声波获取设备的制作方法

技术领域

本发明涉及声波获取设备。

背景技术：

作为使用声波(典型地，超声波)对被检体的内部进行成像的技术，提出了一种光声成像方法。光声成像方法是用于通过使用声波来使与被检体内部的光学特征值有关的信息可视化的方法，该声波是通过用脉冲激光照射被检体而生成的。

PTL 1描述了用于通过使用在半球形表面上布置的多个变换器(transducer)来从被检体(乳房)接收声波并生成(重构)三维图像数据的方法。图10是示出在PTL 1中描述的检测器的外观的示意图。图10示出用光照射被检体的状态。在该装置上，被检体人将其乳房插入到布置有变换器的半球形检测器中，并且被检体人将其胃部朝下趴下。插入的乳房和变换器之间的间隙被水填充，以执行声音匹配。当执行测量时，布置有变换器的检测器逐步地旋转，并且，变换器在每一个位置处接收声波。旋转轴是通过半球体的顶部和半球体的中心的轴。检测器以这样的方式旋转，使得即使当使用少量的变换器时也可以执行测量，好像变换器存在于很多方向上。乳房被插入到位于检测器的半球体的中心附近，并且，在检测器的旋转轴上从半球体的顶部照射脉冲光。

【引文列表】

【专利文献】

【PTL 1】美国专利No.5713356

技术实现要素：

从被检体生成的声波与在生成声波的位置处的光强度成比例。因此，当通过使用光声成像方法生成图像数据时，期望用具有均匀强度的光照射被检体。如果照射的光的强度不均匀，那么生成的声波的强度也变得不均匀，从而与被检体中的对象(光吸收体)的对比度分布无关地生成重构图像的对比度分布。

当通过使用图10中示出的装置来执行测量时，被检体人将其胃部朝下趴下，并且将其乳房插入到在其上部具有开口的检测器的内部。从旋转轴方向照射脉冲光，使得在乳头附近照射强烈的光，并且由于衰减而导致在胸壁附近照射的光的强度变弱。因此，来自乳头部分的声波强，并且图像的对比度高。另一方面，来自胸壁部分的声波弱，并且，图像的对比度低。如上所述，在PTL 1的装置中，仅仅从旋转轴方向照射光，使得光照射位置不会改变。因此，在被检体中出现光照射强度的不均匀。

鉴于上述问题，本发明提供减少旋转型检测器中的光照射强度的不均匀性的声波获取设备。

本发明的声波获取设备包括产生光的光源和接收在用光照射被检体时从被检体的内部生成的声波的包括多个元件的检测器。声波获取设备还包括使检测器旋转的旋转驱动单元和用来自光源的光照射被检体的多个光照射部分。至少在检测器的除旋转轴以外的位置处设置多个光照射部分。

根据本发明，可以通过至少从除了旋转轴方向以外的方向用光照射被检体来减少入射在被检体上的光的强度的不均匀性。

附图说明

【图1A】图1A是用于解释根据本发明的第一实施例的声波获取设备的示意图。

【图1B】图1B是用于解释根据本发明的第一实施例的声波获取设备的示意图。

【图2】图2是用于解释根据本发明的第一实施例的装置的框图。

【图3A】图3A是用于解释根据本发明的第二实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图3B】图3B是用于解释根据本发明的第二实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图4A】图4A是用于解释根据本发明的第四实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图4B】图4B是用于解释根据本发明的第四实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图5】图5是用于解释根据本发明的第五实施例的声波获取设备的示意图。

【图6A】图6A是用于解释根据本发明的第六实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图6B】图6B是用于解释根据本发明的第六实施例的变换器和光照射位置的示意图。

