用于光声成像的系统及方法

专利名称：用于光声成像的系统及方法
技术领域：
本发明涉及光声成像和医疗诊断领域。具体言之，为了诊断及其它医学或研究的目的，本发明涉及一种光声成像系统，该光声成像系统包括一具有集成光纤激光器的超声波传感器，该集成光纤激光器可被用于获取试验对象的三维光声图像，例如人体和小型实验动物。
背景技术：
基于超声波的成像技术是一种常见的诊断工具，其被专业医学人士用于各种临床装置中以形成病人肌肉、肌腱和内部组织结构以及任何有可能发生病变的部位的实时层析图像。超声波成像技术也被科学家和医学研究人员用于进行活体(in vivo)研究以评估试验对象的疾病进展和康复情况。典型的超声波成像系统具有发送和接收试验对象的高频声波的传感器。该传感器通常使用一能够将接收的超声波转换为电信号的压电组件。中央处理单元驱动和控制系统组件，将由传感器器接收到的信号处理形成为图像并且在显示器上显示该图像。超声波成像相较于其它类型的成像方式例如X-射线成像和磁共振成像而言相对快速和便宜，并且超声波成像产生的潜在副作用的侵害也较小。然而，常用的超声波技术的局限性使其并不适合于某些应用。例如，超声波不能很好的穿透一定类型的组织和解剖结构，并且超声波图像很显然地要比X-射线图像和磁共振图像的对比度和空间分辨力要低。 另外，超声波成像在区分声学同类组织时也存在困难(例如具有相似超声波特性的组织)。光声成像技术是超声波成像技术的改良，其基础是光声效应，即吸收例如光波或者射频波等电磁波能量以产生声波。在光声成像中，激光脉冲被投射入生物组织中(在使用射频脉冲时，该技术通常被称为光声成像)。投射能量的一部分被试验对象的组织所吸收和被转换为热能。这样导致了热塑性扩张和宽频带(例如兆赫)超声波发射。进而产生的超声波被超声波传感器检测到并用于形成图像。光声成像通过提供纯超声波成像有可能克服一些问题，例如提高对比对和空间分辨力。同时，因为非电离辐射被用于形成超声信号， 光声成像的潜在辐射伤害要少于X-射线成像或者磁共振成像。目前光声成像系统的一个局限就是不能提供一种非常满意的获取三维(3D)图像的方式。故尝试运用层析方式捕获三维体数据以生成三维(3D)图像，可使用多个超声波传感器以特定方式进行布置或者移动单个传感器围绕待测目标来捕获三维体数据。这些技术通常要求试验对象被浸没在水中。即使系统已经不要求试验对象浸没在水中就能使用线性超声波传感器和激光来生成图像，但系统所生成的却是二维OD)图像。考虑到目前光声成像方法的局限性，仍然需要一种光声成像系统和技术，该系统和技术能够提供一种简单方便的获取三维(3D)光声图像的方法。

发明内容
本发明提供一种能够获取试验对象的二维QD)和三维(3D)图像的系统。该系统包括(a)接收超声波的超声波传感器，(b)产生非电离激光光束的激光系统，以及(c)具有多根光纤的光缆，多根光纤附在传感器上用于将激光指向目标对象。在一具体实施例中，超声波传感器是具有多个能产生和接收超声波转换组件的阵式传感器。可适用的阵式传感器包括例如线性阵式传感器、相控阵式传感器、两维阵式传感器以及曲线阵式传感器。该系统也可以包括一用于移动超声传感器的发动机。例如，该发动机可以是一直线步进电机，该直线步进电机将传感器沿着直线路径移动，以收集按预先定制的步长所隔开的一系列帧，该步长能由使用者进行调整。典型的，该步长为至少大约10微米到大约250 微米。该系统也可以包括一从传感器接收信号并将信号集中在超声波线上的束波形成器。另外，光纤也可以被装在传感器上以便于射入试验对象的激光与超声波线成一直线和 /或扫描平面中的每条直线接收大约相同水平的激光强度。本发明的另一实施例中，光声成像系统包括(a)具有移动支撑臂的扫描头，(b)位于所述支撑臂一端的用于接收超声波的超声传感器，(c)产生非电离激光的激光系统，以及 (d)至少一根光纤，更通常的是多根光纤，所述光纤与传感器相连用于引导激光指向目标。 支撑臂用于沿着扫描平面移动传感器。一独立的发动机可以在一垂直扫描平面的平面内移动传感器装置以获取用于形成三维(3D)数据的一系列帧。可选地，一单个的二维OD)发动机可在两个方向上移动传感器。本发明的系统通常包括例如计算机的中央处理单元，用于控制系统组件和将接收的超声波数据转为图像，还包括显示图像的显示器。计算机控制系统装配有根据接收到的用户指令控制各种组件的软件，以及形成和/或显示接收的超声波数据的软件。另一方面，本发明提供一种形成试验对象的三维(3D)图像的方法。该方法包括以下步骤
