的声波接收器和用于通过使用所述电信号生成图像数据的图像形成装置，其中，声波接收器至少接收从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达声波接收器的直接波和从检测目标产生的声波中的被设置在样本中的声波反射表面反射的反射波，并且将接收的波转换成相应的电信号，所述图像形成装置包括用于将从直接波转换的电信号和从反射波转换的电信号转换成体素数据或像素数据由此生成图像数据的数据生 成単元；用于在与声波反射表面对应的图像数据上的位置处折叠(fold)图像数据由此生成折叠的数据的折叠数据生成单元；和用于叠加(superimpose)所述折叠的数据与被折叠之前的图像数据的叠加单元。本发明的有利效果根据本发明，可通过执行处理以区分或减少伪像，获得高度可靠的图像数据。
图I是示出可应用本发明的測量系统的配置的一个例子的框图。图2是用于解释在可应用本发明的測量系统中获得的实际图像、反射图像和它们的伪像之间的位置关系的一个例子的示意图。图3是示出根据本发明的实施例I的图像形成装置的内部配置的ー个例子的框图。图4示出本发明的实施例I的处理流程。图5是示出根据本发明的实施例2的图像形成装置的内部配置的ー个例子的框图。图6示出本发明的实施例2的处理流程。图7示出通过应用本发明的例子获得的結果。图8示出通过使用基于已知的技术的图像数据生成方法获得的結果。图9示出图7和图8中沿Y= I. Ocm处的截面的結果。
具体实施例方式以下将借助于附图详细描述本发明。注意，在本发明中，声波意指包含所谓的声波、超声波和光声波并且在诸如近红外线的光(电磁波)被照射到样本时在样本内产生的弹性波。[实施例I]參照附图描述本发明的实施例I。在本实施例中描述用于规定、区分或减少伪像(包含去除它的情況)的系统配置。图I是可应用本发明的測量系统的框图。在利用光声断层成像的測量系统中，从光源2产生光2 (脉冲光)，并且，光2通过诸如透镜和反射镜的光学装置4被照射到样本3。样本3内部的光吸收体5 (即，要被检测的对象)吸收光的能量并产生声波6。产生的声波6的一部分直接到达声波接收器8，并且，产生的声波的另一部分在被用作声波反射表面的声波反射板7反射之后到达声波接收器8。在以下的描述中,在不被反射的情况下直接到达声波接收器8的声波被称为直接波，并且，在被声波反射板7反射之后到达声波接收器8的声波被称为反射波。声波接收器8接收声波以转换成电信号，并且向电信号处理电路9输出所述电信号。电信号处理电路9执行电信号的放大、数字转换等，并且将数字转换之后的电信号(即，数字信号)输出到图像形成装置10。图像形成装置10通过使用所述数字信号生成图像数据，并且，生成的图像数据通过显示装置11被显示为图像。并且，声波接收器8通过扫描控制器12被机械扫描并构成为能够在各种位置处执行測量。在本发明中，用作声波反射表面的声波反射板7被设置在样本3上。优选地,声波反射板7在其面向样本3的侧具有平坦表面，并具有与样本的声学阻抗大大不同的声学阻抗(例如，约3X 106Kg/m2 · S)。并且，声波反射板7优选由透明并允许光2充分地通过它的材料制成。这是由于，这种材料使得光能够从设置声波反射板7的侧被照射到样本。当设置用于从两侧按压样本的按压板时，可使用设置在声波接收器8的相对侧的按压板作为声波反射板，或者，可以在该按压板上设置声波反射表面。
光源I意图照射可被活体的成分之中的特定的成分(例如，血色素)吸收的特定波长的光。作为光源1，測量系统包含能够产生具有5纳秒 50纳秒的持续期的脉冲光的至少ー个脉冲光源。虽然优选使用具有大的输出的激光器作为光源，但是，作为激光器的替代，也可使用发光二极管等。可以使用诸如固态激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器的各种激光器中的适当的ー个作为激光器。另外，可从设置声波接收器8的侧照射所述光，或者，可从声波接收器8的相对侧照射所述光。作为替代方案，可从样本的两侧照射所述光。光学装置4包括例如用于反射光的反射镜和用于会聚或扩展光以改变光束的形状的透镜。除了反射镜和透镜以外，也可使用光学波导作为光学部件。所述光学部件可以是任何类型的，只要它使得从光源I发射的光能够以希望的形式被照射到样本3。光2优选通过透镜发散(diverge)，而扩展到一定的区域中。并且，光2照射到样本3的区域优选可在样本上移动。