专利名称：声学波测量设备和方法
技术领域：
本发明涉及声学波测量设备和声学波测量方法。具体地说，本发明涉及用于接收从被光照射的被检体产生的声学波的声学波测量设备、以及用于控制该设备的方法。
背景技术：
光声层析成像(photoacoustic tomography，PAT)是使用近红外光的用于体内成像的技术。在利用PAT的成像中，利用从光源产生的脉冲光照射诸如活体(living organism)的被检体，并且，在被检体中传播和扩散的光被光吸收物质吸收，以产生声学波 (典型地，超声波)。产生声学波的机制被称为光声波效应。肿瘤组织与周围组织不同地对近红外光作出反应，它吸收比周围组织多的光从而立即膨胀并产生与吸收了近红外光的区域相对应的声学波。作为声学波测量设备的光声成像设备是这样的设备该设备利用声学波检测元件接收声学波并分析所接收的信号，以由此计算关于在被检体中产生的声学波的诸如空间初始声压分布的信息，并且基于所计算的信息来形成图像。因为所产生的声压的分布与光吸收系数有关，所以，目前正积极地研究使用与光吸收系数有关的分布的被检体的诊断。使用光声波效应来获得活体的读数(reading)的声学波测量设备使用具有近红外波长的高输出短脉冲(几十纳秒)光源。活体的光吸收低的近红外波长带被称为生物窗。 生物窗中的近红外光可以深入地到达活体而不会导致破坏。然而，在使用PAT技术的声学波测量设备中，需要防止光照射观测者，尤其是眼睛。为此，例如，由 Manohar等人在题为〃 Region-of-interest breaststudies using the Twente Photoacoustic Mammoscope (PAM) " (Proc. of SPIE Vol.6437643702)的文献中描述的设备使用遮光帘(blackoutcurtain)来将被检体和观测者相互分隔开。另一方面，为了有效地接收声学波，希望声学波测量设备将作为声学波检测单元的声学波探测器移动到被检体的精确的预定测量位置并检测声学波。此外，为了有效地产生声学波，希望将照射被检体的照射单元也移动到预定测量位置并照射该被检体。出于这些目的，观测者必须检查被检体上的测量位置并将声学波探测器和照射单元移动到希望的测量位置。然而，由于Manohar等人描述的设备用遮光帘将被检体和观测者相互分隔开，所以该设备具有这样的问题观测者不能视觉地观测到被检体，并且难以按高精度将照射单元移动到测量位置。另一种测量方法在不照射光的情况下，将遮光帘打开并将照射单元移动到测量位置，以便在视觉上将照射单元与被检体对准。然而，在这种情况下，对于每一次测量都执行打开和关闭遮光帘的操作，这可能经常使得观测者忘记关闭遮光帘或者由于遮光帘的不完全关闭而产生间隙。
发明内容
本发明的一个方面涉及声学波测量设备，所述声学波测量设备包括保持单元，被配置用于保持被检体；照射单元，被配置用于用光照射被检体；声学波检测单元，被配置用于经由保持单元接收由于用光进行照射而在被检体中产生的声学波；图像拾取单元，被配置用于获取被检体的图像；位置指定单元，被配置用于在由图像拾取单元获取的图像上指定测量位置；坐标变换单元，被配置用于将图像上的测量位置的坐标变换为保持单元上的对应位置的坐标；以及位置控制单元，被配置用于将照射单元和声学波检测单元中的至少一个移动到保持单元上的对应位置。本发明的另一方面涉及声学波测量方法。所述方法包括使用照射单元用光来照射被检体；以及经由保持单元接收由于用光进行照射而从被检体产生的声学波。更具体地说，所述方法包括图像拾取步骤，获取被检体的图像；位置指定步骤，在通过图像拾取步骤获取的图像上指定测量位置；坐标变换步骤，将通过图像拾取步骤获取的图像上的测量位置的坐标变换为保持单元上的对应位置的坐标；以及位置控制步骤，将照射单元和声学波检测单元中的至少一个移动到保持单元上的对应位置。根据参照附图对示例性实施例进行的以下描述，本发明的进一步的特征对于本领域普通技术人员来说将是清晰的。
图IA是概要地示出根据第一实施例的声学波测量设备的示意图。图IB是声学波测量设备的示意图。图2A是当从照相机观察时的设备的示意图。图2B是当从照相机观察时的设备的示意图。图3是用于第一实施例中的测量的示例性过程的流程图。图4是示出测量位置的像素坐标和可移动保持板上的坐标之间的关系的图。图5是当从设备的顶部观察时的固定保持板、可移动保持板和照相机的示意图。图6是概要地示出根据第二实施例的声学波测量设备的示意图。图7是用于第二实施例中的测量的示例性过程的流程图。图8是当从设备的顶部观察时的固定保持板、可移动保持板和照相机的示意图。