(a)将激光射线投向试验对象内的一个组织区域，以产生用于成帧的超声波信号；
(b)检测所述用于成帧的超声波信号；
(c)将激光射线投向一相邻组织区域，以产生用于生成下一帧的超声波信号；
(d)检测所述用于生成下一帧的超声波信号；
(e)重复步骤(c)和(d)以形成一系列连续的帧；
(f)堆栈所述一系列连续的帧以产生三维体数据；以及
(g)在监视器上显示由所述三维体数据形成的三维图像。若系统包含一阵式传感器，形成帧的超声波线的方法具有以下步骤
(i)定位在阵式传感器上的一孔径至所述帧中的第一直线；
(ii)为形成帧中第一直线发送激光射线到试验对象；
(iii)获取帧中第一直线的超声波信号；
(iv)定位在阵式传感器上的所述孔径至所述帧中的下一直线； (ν)为帧中下一直线发送激光射线到试验对象；
(Vi)获取帧中下一直线的超声波信号；以及(vii)对于所述帧中的每条直线，重复步骤(iv)至步骤(Vi)直到获取成帧所需数量的直线。束波形成器通常被用于在阵式传感器上定位该孔径以获取帧的每一条直线，且在每一帧形成后发动机会将传感器移动到能够获得下一帧的位置上。能够成帧的直线数量通常是从大约10条至大约IOM条，更典型的是从大约256条至大约512条，且最典型的是 256 条。本发明的光声成像系统和方法可以用于形成试验对象的各种结构(例如心脏、肾脏、大脑、肝脏、血管，等等)和/或组织的图像，或者形成试验对象的肿瘤状况或其它疾病状况的图像。典型地试验对象为哺乳动物，如人类。本发明也特别适合小型动物的成像，如试验白鼠且或大鼠。上述内容并不能尽述本发明的每一个实施例。参考下面的详细描述及其附图和权利要求，本发明其它的的实施方式、特征和优点将显而易见。应理解为，前述的说明内容及下面的详细描述都仅是示范和解释，且并不能限制本发明要求保护的内容。


附图作为说明书的一部分便于对本发明进行更完整地理解，且与

一起阐述本发明的几个具体实施例图1是与光纤束相连的超声波传感器的俯视图；图2是连接有电动机台且具有光纤的阵式传感器的透视图；图3是以三维(3D)体显示堆积帧的示意图；图4是以三维(3D)体显示的光声扫描图；图5是本发明一包括超声波系统和具有集成在超声波传感器上的激光电缆的激光系统的光声成像系统框图；以及图6是本发明一实施例的光声成像方法流程的框图。虽然本发明有各种改变和改进方案，其具体内容由附图实例以及详细说明来描述。然而，本发明并不限于所描述的特定实施例。相反，本发明包括所有具有本发明内涵及属于本发明范围内的改变、改进和等价物。
技术说明本发明提供一种可以生成试验对象的三维(3D)光声图像的光声成像系统和方法。该系统包括用于产生试验对象组织和/或器官中超声波的激光系统和检测所述超声波及将接收到的数据处理为试验对象感兴趣区的三维图像的超声波系统。例如，激光系统可以是来自于加州OPOTEK公司的用于产生非电离激光束的彩虹光谱集成可调谐激光系统。激光系统也包括一根或多根将激光投射到目标上的光纤。向试验对象传输的激光脉冲导致电磁辐射吸收，进而产生超声波。传感器检测到由激光产生的超声波并将其发送至中央处理单元，中央处理单元利用软件生成试验对象的两维和三维图像并将图像显示在显示屏上。整合光纤激光器到超声波传感器可适用于使用相同设备的超声波成像和光声成像技术。当获取光声图像时，超声波传感器主要被作为检测器，但是如果使用者希望在一个纯粹超声模式下操作设备，则传感器可以被用于发送和接收超声波。因此，在某些应用中，光声成像系统和超声波成像系统的功能是相同的。超声波传感器可以是单个传感器系统也可以是阵式传感器系统。在单个传感器系统中，一摇臂或类似装置被用于沿着扫描平面机械移动传感器。在阵式传感器系统中，传感器通常为“固定”传感器，其要求在给定扫描平面中获取超声波线但却无需沿着扫描平面移动传感器。更具体地，“固定”即指传感器阵列不能在传输或接收超声波以达到其所需的操作参数或者获得超声波数据的帧时利用方位向上的移动。此外，如果传感器位于扫描头或者其它成像探头，“固定”也意味着在操作时传感器不能在相对于扫描头，探头，或者其部分的方位向或者水平向上发送移动。