【图7A】图7A是用于解释根据本发明的第七实施例的声波获取设备的示意图。

【图7B】图7B是用于解释根据本发明的第七实施例的声波获取设备的示意图。

【图8A】图8A是用于解释根据本发明的第八实施例的声波获取设备的示意图。

【图8B】图8B是用于解释根据本发明的第八实施例的声波获取设备的示意图。

【图9A】图9A是示出由传统例子形成的光强度分布的示意图。

【图9B】图9B是示出由本发明的第一实施例形成的光强度分布的示意图。

【图9C】图9C是示出由本发明的第二实施例形成的光强度分布的示意图。

【图9D】图9D是示出由本发明的第三实施例形成的光强度分布的示意图。

【图10】图10是用于解释传统例子的光照射方法的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明。

将参照图1和2描述可以应用本发明的声波获取设备的基本实施例。图1A和1B是示出可以应用本发明的声波获取设备的配置的示意图。图1A是示出在检测器5的周围的结构和被检体6的布置的截面图。图1B是示出变换器7和光照射部分4的顶视图。图2是示出可以应用本发明的声波获取设备的配置的框图。

本发明的声波获取设备包括多个变换器7、产生脉冲光的光源1和多个光照射部分4，该多个光照射部分用由光源1产生的脉冲光照射被检体6。多个变换器7被布置在具有半球形状的检测器5上，使得变换器7包围被检体6。作为旋转驱动单元的马达12使检测器5绕着预先确定的旋转轴旋转。由光源1产生的光通过波导单元3被发送到光照射部分4。

变换器7是用于接收声波并将声波转换为电信号的元件。变换器7被布置在检测器5上，如图1B中的黑圆圈所示。在图1B中用白圆圈指示用脉冲光照射被检体6的光照射部分4的位置。当光照射部分4用光照射被检体6时，诸如血红蛋白的对象(光吸收体)吸收光并生成具有与被吸收的光的强度相对应的强度的声波。生成的声波由固定到检测器5的变换器7接收并被转换为电信号。

检测器5旋转以旋转地移动变换器7和光照射部分4。在变换器7和光照射部分4被移动到的位置处，从光照射部分4照射光，并且，变换器7接收生成的声波并输出电信号。以这样的方式重复地执行移动和光照射，并且，测量来自被检体6的声波。从变换器7输出的电信号由信号处理单元9数字化，并且然后针对声波被接收的每一个接收位置被分开地记录。图像重构单元10通过使用每一个接收位置的电信号来重构图像并生成图像数据。生成的图像数据被输入到显示单元11并作为图像被显示。

上述装置包括被固定到除检测器5的旋转轴以外的位置的多个光照射部分4，并且，光照射部分4与变换器7一起旋转，从而可以从在被检体附近的多个位置照射光。因此，可以减少光照射强度的不均匀性(变化)。

在下文中，将详细地描述每一个部件。

【光源】

光源1是用于照射具有被被检体(例如，有机体)中包含的具体成分(例如，血红蛋白)吸收的具体波长的光的单元。光源1包括能够产生5纳秒至50纳秒的脉冲光的至少一个脉冲光源。虽然光源1被期望是具有大的输出功率的激光器，但是，可以使用发光二极管等来代替激光器。作为激光器，可以使用各种激光器，例如，固态激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器。在本发明中，光是指包括可见光和红外光的电磁波。具体地说，使用具有从500nm到1300nm的范围的波长的光。取决于要测量的成分，可以使用具有上述范围中的具体波长的光。照射的定时、波长、强度等由在图中未示出的光源控制单元控制。

【光照射部分】

光照射部分4将来自光源1的光照射到被检体6。在本发明中，在检测器的除旋转轴以外的位置处设置光照射部分。在检测器的除旋转轴以外的位置处设置的光照射部分可以通过检测器的旋转相对于被检体从另一个位置照射光，从而光照射部分可以从多个位置照射光。光照射部分可以设置在旋转轴上。光照射部分4的例子包括透镜和扩散板。当光纤用作波导单元3时，光照射部分4可以是光纤的前端部分。

当在被检体6中存在具有均匀的吸收系数的光吸收体时，期望来自被检体6中的光吸收体的声波的强度是均匀的，而不管被检体6中的位置如何。当光照射区域大时，被检体6中的光强度分布是平滑的，从而声波的强度分布也是平滑的。因此，当用光照射被检体时，期望光被变宽并且用光照射被检体6的大区域。因此，期望扩散板和平凹透镜被布置在光照射部分4中并且照射区域变宽。