换句话说，測量系统优选被构成为使得从光源I产生的光可在样本上移动。光的这种可动性使得能够在更大的范围上照射光。更优选地，光2照射到样本3的区域(即，照射到样本的光)与声波接收器8同步地移动。可例如通过使用诸如可移动反射镜的方式或通过机械移动光源自身的方式，实施移动光被照射到样本的区域的方法。声波接收器8包含分别接收声波并将声波转换成电信号的ー个或更多个装置，并且，它由例如利用压电现象的转换器(transducer)、利用光学共振的转换器或利用电容的变化的转换器构成。声波接收器8为任意类型的，只要它可接收声波并将声波转换成电信号。通过ー维或ニ维布置多个用于接收声波的装置，能够同时在多个位置处接收声波，以缩短接收时间，并减少样本的振动等的影响。作为替代方案，也可通过扫描ー个装置获得与通过ニ维或ー维布置装置获得的信号类似的信号。可在样本的整个表面上设置多个装置。另夕卜，优选在声波接收器8与样本之间施加诸如用于实现声学匹配的凝胶的声学匹配材料。下面，将參照图2详细说明通过分析处理在图像形成装置10中获得的图像数据。图像数据意指代表关于样本的内部的信息的数据，不管所述信息是ニ维的还是三维的。通过排列多个像素数据构成ニ維信息，并且，通过排列多个体素数据构成三維信息。通过使用基于例如时域或傅立叶域处理的图像数据生成方法(图像重构方法)，对在多个位置处获得的声学信号执行分析处理，获得像素数据和体素数据。虽然以下描述三维图像数据，但是，本发明也可被应用于ニ维图像数据。图2示出比较由获得的图像数据代表的图像与样本和声波接收器的相应位置之间的位置关系的概念图。通过光激励的声波从光吸收体(即，产生声波的位置)以球状形式扩展。声波的一部分作为直接波直接到达声波接收器8。声波的另一部分被具有不同的声学阻抗的声波反射表面16 (由声波反射板7提供)反射，并且，所反射的波到达声波接收器
8。声波接收器8接收直接波和反射波并将它们转换成相应的电信号。通过对包含直接波和反射波两者的电信号的电信号执行分析处理，获得提供光吸收体的实际图像14的体素数据和提供其反射图像17的体素数据。实际图像14是通过直接波形成的图像，并且，反射图像17是通过反射波形成的图像。反射图像17在根据关于反射的物理定律的位置处出现。如果声波反射表面16的形状和位置是已知的，那么可以计 算这样的位置。当声波反射表面16是平坦表面吋，实际图像14与反射图像17之间的关系同于在反射镜中所看到的实际图像和反射图像之间的关系。更具体而言，在图2中，反射图像17出现的位置被定义为以与从声波反射表面16到实际图像14的距离相同的距离沿声波反射表面16的法线方向距离实际图像14的位置，即ai = a2成立的位置。并且，由于伪像可归因于声波接收器的帯域，因此，不仅出现源自实际图像14的伪像15，而且出现以类似的方式源自反射图像17的伪像18。现在描述可归因于声波接收器的帯域并且是本发明要解决的问题的伪像的产生机制。在光声断层成像中，已知由光激励的声波由跨着宽的带域的频率分量构成。一般地，由于用于接收这些声波的声波接收器仅能够接收帯域的一部分，因此，从声波接收器输出的电信号采取仅由部分频带构成的信号波形。此时，由于带域的不足，信号在它返回基线时超出(overshoot beyond)基线，由此产生鸣响(ringing)(振动)。这样的产生的可归因于声波接收器的帯域的鸣响分量导致伪像。据推测，其原因在于，样本的结构基本上仅通过相互強化的来自光吸收器的信号分量被再现，但是，如果出现鸣响，那么鸣响分量也相互强化，从而导致伪像。导致伪像的信号振动(鸣响分量)出现于当从声波接收器观看时在时间上比纯正的(genuine)信号晚的位置处。因此，当电信号通过分析处理被转换成体积数据(volumedata)时，如图2所示，伪像总是出现于比实际图像和反射图像中的每ー个更远离声波接收器8的位置处。换句话说，从源自实际图像的伪像15到声波反射表面16的距离Id1与从反射图像18到声波反射表面16的距离b2之间的关系由Id1幸b2给出。因此，当在作为边界的声波反射表面16的两侧比较这些图像时，实际存在的光吸收体的图像出现于面対称的位置处，并且，伪像出现于非面対称的位置处。下面，參照图3和图4描述可应用本发明的用于规定与区分或减少伪像的具体方法。图3是示出根据实施例I的图像形成装置的内部配置的框图，以及图4是用于区分伪像的处理的流程图。