“固定”传感器可以在获得不同超声帧时发送移动，例如，传感器可以在已获取了超声波数据帧的扫描平面间移动，但是这种移动在操作是不需要的。 然而，所属领域技术人员可以了解的是，当操作参数仍为固定时，“固定”传感器可以相对于成像物体移动。例如，传感器在进行变换扫描平面位置或者获取试验对象的不同视图或病理解剖的操作时，可以相对试验对象被移动。事实上，如下文所详细阐述的，在本发明实施例中，装于发动机上的固定传感器沿着垂直于传感器扫描平面的路径移动，以收集一系列相邻超声帧。阵式传感器包括但不限于一线性阵式传感器，一相控阵式传感器，两维QD)阵式传感器，或者一曲线阵式传感器。线性阵式传感器通常是平的，即所有的组件都在同一平面上。曲线阵式传感器通常将组件配置在一曲面上。传感器通常包含一个或多个压电元件，或者一系列压电元件，所述压电元件可以使用可变脉冲和延时装置进行电子束波。优选地，能与本发明光声系统一起使用的超声波系统和传感器包括但不限于在2007年6月12日公布的专利号为7，230，368 (Lukacs等人) 的美国专利中描述的系统；在2005年12月8日公布的申请号为2005/0272183 (Lukacs等人)的美国专利中描述的系统；在2004年6月M日公布的申请号为2004/0122319 (Mehi 等人)中描述的系统；在2007年9月6日公布的申请号为2007/0205698 (Chaggars等人) 的美国专利中描述的系统；在2007年9月6日公布的申请号2007/0205697 (Chaggars等人)的美国专利中描述的系统；在2007年10月11日公布的申请号为2007/0239001 (Mehi 等人)的美国专利中描述的系统；在2004年11月25日公布的申请号为2004/0236219 (Liu 等人)的美国专利中描述的系统，它们以参考方式被合并于此。。系统中的传感器能被装置在扫描头以助于传感器的定位。扫描头可以手提或者装于轨道系统。扫描头电缆通常很灵活以便于移动和定位传感器。图1显示的扫描头10用于本发明的光声成像。扫描头10具有一超声传感器12 及光缆15，光缆15包括多根光纤14，光纤14与传感器12相连。光纤14指引激光16至目标上以产生超声波，所述超声波由传感器12进行检测。激光16由光纤14发射至需要成像的对象表面的照明区域18上，并产生对象组织内部的超声波。光纤及产生的光束可以被置于相对于组织而言不同的角度上以用于照明。角度可以被增加至180度以便于光束投射至与超声束同轴的对象。光声图像通常由多脉冲采集事件形成。待采集图像区内的区域使用一系列独立脉冲采集事件扫描，被称为A-扫描”或者超声线”。每个脉冲采集事件需要一最少时间，该最少时间是指将由光纤发射的脉冲电磁能量转化至产生试验对象内的超声波的时间，该超声波稍后会被传至传感器。图像是通过使用足够数量的扫描线覆盖所需成像的区域，以提供可以被显示的试验对象解剖部位的足够细节来形成的。已取得的扫描线的数量和顺序是由超声波系统来控制的，其也可以将已取得的原始数据转换为图像。在程序中结合使用电子硬件和软件指令被称为“扫描转换”或者图像合成，已获得的光声图像被转化为图片以便于浏览显示屏的用户能浏览已成像的图像。在本发明一实施例中，通过接收束波形成方法以获取超声信号，以便于接收到的信号动态地沿着一超声波线聚焦。光纤的安装是为便于扫描平面内的每一超声波线能接收相同水平的激光脉冲强度。需要一系列连续的超声波线用于形成帧。例如，可能需要256 条超声波线，每条线由激光脉冲传输，所述激光脉冲伴随有超声波信号的采集。线基图像重方建法在公布于2006年5月30日的专利号为7，052，460的“运用线基图像重建方法生成超声图像的系统”的美国专利以及公开于2004年11月5为 2004/0236219 (Liu等人)的美国专利中被描述，它们以参考方式被合并于此。基于成像方法的线图像被用于生成需要高速帧采集率的图像，例如形成快速跳动的小鼠心脏的图像。对于三维图像的采集，一电动机台通常被用于移动具有综合光纤束超声波传感器进行直线运动，以收集一系列被预先步长所分离的帧。电动机运动的范围和步长可以由用户设置和/或调节。通常，步长从大约10微米到大约250微米。当一线性阵列设置在直线步进电机上可以获取一系列两维图像，该两维图像相互平行且间隔适当。