具体实施例方式在本发明中，声学波包括声波、超声波和光声波，并且指的是当用诸如近红外光的光(电磁波)照射被检体时产生的弹性波。第一实施例根据本发明第一实施例的声学波测量设备包括用于保持待检查的被检体(例如， 诸如胸部之类的人体组织)的保持设备和作为用于获取被检体的图像的图像拾取单元的照相机。在由照相机获取的图像上指定测量位置，并且，将照射单元和声学波检测单元中的至少一个移动到被检体上的对应位置。设备配置图IA和IB是概要地示出根据本发明第一实施例的声学波测量设备的侧视图。图 IA是示出这样的状态的示意图在该状态中，照射单元101位于由照相机103成像的区域 (在下文中，由照相机103成像的区域被称为图像拾取区域)之外。图IB是示出这样的状态的示意图在该状态中，照射单元101被移动到照相机103的图像拾取区域并用光照射测量位置。根据本发明实施例的声学波测量设备从光源(未示出)产生光(脉冲光)并使用照射单元101来照射被检体111。本实施例通过使用由可以阻挡照射光的材料制成的诸如外壳或外盖的壳体100来防止照射被检体111的光泄露到外面。被检体111中的光吸收物质(诸如肿瘤之类的待检查的被检体)吸收光能并产生声学波。所产生的声学波在被检体 111中传播并横穿固定保持板105到达声学波探测器102。声学波探测器102也可以被称为声学波检测单元，并且，固定保持板105可以被称为保持单元的固定部。声学波探测器102 接收声学波并将所述声学波转换为电信号，并且将所述电信号输出到光声波处理单元110， 光声波处理单元110也被称为信号处理单元。光声波处理单元110使用输入信号来产生光声图像数据(重新配置图像)。作为图像拾取单元的例子的照相机103经由可移动保持板104获取被检体111的图像，以获得图像信息。可移动保持板104可以被称为保持单元的可移动部。测量位置指定单元107使得观测者能够基于由照相机103获得的图像信息来指定测量位置。由观测者指定的测量位置作为像素坐标被输出到坐标变换单元108。坐标变换单元108可以被实现为自包含的中央处理单元(CPU)或者计算机实现的程序。坐标变换单元108将从测量位置指定单元107接收的像素坐标变换为可移动保持板104上的坐标 (保持板上坐标)。此时，使用通过距离测量单元106测量的固定保持板105和可移动保持板104之间的距离，执行坐标变换。变换的坐标被输出到位置控制单元109。位置控制单元 109可以是能够基于变换的坐标产生控制信号的计算机实现的程序或者硬件电子电路。具体地说，位置控制单元109控制作为移动单元的探测器驱动机构113和照射单元驱动机构 112中的至少一个，以分别移动声学波探测器102和照射单元101中的至少一个。本发明中未示出的光源可包括能够产生具有生物窗中的波长的脉冲光的至少一个相干或非相干脉冲光源。为了产生光声效应，具有几百纳秒或更小的脉冲宽度(FWHM)的脉冲光是优选的，更优选的是具有从5纳秒至50纳秒的脉冲宽度的脉冲光。在测量可疑的肿瘤组织(例如乳癌等)的情况下，光源优选地产生具有被构成活体的组分中的特定组分 (例如血色素)吸收的特定波长的光。优选的光源可以是产生具有大输出的短脉冲光的激光器；但是，作为激光器的替代，也可以使用发光二极管。激光器的例子包括固态激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器，这些激光器中的每一个可以是调制连续波(CW)激光器或者脉冲(例如锁模(mode locked))激光器。照射单元101使用适合于测量来自光源的光的方法来照射被检体111。虽然在本实施例中，照射单元101从与声学波探测器102相对的侧照射被检体111，但是本发明不限于此。例如，可以从与声学波探测器102相同的侧或者从被检体111的两侧照射被检体111。 由于声学波的声压与光的强度成比例，所以不仅可以从被检体111的一侧照射被检体111， 而且可以从被检体111的多侧照射被检体111，以致可以提高信号的信噪比(S/N)。照射单元101的具体例子包括诸如用于收集、放大或改变光的形状的反射镜或者透镜，用于分散、 折射和反射光的棱镜，一根或更多根光纤之类的光学部件，或者可以将来自光源的光有效地传送到被检体111的前述光学部件的组合。假如这样的光学部件可以按照期望方法(照射方向、形状等)用从光源发射的光照射被检体111，则它们还可以是上述部件之外的任何部件。此外，被检体111上的照射区域可以是在被检体111上能够移动的，从而可以获得更宽的照射区域。另外，如图IA和IB所示，照射单元101自身可以相对于被检体111移动。