【波导单元】

波导单元3将来自光源1的光发送到光照射部分4。波导单元3的例子包括诸如光纤的光学构件，诸如积分球的扩散器，反射光的反射镜，收集光、放大光或使光变形的透镜，以及扩散/折射/反射光的棱镜。作为波导单元3，可以使用这些光学构件之一，或者，可以使用这些光学构件的组合。光入射部分2是来自光源的光从其进入波导单元3的部分。当光纤用作波导单元3时，光入射部分2可以是光纤的(与光照射部分4相反的)末端部分。作为光入射部分2，可以使用光学构件，例如，透镜、反射镜和棱镜。

【变换器】

变换器7是用于接收声波并将声波转换为电信号的元件。变换器7以接收表面面对被检体6的方式被设置在检测器5上。期望变换器7被布置为使得变换器7在检测器5旋转时从宽区域中的多个位置接收声波。例如，变换器7的元件以螺旋的形状布置，如图1B所示，使得变换器7可以接收宽区域的声波。作为变换器7，可以使用接收声波并将声波转换为电信号的任何元件，例如，使用压电现象的像PZT的转换元件，使用光学共振的转换元件，以及使用电容变化的像CMUT的转换元件。

【检测器】

检测器5具有被检体被插入其中的容器形状。变换器7被布置在检测器5上。在图1A中，变换器7和光照射部分4以螺旋形状被布置，使得变换器7和光照射部分4包围被检体6。作为旋转驱动单元的马达12使检测器5绕着预先确定的旋转轴旋转。在图1A中，旋转轴是通过半球体的顶部和半球体的中心的线。虽然在图1中检测器5是其面向被检体的内壁具有半球形状的容器，但是内壁可以具有半椭圆形状、长方体形状或者圆柱形状。当在检测器5中执行测量时，变换器7和被检体6之间的间隙被声音匹配材料填充，以执行声音匹配。声音匹配材料的例子包括水和蓖麻油。

检测器5可以逐步地旋转，即，检测器5每次可旋转具体的角度。或者，检测器5可以连续地旋转。控制单元8执行与旋转有关的控制，例如，旋转角、转数以及用于在测量之后返回到初始位置的移动。旋转角和转数可以由操作者从图中未示出的输入单元输入。控制单元8将检测器5的旋转角和转数输出到信号处理单元9。

【信号处理单元】

信号处理单元9对从变换器7输出的电信号进行放大并执行A/D转换。然后，信号处理单元9将电信号与接收声波的位置相关联地进行记录。在测量期间检测器5旋转的同时，信号处理单元9记录电信号。在检测器5停止旋转之后，检测器5将电信号输出到图像重构单元10。

【图像重构单元】

图像重构单元10基于从信号处理单元9输出的信号对图像进行重构，并且生成图像数据。获得的图像数据指示与被检体6中的光学特征值有关的信息分布。具体地说，图像数据指示声波的产生源分布、被检体中的初始声压分布、从初始声压分布得到的光能量吸收密度分布，吸收系数分布和组织中包含的材料的密度分布。材料的密度分布是，例如，氧饱和度分布和氧化/还原血红蛋白密度分布。

作为用于生成图像数据的图像重构算法，例如，可以使用通常在层析技术中使用的时间域或傅里叶域中的背投影。如果可以使用长时间来重构图像，那么也可以使用图像重构方法，例如，通过迭代处理的逆问题分析方法(迭代方法)。PAT图像重构方法的典型例子包括傅里叶变换方法、通用背投影方法和滤波背投影方法。

【显示单元】

显示单元11将从图像重构单元10输出的图像数据显示为图像。显示的图像可以MIP(最大强度投影)图像和片段图像。但是，可以使用其它的显示方法。可以从多个方向显示3D图像并在检查显示的同时改变显示图像的倾斜度和显示区域、窗口水平和窗口宽度。

接下来，将描述本发明的实施例。

【第一实施例】

在本实施例中，将描述使用图1中示出的声波获取设备的例子。在本实施例的声波获取设备中，光照射部分4用来自光源的光通过波导部件3照射被检体6。具有0.1mm到1mm的直径的多根光纤被捆绑在一起并用作波导单元3。在本实施例中，凹透镜和凸透镜用作光入射部分2。来自光源的光通过凹透镜变宽并通过凸透镜形成为平行光，并且，将光置于作为波导单元3的光纤中。