因此，电动机通常沿着一垂直于扫描平面的平面移动阵式传感器。上述两维图像稍后将使用标准的三维可视化工具进行堆栈和可视化。图2显示一连接于电动机17的传感器13，电动机17沿着一预期路径移动传感器 13。一光缆15通过多根光纤14传送激光，光纤14连接在传感器13的喷嘴19上。电动机 17沿着预期路径从一个位置向下一个移动传感器13，传感器13在电动机轨迹方向上取得一系列连续的帧(或者切片)。如图3所示，生成的一系列帧20被堆栈在一起并且呈现为三维体数据。三维可视化软件收集已取得的帧并将其转化为一数据体或者数据立方。图4 中显示了三维数据体图像的实例。本发明一实施例中使用单阵元换能器(single element transducer)，该单阵元换能器由电动摇臂或一类似设备沿着扫描平面机械移动，三维图像也可以通过一系统采用在垂直于扫描平面的平面上移动传感器的方式来获取。也可以使用第二电动机定位系统在其它平面中移动整个传感器装备(或者RMV)以采集三维信息，或者也可以使用具有一个支撑臂的两维电动机定位系统在两个不同方向上移动传感器。除超声波传感器外，该超声波传感器具有集成的光纤激光和能够移动传感器的电动机，如上所述，本发明的光声系统通常具有一个或多个下列组件与其它组件相连的处理系统，其包括一种或多种信号和图像处理能力；数字束波形成器(接收和/或发射)子系统；数字束波形成器控制子系统；高压子系统；计算机模块；电源模块；用户接口 ；运行束波形成器和/或激光器的软件；将接收到的数据转换为三维(3D)图像的软件；监示或显示设备；以及在此描述的其它系统装置。图5为本发明光声成像系统的示意框图。所述系统包括一阵式传感器104，阵式传感器104具有综合光缆103，综合光缆103引导由激光系统102产生的激光至将被成像的试验对象105上。阵式传感器104连接于电动机105，例如直线步进电机，电动机105沿着预期路径以预计增量移动传感器104。束波形成器106连接于阵式传感器104的活性孔组件，并且被用于检测阵式传感器104的孔径。在将来自于光缆的激光穿入试验对象105的传输过程中，形成试验对象组织的超声波信号。超声波信号由阵式传感器104的活性孔组件所接收并转换为模拟电信号，该模拟电信号由活性孔的各个组件发射出去。该电信号的抽样样本在束波形成器106中由模拟信号转换为数字信号。在某些实施例中，阵式传感器104也具有一接受孔径，该孔径由束波形成器控制组件所决定，该孔径告知束波形成器接收组件在活性孔中阵列所包含的组件以及使用的延迟配置文件。束波形成器接收组件使用至少一个现场可编程门阵列(FPGA)去控制。控制单元也可以包括一发射束波程成型器，其同样也需要至少一个现场可编程门阵列(FPGA)去控制。中央处理单元，例如计算机101具有驱动系统组件的控制软件109，所述系统组件包括激光系统102和传感器电动机105。计算机101还包括处理接收数据的软件，例如使用三维可视化软件108基于接收到的超声波信号生成图像。生成后的图像将被显示在监示器 107上供用户观察。计算机101的组件包括但不限于，一个或多个处理器或者处理单元，系统内存，以及可以将系统内存与包括束波形成器106在内的多种系统组件相连接的系统总线。各种可能的总线结构可以被使用，包括内存总线或者内存控制器，外围总线，图形加速端口，以及一处理器或者使用任何一种总线体系结构的局部总线。具体来说，所述结构包括工业标准结构(ISA)总线，微通道结构(MCA)总线，扩展工业标准结构(EISA)总线，以及视频电子标准协会(VESA)局部总线，外设部件互连标准(PCI)总线也被称为夹层总线。本发明所列举的总线可由有线和无线网络连接实现。本系统也可由有线或无线网络连接实现并且可使用一个或多个位于不同物理位置的远程处理设备控制每个子系统，所述子系统包括处理器， 大容量存储设备，操作系统，应用软件，数据脚，网络适配器，系统内存，输入/输出接口，显示器适配器，显示设备，以及人机接口 102，通过这种形式的总线连接，有效实现了完全分布式系统。计算机101通常包括多个计算机可读介质。所述介质可以是任何可用的能被计算机101存取的并且包括易失性介质和非易失性介质，可移动介质和不可移动介质。