6此外，被光照射的被检体111的区域可以与声学波探测器102同步地移动。在光源小的情况下，光源自身可被用作照射单元101，并且，光源自身可以机械地移动。作为声学波检测单元的声学波探测器102将声学波转换为电信号。声学波探测器 102可以是能够检测声学波并将所述声学波转换为电信号的任何转换元件。为此，例如，可以使用利用压电现象的转换元件、利用光的共振的转换元件、以及利用电容变化的转换元件。此外，可以使用由多个转换元件构成的元件阵列，从而可以跨宽的区域地接收声学波。 声学波由声学波探测器102接收，并且，与声学波成比例的电信号被输入到光声波处理单元110。虽然在图IA和图IB中的声学波探测器102被设置在固定保持板105上，但是，声学波探测器102也可以被设置在可移动保持板104上。可以是信号处理部的光声波处理单元110可以是能够将电信号数字化并产生与由光声波探测器102接收的声学波相对应的图像数据的计算机实现的程序或者电子电路。光声波处理单元110使用通常用于层析成像技术的时域或傅立叶域中的反投影(back projection)来产生声学图像数据(重新配置图像)。本发明中的声学图像数据是用于指示关于被检体111的内部的信息的数据，而不管是二维数据还是三维数据(诸如活体内部的初始声压分布和光吸收系数分布之类的生物信息)。二维光声图像数据由多个像素数据项构成，而三维光声图像数据由多个体素(voxel)数据项构成。固定保持板105和可移动保持板104是用于保持被检体111并使被检体111的至少一部分的形状保住不变的保持单元。如图IA和图IB所示，从相对侧保持被检体111允许被检体111在测量期间在位置上是固定的。有利地，在测量期间使被检体111保持固定可以减少由于身体运动等所引起的位置误差。按压被检体111允许光有效地到达被检体111 的深度。其上设置有照射单元101的保持单元(图IA和图IB中的可移动保持板104)可以是具有高的透光率的构件。其上设置有声学波探测器102的保持单元(图IA和图IB中的固定保持板10 可以是具有与被检体111和声学波探测器102声学匹配的性质(具有相似的声学阻抗)的构件。为了增强声学匹配性质，诸如凝胶的声学匹配材料可被夹在保持单元和被检体111之间以及夹在保持单元和声学波探测器102之间。保持单元不限于具有上述配置。例如，作为具有固定部和可移动部的替代，这两个保持板可以是可移动的。另外，作为被检体111从两侧被保持板保持的配置的替代，可以设置用碗状构件从下面保持被检体111的配置。壳体100具有通过封闭照射单元101、声学波探测器102等的周边来防止照射被检体111的光泄漏到外部的功能。这防止观测者被光照射。本实施例的壳体100还具有保护被检查的人免受照射光的照射的功能。作为图像拾取单元的照相机103被设置在壳体100中，并且获取关于被检体111 的图像信息。照相机103的例子包括基于电荷耦合器件(CCD)传感器的照相机和基于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的照相机。本实施例的照相机103被固定到壳体100。当照相机103要获取被检体111的图像时，照射单元101可以被移动到图像拾取区域之外，以便不与被检体111重叠。虽然图IA和图IB中的照相机103被示为在可移动保持板104附近，但是照相机103可被设置在固定保持板105附近。作为移动单元的照射单元驱动机构112可以将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域中的任何位置或者该图像拾取区域之外的任何位置。
图2A和2B是当从照相机103侧观察时的设备的示意图。图2A是示出这样的状态的示意图在该状态中，照射单元101被移动到照相机103的图像拾取区域之外。图 2B是示出这样的状态的示意图在该状态中，照射单元101被移动到照相机103的图像拾取区域中。照射单元驱动机构112具有用于在水平方向和垂直方向上独立地驱动照射单元101的机构。驱动机构的例子包括马达和齿条-齿轮(rack-and-pinion)、马达和皮带 (belt)、以及线性马达(linear motor)。照射单元驱动机构112具有原点传感器(origin sensor) 201。原点传感器201的位置被设计为使得由原点传感器201限定的照射单元101 的位置在照相机103的图像拾取区域之外。原点传感器201的例子包括接触传感器、光学传感器和绝对编码器的原点标志器(originmarker)。照射单元驱动机构112由位置控制单元109控制。