变换器7从具有半球形表面的检测器5的半球体的顶部开始以螺旋形状布置。检测器5的直径必须大于被检体，从而该直径可以大于或等于200mm且小于或等于350mm。光照射部分4以通过将由变换器7形成的螺旋形状绕着旋转轴旋转180度来形成的螺旋形状布置。如图1B所示，光照射部分4以螺旋形状安装，使得当光照射部分4旋转360度时，光可以从几乎所有的方向照射到插入的被检体6。虽然在图1A和1B中30个变换器7以阵列形状布置，并且30个光照射部分4也以相同的方式布置，但是本发明并不限于此。

当通过光声成像方法对图像进行重构时，期望从多个方向接收来自被检体6的声波。本实施例的检测器5按照16步绕着旋转轴逐步地旋转360度。检测器5旋转360度，从而需要防止变换器7和光纤缠绕。因此，如图1A所示，可以利用这样的结构：其中，变换器7和光纤的线缆在旋转轴上保持在一起。

如本实施例中一样，光照射部分4被宽泛地布置在检测器5上，从而光可以被照射到被检体6的侧表面。图9A、9B、9C和9D是示出从上方观看的光强度分布的示意图。图9B示出由本实施例形成的光强度分布。图9A是当光仅仅从旋转轴方向照射(传统例子)时的光强度分布。发现与图9A相比在图9B中光被照射到检测器上的大的区域，从而，大量光被照射在乳房的胸壁附近(检测器的边缘区域，即，在开口部分附近)。在本实施例的配置中，与光从一个方向照射的情况相比，大量光被照射在胸壁附近，从而减少了照射到被检体6的光的强度的不均匀性。此外，减少了获得的图像数据的对比度的不均匀性。

【第二实施例】

本实施例的声波获取设备的特征在于，多个光照射部分4围绕检测器5的旋转轴旋转对称地布置。

在第一实施例中，当检测器5旋转时，光照射部分4保持与变换器7的位置的相同的位置关系。但是，光照射部分4和被检体6之间的位置关系通过旋转改变。由此，对于每一个旋转位置，被照射到被检体6的光的分布改变。在本实施例中，光照射部分4围绕旋转轴旋转对称地布置，使得光照射位置不会被检测器5的旋转改变。旋转步骤的单位角度是光照射部分的布置角的整数倍。除了光照射部分4的布置位置以外，本实施例与第一实施例相同，从而下面将主要描述与第一实施例的不同之处。

图3A和3B示出检测器5上的光照射部分4的位置和变换器7的位置。在本实施例中，光照射部分围绕旋转轴旋转对称地布置，如图3B所示。在图3A和3B中，30个变换器布置在检测器5上。在离检测器5的开口50mm的深度处，16个光照射部分绕着旋转轴以22.5度的单位角度布置。

期望来自光照射部分4的光是三维旋转对称的，使得光被照射到旋转轴上的位置。光照射部分4的布置具有16个轴对称性。旋转步骤的数量被设置为16/n(n是整数)，从而光照射部分4和被检体6之间的位置关系在检测器5的旋转之前和之后不会改变。

图9C示出由本实施例获得的光强度分布。如图9C所示，在本实施例中，即使当旋转检测器6时，光强度分布的变化也小，从而减少了由于旋转而引起的测量结果之间的光强度的不均匀性。

虽然在本实施例中光照射部分4仅仅以一个高度(在旋转轴方向上的具体位置处)旋转对称地布置，但是光照射部分4可以布置在多个高度处(在旋转轴方向上的多个位置处)。在每一个高度处，其数量是步骤的整数倍(步骤数量×n)的光照射部分以规则的间隔布置。此时，取决于高度，对称性的轴数可以不同。