系统内存包括易失性介质形式的计算机可读介质如随机存取存储器(RAM)，和/或非易失性介质如只读存储器(ROM)。系统内存通常包含如数据和/或程序模块的数据，程序模块如操作系统和应用软件，应用软件可以立即被存取和/或随即被处理单元操作。计算机101也可以包括其它可移动/非可移动，易失性/非易失性的计算机存储介质。举例而言，大容量存储设备可以提供非易失性计算机存储代码，计算机可读指令，数据结构，程序模块，以及其它计算机101所需的数据。例如，大容量存储设备可以是硬盘，移动磁盘，移动光盘，磁带或者其它电磁存储设备，闪存卡，只读光盘，数字化视频光盘(DVD)， 或者其它光学存储设备，如随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，电可擦只读存储器 (EEPROM)等等。多个程序模块可以存储在大容量存储设备中，包括例如操作系统和应用软件。包括三维图像数据的数据也可以被存储在大容量存储设备中。数据可以存储于本技术领域常用的一个或多个数据库中。所述数据库例如为DB2 ，微软数据库管理系统(Microsoft Access)，微软SQL伺服器，Oracle , mySQL, PostgreSQL，及类似的数据库等等。上述数据库可以被集中或者分散于多个系统中。用户利用输入设备可以将指令和信息输入计算机101中。类似输入设备包括但不限于键盘，指针设备(如鼠标)，麦克风，控制手柄，串口，扫描仪等等。输入设备通过连接至系统总线的人机接口与处理单元相连，但是也可以通过其它接口和总线结构进行连接，例如并行端口，游戏端口，通用串行总线(USB)。本发明一实施例中，用户接口可以从上述一个或多个所列输入设备中进行选择。优选地，用户接口可以包括多个控制设备例如拨动开关， 滑动器，可变电阻器以及其它本领域技术人员常用的用户接口设备。用户接口设备连接于处理单元。用户接口设备也被连接至示范系统其它的功能块，与所述处理单元相连或者没有联系。显示设备或者监视器107可与系统总线通过接口相连，例如显示适配器。举例而言，显示设备可以是监视器或者液晶显示屏。除显示设备107之外，其它包括如扬声器及打印机组件的输出外围设备可以通过输入/输出接口与计算机101相连。计算机101可在网络环境下利用与一个或多个远程处理设备相连的逻辑连接进行操作。举例而言，远程处理设备可以是个人电脑，便携式计算机，服务器，路由器，网络电脑，对点设备或者其它网络节点等等。在计算机101和远程处理设备之间的逻辑连接可由局域网(LAN)和广域网(WAN)建立。上述网络连接可以通过网络适配器完成。网络适配器可在有线和无线的网络环境下适用。所述网络环境可以是办公区域的公共空间，企业范围的计算机网络，内联网和因特网。远程计算机可以是服务器，路由器，对点设备或其它通用网络节点，及通常包括所有或很多已被描述的计算机101的组件。在网络环境中，程序模块和数据可被存储在远程计算机上。逻辑连接包括局域网和广域网。其它连接方法也可以被使用，并且网络可能包括例如万维网(world wide web)或者因特网Qnternet)。图6是本发明使用光声成像系统形成完整三维体的操作流程框图。步骤1(块 201)，一电动机移动一阵式传感器至获取帧中第一直线的位置。为获得帧中第一直线，一超声波束波形成器稍后将对位于阵式传感器上的孔径进行定位(块20 。计算机上的超声波控制软件用于相试验对象的组织发射激光以产生超声波(块20 ，并且超声波束波形成器从由阵式传感器所接收的信号中获得帧中的第一直线(块204)。一旦获取了帧中的第一直线，束波形成器将位于阵式传感器上的孔径进行定位以获取帧中的下一直线(块206)。激光被再次发射(块20 并且超声波束波形成器获取帧中的下一直线(块204)。此程序一直继续直到帧被形成，即成帧所需数量的直线都被获取为止(块205)。每帧的直线数量根据系统应用，系统参数，和/或操作者需求的不同而不同。典型地，每一帧需要大约10到大约IOM条直线，大多数情况下每帧256条直线或者每帧512条直线最合适。—旦第一帧被形成后，电动机将移动阵式传感器至获取第二帧的位置上(块 208)。第二帧中的直线获取将采用同上述获取第一帧中直线的方式(块202-206)。一旦第二帧被形成后，电动机移动阵式传感器至获取另一帧的位置，如此直到所需数量的帧全部被形成(块207)。之后，所有的帧都由计算机中的标准三维可视化软件进行处理以形成显示在监视器上的三维图像(块210)。如图4所示，为一例由所述方法形成的三维体图像。