为了将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域之外，用于使照射单元101移动到原点位置的指令从位置控制单元109被发送到照射单元驱动机构112。因此，图IA中的状态是通过将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域之外来实现的，如图2A所示。为了将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域中，用于使照射单元101移动到图像拾取区域中的位置的指令从位置控制单元109被发送到照射单元驱动机构112。因此，图IB中的状态是通过将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域中来实现的，如图2B所示。作为移动单元的探测器驱动机构113应该将声学波探测器102移动到与照射单元 101相对的位置，其中在照射单元101与该位置之间夹有被检体111。探测器驱动机构113 由位置控制单元109控制。在照相机103被设置在声学波探测器102附近的情况下，在图像获取期间，应该如上面描述的那样移动照射单元101，以防止被检体111与声学波探测器 102重叠。距离测量单元106测量固定保持板105和可移动保持板104之间的距离。这里的距离是沿照相机103的光轴的距离。距离测量单元106的一端被固定到固定保持板105，而另一端被固定到可移动保持板104。根据各被检体111的特性(尺寸等)而不同的距离被输出到坐标变换单元108。测量位置指定单元107是由观测者用来在由照相机103获取的图像上指定测量位置的，例如鼠标、键盘或者触摸面板。使用来自照相机103的图像信息，在诸如监视器的显示器上显示图像。观测者用鼠标在显示的图像上指定测量位置，或者用手指在具有接触位置检测传感器的屏幕上指定测量位置。可以通过使用键盘等在图像上输入测量位置的坐标来指定测量位置。指定的测量位置作为图像上的像素坐标被输出到坐标变换单元108。坐标变换单元108将从测量位置指定单元107输出的像素坐标变换为可移动保持单元上(在本实施例中为可移动保持板104上)的与所述像素坐标相对应的位置的坐标。 此时，使用通过距离测量单元106测量的固定保持板105和可移动保持板104之间的距离来进行所述变换。变换了的坐标被输出到位置控制单元109。位置控制单元109控制探测器驱动机构113和照射单元驱动机构112，以移动声学波探测器102和照射单元101中的至少一个。例如，可以将照射单元101移动到从坐标变换单元108输出的坐标位置或者移动到由原点传感器201限定的原点位置。测量流程在图3中示出本实施例的测量流程。将参照图IA和图IB以及图3来详细地描述测量流程的各个步骤。使用这样的配置例子来进行下面的描述在该配置例子中，设置由固定保持单元和可移动保持单元构成的保持单元，在固定保持单元侧设置声学波探测器102， 并且，与可移动保持单元更接近地设置照射单元101，如图IA和图IB所示。然而，本发明不限于上述的这种配置。首先，在步骤301(在附图中被简写为S301)开始测量过程，将被检体111放置在固定保持板105和可移动保持板104之间，并且，在步骤302，观测者移动可移动保持板104 以将被检体111保持在期望的位置。此时，可以对被检体111进行按压以使其保持尽可能地薄，以便使获得的接收信号的S/N比和测量的深度最优化。在完成所述保持(即，一旦被检体111被放置并保持在期望的位置)之后，通过距离测量单元106来测量固定保持板105 和可移动保持板104之间的距离。在步骤303中，照射单元101被移动到原点位置。照射单元驱动机构112由位置控制单元109驱动，并且，照射单元101被移动到由原点传感器201指定的原点位置。在步骤304(图像拾取步骤)中，通过照相机103来获取被检体111的图像。由于在步骤303中已经将照射单元101移动到照相机103的图像拾取区域之外的原点位置，所以可以获取包括测量位置的整个被检体111的图像。在步骤305中，基于在步骤304中获得的关于被检体111的图像信息，观测者使用像素坐标在图像上指定测量位置，从而，可以获得测量位置的像素坐标(测量位置像素坐标)°将参照图4和图5来描述步骤306 (坐标变换步骤)中的处理。图4是示出图像上的像素坐标和可移动保持板的104上的坐标的图。坐标变换单元108将在步骤305中由观测者指定的测量位置的像素坐标(Xm，Ym)变换为可移动保持板104上的测量位置坐标(xm， ym)(可移动保持板上测量位置坐标)。