【第三实施例】

本实施例的特征在于，光照射部分4布置在检测器的开口附近。图4A和4B示出本实施例中的光照射部分4的位置和变换器7的位置。在图4中，设置光照射部分4，该光照射部分4没有布置在检测器5上，而是布置在检测器的表面之外，并且不会随着检测器5的旋转而移动。检测器5具有半球形状，并且，被检体6(例如，乳房)从开口被插入到检测器5中。也就是说，被检体6的胸壁位于比开口的高度高的位置处。期望光照射位置的一部分位于半球体的开口之外和附近，以便减少光的衰减并用光照射整个被检体6。

在本实施例中，光照射部分4布置在检测器5上，同时，光照射部分4也布置在检测器5的开口上方。在图4中，设置在检测器5上的光照射部分4的位置与第一实施例中的相同。虽然在图4中开口附近的光照射部分4与检测器分开并被设置在开口上方，但是光照射部分4可以设置在检测器5上。但是，当检测器5的开口位于胸壁附近以照射胸壁时，检测器5可以与胸壁接触。因此，期望在开口附近的光照射部分4与检测器5分开地设置在开口上方，并且，光照射部分4具有不与检测器5一起旋转的结构。“在开口附近”是指在旋转轴方向上离开口位置或开口的±5cm的范围内的位置。此外，期望用于照射胸壁的多个光照射部分4被布置为围绕旋转轴包围被检体。

图9D示出由本实施例获得的光强度分布。与第一实施例(图9B)不同，在本实施例中，可以用光照射被检体6的胸壁部分(检测器的开口部分)。

【第四实施例】

在本实施例中，光照射部分4和波导单元3的配置与第一至第三实施例的不同。在第一至第三实施例中，光纤用作波导单元3，并且，通过旋转检测器5来执行测量。此时，因为作为光照射部分4的光纤的末端部分被固定到检测器5，所以光纤的末端部分移动。另一个末端部分(光入射部分2)与光源1接触并被固定。因此，光纤的形状通过旋转而改变。旋转角越大，在光纤上的负荷就越大。

在本实施例中，将描述这样的配置：其中，使用与光纤不同的波导单元3，并且，在波导单元3上的负荷小。在本实施例中，在检测器5和光源1之间形成经由其发送光的空间。除了光照射部分4和波导单元3的配置以外，本实施例与第一实施例相同，从而下面将主要描述与第一实施例的不同之处。

如图5所示，本实施例的波导单元3具有由半球体的内表面包围的结构。波导单元3中包含的半球形表面由扩散材料形成。从光源1照射的光被内壁的扩散材料扩散并在波导单元3内部扩展。光照射部分4是波导单元3中包含的、没有扩散材料的部分，使得光从波导单元3泄露。或者，光照射部分4可以由光从其通过的扩散材料形成。

波导单元3的宽度(径向方向上的宽度)需要根据半球形表面的弯曲被调整，使得光在波导单元3内部充分地扩散。此外，具有阵列形状的多个变换器7(包括布线部分)与波导单元3相交，使得期望波导单元3内部的变换器7的外壁被扩散材料覆盖。反射镜表面(反射表面)可以用作扩散材料的替代物。

通过使用诸如透镜、反射镜或棱镜的光学系统来使光透射通过空间，光被照射到波导单元3中。在本实施例中，光从旋转轴方向被照射到波导单元3。因此，在本实施例中，即使当检测器5旋转时，波导单元3的形状也不会改变。因此，可以形成这样的配置，其中，由于旋转移动而引起的在波导单元3上的负荷小。

【第五实施例】

在第四实施例中，波导单元3的配置被改变，以减少由检测器5和波导单元3的末端部分(光照射部分4)的旋转移动而导致的在包括光纤的波导单元3上的负荷。在本实施例中，将描述这样的配置，其中，波导单元3包括光纤，并且，为了减少光纤上的负荷，改变变换器7的布置，以减少检测器5的旋转角。

检测器5的旋转角由变换器7的布置确定。在光声成像中，期望从多个方向接收声波，从而在第一至第四实施例中检测器5绕着旋转轴旋转360度。这是因为在第一至第四实施例的检测器5上布置的变换器7中的仅一个变换器被设置在旋转轴方向上的每一个位置(每一个高度)处，并且，当检测器旋转360度时，到达该高度的声波可以从每一个方向被接收到。