计算机软件允许用户移动和操控图像以提供所需区域的各种视图和截面等。例如，操作者可以将立方体旋转和/或切割和切片以揭露成像对象的更多视图。软件中建立的不同的绘制方法被用于帮助使用者可视化感兴趣的解剖部位。之后，在卷上的两维及体积测量可以被完成。公开方法的程序可以有软件执行。该方法在计算机执行指令的外部环境中被描述，例如程序模块被一个或多个计算机或其它设备所操作。通常，程序模块执行特定的任务或者抽象类型，程序模块包括计算机代码，路径，程序，目标对象，组件，数据结构等等。公开的方法也基于网络和分布式网络环境进行实践，网络环境中的任务由远程处理设备执行， 远程设备通过通讯网络进行连接。在分布式网络环境中，程序模块可以存储于包括记忆存储设备的本地和远程存储介质中。附图及说明中所描述的示例系统可以以多种形式实现，所述形式包括硬件，软件， 及其两者的结合。硬件方式可以包括以下任意技术或其结合，所有技术都为本领域技术人员所熟知，包括离散电子元件，用于在数据信号上执行逻辑功能的具有逻辑门的离散逻辑电路，可编程门阵(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等等。软件包含有序的可执行指令表用于执行逻辑功能，并且可以被包含于任何计算机可读媒介中由指令执行系统、装置、或设备，例如计算机系统，包含处理器的系统或其它可以从指令执行系统、装置或者设备中提取指令并执行指令的系统使用，或者与上述系统相配合使用。本发明的光声成像系统和方法可用于广泛的临床及科研应用，形成试验对象的各种组织，器官(例如心脏，肾脏，大脑，肝脏，血管等)和/或疾病状况的图像。例如，所述实施例能提供体内图像分析，评估，以及小型动物的纵向成像研究中解剖结构和血流动力学功能测量的方法。系统能提供具有多功能的高分辨率，图像均勻性，景深，可调传输焦点深度，多传输聚焦区域的图像。例如，光声图像可以为一试验对象或其解剖部分，例如心脏或心瓣。图像也可以是血管影像以及用于包括血管转移评估的应用。系统可以用于引导注射。为了形成小型动物的影像，在成像时需要将传感器连接在一固定设备上。如此使得使用者在获取图像时避免了由手动成像造成的震动和抖动。固定设备具有多种特征，如三维空间中自由运动，自由旋转，快速释放机制等等。固定设备可以是轨道系统装置的一部分，并与加热鼠台相结合。小型动物实验对象也可以用麻醉设备将其定位在加热平台上，并以一种灵活的方式将传感器相对于试验对象进行定位。系统可以与平台和形成小型动物影像的设备一起使用，形成小型动物影像的设备包括具有可调探针支架仪器的“导轨”类型平台。例如，所述系统可以与多轨成像系统以及小动物固定装置配合使用，上述装置在美国专利申请序列号为10/683，168的“集成多轨成像系统”；美国专利申请序列号为10/053，748的“集成多轨成像系统”;美国专利申请序列号为10/683，870，现专利号为6，851，392的公布于2005年2月8日的“小动物固定装置”以及美国专利申请序列号为11/053,653的“小动物固定装置”的专利文件中被详细阐述，它们以参考方式被合并于此。小动物在成像期间可以被麻醉而且例如心率、体温等重要的物理参数即可被监测。因此，本实施例中系统可包括获取用于处理和显示的心电图(ECG)以及温度信号的方式。本系统的一实施例也可显示生理波形，例如心电图，呼吸和血压波形。所述实施例也可以用于人体临床试验，医疗，制造业(例如超声波检查等)或者其它需要生成三维光声图像的应用。本说明书及以下权利要求中，除非另有说明，则“一个”意味着“至少一个”或者“一个或多个”。另外，除非文中明确指出其它情况，则单数的“一个”也包括复数个指称对象。 因此，例如提及一种含有“一种化合物”的成分是包括了两种或更多化合物的混合物。本说明书及附加的权利要求中，除非文中明确指出存在其它情况，否则“或者”表示包括“和/或”的意思。此处所述的端点定义的数值范围包括所有落于该范围内的数值(例如1到5包括 1,1. 5,2,2. 75,3,3,3. 80，4 和 5)。除非另有说明，否则说明书和权利要求中所有表示要素数量，性能测量等等的数值都被修改为一个“大约”的数值。