例如用以毫米或微米为单位的值来表示可移动保持板上测量位置坐标。接下来，将描述变换方程式。图5是当从设备的顶部观察时的固定保持板105、可移动保持板104和照相机103的示意图。可移动保持板104可以采用任何距离L。附图标记501和502分别表示当L = L1和L = L2时的可移动保持板104的位置。在距离L处的照相机103的图像拾取宽度由W(L)表示。如图5所示，图像拾取宽度W根据可移动保持板 104的位置而变化。当L = L1时的可移动保持板104和照相机103之间的距离由Dis表示。 根据图5中的以视角为顶点的等腰三角形的关系，Dis可以被表示为下面的式(1)。式(1)
权利要求
1.一种声学波测量设备，包括 保持单元，被配置用于保持被检体； 照射单元，被配置用于用光照射被检体；声学波检测单元，被配置用于经由所述保持单元来接收由于用光进行照射而在被检体中产生的声学波；图像拾取单元，被配置用于获取被检体的图像；位置指定单元，被配置用于在由所述图像拾取单元获取的图像上指定测量位置； 坐标变换单元，被配置用于将所述图像上的测量位置的坐标变换为所述保持单元上的对应位置的坐标；以及位置控制单元，被配置用于将所述照射单元和所述声学波检测单元中的至少一个移动到所述保持单元上的对应位置。
2.根据权利要求1所述的声学波测量设备，其中，所述坐标变换单元使用从所述保持单元和所述图像拾取单元之间的距离所确定的变换系数来将所述图像上的测量位置的坐标变换为所述保持单元上的对应位置的坐标。
3.根据权利要求2所述的声学波测量设备，其中所述保持单元包括被配置用于从相对侧保持被检体的固定保持部和可移动保持部； 所述坐标变换单元使用从所述可移动保持部和所述图像拾取单元之间的距离所确定的变换系数来将所述图像上的测量位置的坐标变换为所述可移动保持部上的对应位置的坐标。
4.根据权利要求3所述的声学波测量设备，还包括距离测量单元，被配置用于测量所述可移动保持部和所述图像拾取单元之间的距离。
5.根据权利要求3所述的声学波测量设备，还包括距离固定单元，被配置用于使所述可移动保持部和所述图像拾取单元之间的距离保持恒定。
6.一种声学波测量方法，其中，通过声学波检测单元、经由保持单元接收在由照射单元用光进行照射时在被检体中产生的声学波，所述声学波测量方法包括图像拾取步骤，获取被检体的图像；坐标变换步骤，将在所述图像拾取步骤中获取的图像上的由观测者指定的测量位置的坐标变换为所述保持单元上的对应位置的坐标；以及位置控制步骤，将所述照射单元和所述声学波检测单元中的至少一个移动到所述保持单元上的对应位置。
7.根据权利要求6所述的声学波测量方法，其中，在所述坐标变换步骤中，使用从所述保持单元和所述图像拾取单元之间的距离所确定的变换系数来将所述图像上的测量位置的坐标变换为所述保持单元上的对应位置的坐标。
8.根据权利要求7所述的声学波测量方法，其中所述保持单元包括被配置用于从相对侧保持被检体的固定保持部和可移动保持部；以及在所述坐标变换步骤中，使用从所述可移动保持部和所述图像拾取单元之间的距离所确定的变换系数来将所述图像上的测量位置的坐标变换为所述可移动保持部上的对应位置的坐标。
9.根据权利要求8所述的声学波测量方法，还包括距离测量步骤，测量所述可移动保持部和所述图像拾取单元之间的距离。
10.一种声学波测量方法，其中，通过声学波检测单元、经由保持单元接收在由照射单元用光进行照射时在被检体中产生的声学波，所述声学波测量方法包括图像拾取步骤，获取被检体的图像；位置指定步骤，在所述图像拾取步骤中获取的图像上指定测量位置； 坐标变换步骤，将在所述图像拾取步骤中获取的图像上的测量位置的坐标变换为所述保持单元上的对应位置的坐标；以及位置控制步骤，将所述照射单元和所述声学波检测单元中的至少一个移动到所述保持单元上的对应位置。
全文摘要
本发明涉及声学波测量设备和方法。所述声学波测量设备包括被配置用于保持被检体的保持单元和被配置用于用光照射被检体的照射单元。声学波检测单元检测由于用光进行照射而在被检体中产生的声学波；图像拾取单元获取被检体的图像；并且，在由图像拾取单元获取的图像上的测量位置被指定。坐标变换单元将图像上的测量位置的坐标变换为保持单元上的对应位置的坐标；并且，位置控制单元将照射单元和声学波检测单元中的至少一个移动到保持单元上的对应位置。
文档编号A61B8/00GK102258387SQ201110104689
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者七海隆一 申请人:佳能株式会社