在本实施例中，如图6所示，两个变换器7被设置在旋转轴方向上的预先确定的位置处，并且，这两个变换器7相互面对地布置，使得这两个变换器7相对于旋转轴之间的角度是180度。该布置允许将检测器5的旋转角减少到180度，这是第一至第四实施例中的一半。在图6中，变换器7的数量是28，14个变换器形成一个螺旋。光照射部分4具有通过将变换器7的布置旋转90度而获得的布置，并且从28个位置照射光。

在该测量中，检测器5通过8步旋转180度。通过本实施例的结构，减少了检测器5的旋转角，从而减少了在光纤上的负荷。在本实施例中，不仅旋转角被减少到一半，而且测量时间也被减少到一半。

虽然在本实施例中两个变换器7被布置在具体高度处，但是通过将更多的变换器布置在具体高度处，可以进一步减少旋转角。例如，当在具体高度处存在三个变换器7时，旋转角是120度。变换器7的具体高度可以具有某一范围，并且，可以通过将位于相似高度处的变换器7布置为相互面对来减少旋转角。

【第六实施例】

本实施例的特征在于，波导单元3与检测器5一起旋转，并且，在波导单元3和光入射部分2之间设置空间，以便减少由于检测器5的旋转引起的在包括光纤的波导单元3上的负荷。

图7A示出光源1、光入射部分2、波导单元3、检测器5和光照射部分5的配置。光从其进入的波导单元3的光纤的末端部分被集成为一个末端部分，并且与光入射部分2连接，该光入射部分2与旋转马达连接并与检测器5一起旋转。光入射部分2的被施加光的区段不与马达连接，从而该区段不会与检测器5一起旋转。因此，如图7B所示，光入射部分2的被施加光的区段不旋转，并且，光入射部分2的与波导单元3连接的区段旋转。光入射部分2与检测器5一起旋转，从而可以形成这样的配置，其中，由于旋转移动引起的在波导单元3上的负荷小。

【第七实施例】

本实施例具有这样的结构，其中，光入射部分2随着检测器5的旋转而移动，以减少由于检测器2的旋转而引起的在包括光纤的波导单元3上的负荷。

图8A和8B示出本实施例。在执行测量时，其中光纤被捆绑在一起的波导单元3通过马达与旋转轴一起旋转地移动。光入射部分也随着旋转一起旋转地移动。具体地说，如果光照射部分4和光入射部分2之间的位置关系如图9A所示，那么当光照射部分4和光入射部分2被旋转180度时，光入射位置也被旋转180度，如图9B所示。被棱镜反射和折射的来自光源的光进入光入射部分2。为了使来自光源的光进入与检测器5一起旋转地移动的光入射部分2，从光源起的光路需要根据光入射部分2的移动而改变。因此，反射来自光源的光的棱镜的角度与检测器5一起旋转。与控制和移动马达的控制单元8结合地控制棱镜的旋转。

虽然在本实施例中光入射部分2与检测器5一起旋转地移动，但是光入射部分2可以被移动到对光纤不施加负荷的程度。例如，光入射部分2可以随着检测器5的旋转而旋转180度，或者可以直线地移动。可以在多个位置处存在多个光入射部分2。改变光路的棱镜可以被反射镜替代，或者，棱镜不仅可以通过旋转来改变光路，而且可以移动以改变折射角和反射角。

如上所述，本实施例具有这样的结构，其中，光入射位置旋转与检测器5的旋转角相同的角度。因此，可以形成这样的配置，其中，即使当检测器5旋转时，波导单元3的形状也几乎不会改变，并且，由于旋转移动引起的在波导单元3上的负荷小。

虽然参考示例性实施例已经描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围应该被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改及等同结构和功能。

本申请要求2011年2月10日提交的日本专利申请No.2011-027320的优先权，因此，该日本专利申请全部以引用的方式并入本文。

【附图标记列表】

1 光源

2 光入射部分

3 波导单元

4 光照射部分

5 检测器

6 被检体

7 变换器