因此，除非有相反的说明，在前述的说明书和所附的权利要求中的数值参数都是近似值，该近似值可以依据本领域技术人员利用本发明主旨内容获取的所需性能而变化。至少，并不是为了限制权利要求的范围，每一参数值需要至少根据记录的有效数字的个数以及应用通常的舍入法进行分析。然而，任何数值固有地会包含一定的误差，该误差来自于分别测试的数据中存在的标准偏差。对于本领域技术人员而言，各种不脱离本发明范围和内涵的修正和改进都是显而易见地。应认为，本处所举的具体实施例和例子并不意味着对本发明的不适当的限制，并且所列的具体实施例和例子仅是为了阐述本发明，本发明的范围只由所附权利要求进行限制。专利、专利文件以及所引用的出版物均为全文引用，犹如每篇都被单独引用一样。
权利要求
1.一种用于获取目标对象的两维OD)或者三维(3D)图像的系统，所述系统包括(a)超声波传感器，用于接收超声波；(b)激光系统，用于生成非电离激光脉冲；以及(c)光缆，包括多根光纤，用于将激光导向所述目标对象，其中所述多根光纤附在所述超声波传感器上。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述超声波传感器为包含了多个传感器组件的阵式传感器，所述多个传感器组件用于生成和接收超声波，并且所述多根光纤附在所述多个传感器组件之上。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述阵式传感器选自于由线性阵式传感器、相控阵式传感器、两维阵式传感以及曲线阵式传感器所组成的组合。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述阵式传感器为线性阵式传感器。
5 如前述任一权利要求中所述的系统，进一步包括电动机，用于移动所述超声波传感ο
6.如权利要求5所述的系统，其中所述电动机为直线步进电动机，用于沿着直线路径移动所述超声波传感器，以收集一系列由预先设定的步长所分隔的帧。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述预先设定的步长可以由用户调整。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述预先设定的步长最小是10微米。
9.如前述任一权利要求中所述的系统，进一步包括束波形成器，用于接收来自于所述超声波传感器的超声波信号，并将所述超声波信号沿着超声波线聚焦。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述光纤位于所述超声波传感器上，以便于投向所述试验对象的激光与所述超声波线成一直线。
11.如前述权利要求中的任一权利要求中所述的系统，其中所述激光能够在试验对象组织中产生超声波信号，并且所述光纤被设置在所述超声波传感器上，以便于在扫描平面中的每一所述超声波线接收大约相等水平的激光强度。
12.如前述任一权利要求中所述的系统，进一步包括计算机和监视器，所述计算机用于控制系统组件和将接收到的超声波数据处理为图像，所述监视器用于显示所述图像。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述图像包括三维(3D)体数据。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述计算机包含有软件，用于将接收到的所述超声波数据可视化。
15.一种用于生成试验对象的三维(3D)光声图像的方法，所述方法包括下列步骤(a)将激光射线(laserradiation)投向试验对象内的一组织区域，以产生用于成帧的超声波信号；(b)检测所述用于成帧的超声波信号；(c)将激光射线投向一相邻组织区域，以产生用于生成下一帧的超声波信号；(d)检测所述用于生成下一帧的超声波信号；(e)重复步骤(c)和(d)以形成一系列连续的帧；(f)堆栈所述一系列连续的帧以产生三维体数据；以及(g)在监视器上显示由所述三维体数据形成的三维图像。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述超声波信号是使用超声波传感器所检测，并且所述激光射线通过附在所述超声波传感器上的至少一根光纤而被发送。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述超声波传感器是线性阵式传感器。