首先，脉冲光被照射到样本(S1-1)，并且，通过脉冲光激励的声波被声波接收器接收(S1-2)。从声波接收器输出的电信号在电信号处理电路9中被放大并经受模拟一数字转换，并然后被存储为数字信号。在这些步骤中，声波接收器至少在从向样本照射光到反射波到达声波接收器的时段中保持在可接收状态。并且，电信号处理电路9需要将在这样的时段中接收的声波存储为数字信号。换句话说，电信号处理电路9至少存储直接波和反射波的相应的数字信号。另外，在样本内的多个位置处获得存储于电信号处理电路9中的数字信号。图像形成装置10中的体积数据生成単元101将在多个位置处获得的数字信号转换成代表样本内的空间信息的相应的体素数据，由此生成图像数据(S1-3)然后，在对称确定单元102中，确定当在生成的图像数据上观察时代表出现的图像的体素数据的位置关于与声波反射表面对应的位置是否是面対称的(S1-4)。这里，由于从声波反射表面到声波接收器的距离是已知的，因此，当在生成的图像数据上观察时与声波反射表面对应的位置也是已知的。因此，能够确定当在生成的图像数据上观察时代表出现的图像的体素数据的位置关于与声波反射表面对应的位置是否面对称。另一可设想的方法是，利用在声波反射表面处产生的声波。在许多的情况下，样本3和声波反射板7在光吸收特性上相互不同，并且，在样本与声波反射板之间的界面(声波反射表面)处产生声波。通过接收在声波反射表面处产生的声波并将接收的声波转换成体素数据，形成基于在声波反射表面处产生的声波的图像(以下，称为“声波反射表面的图像”)。因此，通过使用代表声波反射表面的图像的体素数据(即，基于在声波反射表面处产生的声波的体素数据)的位置作为基准，可以确定其它的图像是否是面対称的。通过上述的步骤，当出现的图像不面对称时，它们可被规定为伪像。标签附加单元103将标签附加到代表非面对称并且被规定为伪像的图像的体素数据(S1-5)。然后，处理单元104通过使用例如着色技术对附加有标签的代表图像的体素数据(即，代表非面对称并且被规定为伪像的图像的体素数据)执行区分处理(S1-6)，使得相关的图像当在显示装置11上被显示时可被区分为伪像。除了诸如简单的着色的区分处理，可以执行減少(抑制)处理从而以相对浅的颜色显示被规定为伪像的体素数据，或者以与背景水平对应的顔色示出这些体素数据，使得这些体素数据不被显示为明显的图像。最后，显示装置11显示例如体素数据的截面图像或3D呈现图像(S1-7)。通过上述的步骤，伪像可被规定与区分或减少。[实施例2]虽然伪像在实施例I中被规定与区分或減少，但是，关于用于减少伪像而无需在图像数据中规定它们的系统配置描述实施例2。图5是示出根据实施例2的图像形成装置的内部配置的框图，以及图6是用于减少伪像的处理的流程图。在图2中，生成图像数据之前的步骤与实施例I中的那些相同。换句话说，直到体积数据生成単元101生成图像数据的S2-3的处理与实施例I中的直到S1-3的处理相同。然后，折叠数据生成単元105折叠生成的图像数据中的与从声波检测器观察时离声波反射表面更远的那侧对应的那些体素数据，即，存在提供反射图像的体素数据的区域中的那些体素数据，由此生成折叠数据(S2-4)。并且，叠加单元106执行使折叠数据与原始图像数据叠加的处理(S2-5)。在经受叠加处理之后的图像数据中，代表通过实际存在的光吸收体形成的实际图像的体素数据附加地与代表反射图像的体素数据叠加，由此，两个体素数据的信号相互強化。但是，不附加地叠加伪像的相应的体素数据，得到的信号的強度相对地弱。假定X、y和z的位置处的原始图像数据的体素值(強度)是A1 (ん7，2)并且1、7和z的位置处的折叠数据的体素值(强度)是A2 U，y, z )，那么通过使用下式(I)执行具体的叠加处理。[数值式I]
权利要求
1.ー种测量系统，包括用于接收通过向样本照射光而产生的声波并将所接收的声波转换成电信号的声波接收器和用于通过使用所述电信号来生成图像数据的图像形成装置， 其中，所述声波接收器至少接收从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达声波接收器的直接波和从检测目标产生的声波中的被设置在样本中的声波反射表面反射的反射波，并且将接收的波转换成相应的电信号， 所述图像形成装置包括 数据生成単元，用于将从所述直接波转换的电信号和从所述反射波转换的电信号转换成体素数据或像素数据，由此生成图像数据； 确定单元，用于确定当在所述图像数据上观察时从所述直接波转换的体素数据或像素数据的位置与从所述反射波转换的体素数据或像素数据的位置关于所述图像数据上的与声波反射表面对应的位置是否是対称的；和 处理单元，用于执行处理以区分或減少被所述确定単元确定为非対称的体素数据或像素数据的图像。