18.如权利要求17所述的方法，其中产生所述用于形成帧的超声波信号的方法包括下列步骤(i)定位在阵式传感器上的一孔径(aperture)至所述帧中的第一直线； ( )发送激光射线到试验对象以形成所述帧中的第一直线；(iii)获取所述帧中第一直线的超声波信号；(iv)定位在所述阵式传感器上的所述孔径至所述帧中的下一直线； (ν)发送激光射线到试验对象以形成所述帧中的下一直线；(vi)获取所述帧中下一直线的超声波信号；以及(vii)对于所述帧中的每条直线，重复步骤(iv)至步骤(vi)直到获取成帧所需数量的直线。
19.如权利要求18所述的方法，其中一束波形成器系用于将所述孔径定位在所述阵式传感器上。
20.如权利要求18或者权利要求19所述的方法，其中形成所述帧所需的直线数量大约为10条至IOM条。
21.如权利要求20所述的方法，其中成帧的直线数量是256。
22.如权利要求17-21中任一权利要求所述的方法，其中所述线性阵式传感器附在电动机上，以控制所述线性阵式传感器沿着所需路径运动。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述电动机移动所述线性阵式传感器从第一位置获取成帧所需数据后至第二位置以获取形成相邻帧的所需数据。
24.如权利要求15-23中任一权利要求所述的方法，其中所述试验对象为小型动物。
25.如权利要求M所述的方法，其中所述试验对象为大鼠(rat)。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述试验对象为小鼠(mouse)。
27.如权利要求15-26中任一权利要求所述的方法，进一步包括对于所述试验对象的器官的成像。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述器官系选自心脏、肾脏、大脑、肝脏以及血管。
29.如权利要求15-28中任一权利要求所述的方法，进一步包括对于所述试验对象的肿瘤状况(neo-plastic condition)的成像。
30.一种获取目标对象两维OD)或者三维(3D)图像的光声成像系统，所述系统包括:(a)扫描头，具有活动的支撑臂；(b)超声波传感器，用于接收超声波，其中所述超声波传感器位于所述支撑臂的一端， 所述支撑臂沿着扫描平面移动所述超声波传感器；(c)激光系统，用于产生非电离激光脉冲；以及(d)至少一根光纤，用于引导激光投向所述目标对象，其中所述光纤系附在所述超声波传感器上。
31.如权利要求30所述的系统，更包括附在所述超声波传感器上的多根光纤。
32.如权利要求30所述的系统，其中所述超声波传感器进一步能够生成频率至少为20 兆赫的超声波。
33.如权利要求30-32中任一权利要求所述的系统，进一步包括电动机，用于在一垂直于所述扫描平面的平面内移动所述超声波传感器。
34.如权利要求30-33中任一权利要求所述的系统，进一步包括计算机和监视器，所述计算机用于控制系统组件和将接收到的超声波数据处理为图像，所述监视器用于显示所述图像。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述图像包括三维(3D)体数据。
36.如权利要求34所述的系统，其中所述计算机包含有软件，用于将接收到的所述超声波数据可视化。
全文摘要
本发明提供一种能够生成试验对象三维图像的光声成像系统和方法。所述系统包括一个或者多个附在超声波传感器上的光纤。超声波由所述光纤发射的激光生成，并被所述超声波传感器检测。三维图像由来自于一系列相邻扫描平面或者帧的超声信号所形成，所述帧稍后被堆栈在一起形成三维体数据。
文档编号A61B5/05GK102573621SQ201080030050
公开日2012年7月11日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年5月1日
发明者安德鲁·尼德雷斯, 德西蒙·希尔森, 詹姆斯·I·梅希 申请人:视声公司