2.ー种测量系统，包括用于接收通过向样本照射光产生的声波并将接收的声波转换成电信号的声波接收器和用于通过使用所述电信号生成图像数据的图像形成装置， 其中，所述声波接收器至少接收从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达所述声波接收器的直接波和从检测目标产生的声波中的被设置在样本中的声波反射表面反射的反射波，并且将接收的波转换成相应的电信号， 所述图像形成装置包括 数据生成単元，用于将从所述直接波转换的电信号和从所述反射波转换的电信号转换成体素数据或像素数据，由此生成图像数据； 折叠数据生成単元，用于在所述图像数据上的与所述声波反射表面对应的位置处折叠所述图像数据，由此生成折叠的数据；和 叠加单元，用于将所述折叠的数据与被折叠之前的所述图像数据进行叠加。
3.根据权利要求I或2的測量系统，还包括电信号处理电路，所述电信号处理电路用于将通过声波接收器转换的电信号转换成数字信号， 其中，所述数据生成単元将已被转换成数字信号的电信号转换成体素数据或像素数据。
4.根据权利要求I 3中的任一项的测量系统，其中，当声波反射表面是弯曲表面吋，所述数据生成単元生成在执行从反射波转换的体素数据或像素数据的位置到当声波反射表面是平坦表面时获得的体素数据或像素数据的位置的坐标变换之后的图像数据。
5.一种用于通过声波接收器接收通过向样本照射光而产生的声波、将所接收的声波转换成电信号、以及通过使用所述电信号生成图像数据的图像形成方法，所述图像形成方法包括 数据生成步骤，将由从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达所述声波接收器的直接波转换得到的电信号和由从检测目标产生的声波中的通过设置在样本中的声波反射表面反射的反射波转换得到的电信号转换成体素数据或像素数据，由此生成图像数据； 确定步骤，确定当在所述图像数据上观察时从所述直接波转换的体素数据或像素数据的位置与从所述反射波转换的体素数据或像素数据的位置关于所述图像数据上的与所述声波反射表面对应的位置是否是对称的；和 处理步骤，执行处理以区分或减少在所述确定步骤中确定为非对称的体素数据或像素数据的图像。
6.一种用于通过声波接收器接收通过向样本照射光而产生的声波、将所接收的声波转换成电信号、以及通过使用所述电信号生成图像数据的图像形成方法，所述图像形成方法包括 数据生成步骤，将由从样本内的检测目标产生的声波中的直接到达所述声波接收器的直接波转换得到的电信号和由从检测目标产生的声波中的通过设置在样本中的声波反射表面反射的反射波转换得到的电信号转换成体素数据或像素数据，由此生成图像数据；折叠步骤，在所述图像数据上的与声波反射表面对应的位置处折叠所述图像数据，由此生成折叠的数据；和 叠加步骤，将所述折叠的数据与被折叠之前的所述图像数据进行叠加。
7.根据权利要求5或6的图像形成方法， 其中，通过所述声波接收器转换的电信号被转换成数字信号，并且， 已被转换成数字信号的电信号在数据生成步骤中被转换成体素数据或像素数据。
8.根据权利要求5 7中的任一项的图像形成方法，其中，当声波反射表面是弯曲表面时，在执行从反射波转换的体素数据或像素数据的位置到当声波反射表面是平坦表面时获得的体素数据或像素数据的位置的坐标变换之后在数据生成步骤中生成图像数据。
9.一种用于使计算机执行根据权利要求5 8中的任一项的图像形成方法的步骤的程序。
全文摘要
在光声成像中，存在不能从存在的光吸收体的图像即实际图像区分伪像以及虽然事实上什么都不存在但可能识别为存在光吸收体的问题。通过利用设置到对象的声波反射表面，根据光吸收体的实际图像和反射图像之间的位置关系以及图像数据上的伪像的体素数据组中的各组体素数据，确定或减少可归因于声波接收器的带域的伪像。
文档编号A61B8/00GK102655815SQ20098016292
公开日2012年9月5日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者大石卓司 申请人:佳能株式会社