用于光声成像的紧凑激光器和有效脉冲递送的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光声(PA)探头并且更具体地涉及用于指引来自波长转换组件的输出的PA探头。
【背景技术】
[0002]前哨淋巴结活检是通过其对癌症进行分期以及判断癌症将经由淋巴系统转移的风险的手段。前哨淋巴结是从肿瘤接收淋巴排出物的第一结。如果癌症己经扩散到前哨淋巴结，则其可能己经扩散更远。放射示踪剂和/或非电离蓝色染料被应用于方便活检。借助于外科手术和临床医师到身体组织上的直视来在视觉上区分远离肿瘤的蓝色排出路径。
[0003]光声成像是将超声分辨率与光学对比度相组合的无创、非电离成像模态。光声成像依靠光声效应来生成能够由超声阵列换能器检测的压力波。典型地，短的激光脉冲照射组织从而导致光学吸收，随后快速加热和热弹性膨胀而产生压力波。由于光声图像能够在利用常规阵列换能器的超声检测之后被重建，所以光声图像可与超声成像高度兼容。相同的检测机制大大简化了光声图像与超声图像之间的空间配准。
[0004]尽管光声成像能够基于诸如来自血液中的血红蛋白的自然组织对比，但是对造影剂的利用能够解决用于医学光声成像的更宽范围的应用。例如，亚甲基蓝染料，在临床实践中被日常用于前哨淋巴结活检并且能够由合适光学波长的光声成像检测。
[0005]光声波的有效生成取决于满足针对热限制和应力限制的条件的快速能量沉积，在实践中，高能量输出的具有约1ns的脉冲持续时间的Q开关脉冲激光被用于照射用于光声成像的组织。
[0006]为了对高能量激光脉冲的递送，能够在关节臂内部定位一组镜。针对美容激光应用(即，纹身去除等)，并入了用于光学波长转换的染料浸渍的聚合物棒的关节臂是在商业上可获得的(http://www.conb1.com/cynosure/aesthetic-lasers-sub/revlite)(下文中称为“Cynosure激光器”)，但是该激光器不是针对成像而被设计的。
【发明内容】
[0007]本发明的各方面目的在于解决以上关于现有技术指出的不足中的一个或多个。
[0008]在医学光声成像中使用的造影剂通常对光学波长敏感。该属性在将造影剂信号与背景组织信号区分开时是有用的，但是该属性也要求用于成像的激光源与造影剂的光学吸收谱特性相匹配。通常，需要将光从标准激光输出波长(例如由激光增益介质限定的对于Nd:YAG为1064纳米(nm)，或者对于红宝石为约694nm等)转换到期望的波长。0P0(光学参量震荡器)系统和染料激光器正是用于进行此的两种解决方案。
[0009]在传统超声扫描器上执行光声成像的能力需要可与临床环境兼容的紧凑且坚固的激光源。当前用于光声成像的研究激光器太庞大、太重并且不够鲁棒以至于不能在实际的占用空间内被并入到商业级超声扫描器或成像工作站中。
[0010]超声成像是实时成像模态，并且现代扫描器能够从床边被移动到流程室并且在医院科室之间共享。具有光声设备的超声系统的发展需要能够容许合理程度的便携性而无需对光学部件的重新校准的适当的激光器。
[0011]当前可用的激光器提供对光学波长的有限选择，这限制了可以被光声成像的光学吸收体(即，成像造影剂)的范围。通常使用的激光器包括Nd:YAG(1064nm)、红宝石(694.3nm)以及翠绿宝石(755nm)激光器。谐波发生器能够被用于实现更短的波长，(例如，谐波发生器与Nd: YAG激光器一起能够达到532nm、355nm、266nm以及213nm)，以脉冲能量和脉冲到脉冲的稳定性为代价。功能光声成像，或者基于吸收的谱差异来区分光学吸收体的能力需要多个激光波长。
[0012]一般地，可调谐激光器是庞大的、复杂的、不可靠的(需要复杂的用户维护)并且昂贵的，这使其难以与传统超声换能器集成。
[0013]在光学波长之间进行切换对于谱光声成像或者区分光声吸收体将是特别有用的。然而，可用的高能量可调谐激光器通常需要数秒来在不同波长之间切换。据下文中提出的，切换能够实时地被进行，例如以10Hz被进行，因此利用实时成像来辅助进行中的活检流程。
[0014]光学参量震荡器(OPO)激光器能够被栗浦用于波长调谐但是其具有有限的输出功率。此外，射束形状并且特别是脉冲稳定性差。
[0015]染料激光器也能够被栗浦用于波长调谐，但是商业上可获得的系统的尺寸不适合于用于光声成像的紧凑激光递送。
[0016]以上提到的Cynosure美容激光器是染料激光器，但是其约为2赫兹(Hz)的脉冲重复频率(PRF)对于成像而言太低。典型地，对于成像，期望大于20Hz的PRF。此外，Cynosure美容激光器的染料浸渍的聚合物具有仅约10000次激光发射的相对短的生命周期。
[0017]额外地，高功率医学激光器利用关节臂作为将光递送到感兴趣点的器件。关节臂很好地适用于逐点治疗使用，但是对于通常需要高灵活性的成像目的是不足的。
[0018]简言之，当前可用的用于光声成像的商用激光器遭受以下问题中的一个或多个。第一，激光器尺寸太大。第二，由激光器供应的波长不适合于对期望的光学吸收体进行成像。例如，亚甲基蓝吸收峰是665nm，665nm是难以利用OPO激光器实现的波长。第三，激光器不够鲁棒(即，不够可靠)或者不能容易地被用于临床环境中。第四，包括栗浦激光器(例如，Q开关Nd: YAG)、可调谐激光器(例如，OPO或染料激光器)以及用于谱光声成像的关节臂的组合系统是复杂的，从而需要复杂的校准、高度熟练的用户、频繁的维护并且太庞大。
[0019]本文中提出的是用于光声成像的紧凑激光器和有效光递送系统。
[0020]在本发明的方面中，一种光声医学成像设备包括波长转换组件，所述波长转换组件被配置用于输出处于目标波长的激光脉冲。所述光声医学成像设备还包括光声探头，所述光声探头被配置用于声学耦合到患者、被配置用于指引所述脉冲并且被配置用于作为响应采集用于光声成像的射频数据。
[0021 ] 在子方面中，所述设备还包括光纤束。
[0022]在进一步的子方面中，所述束包括具有输入端的光纤。所述设备被配置用于利用均匀射束来进行照射从而符合纤维在该端处的接受角。
[0023]在相关的子方面中，所述设备包括光准直器以及用于接收来自所述准直器的所输出的激光脉冲的漫射器。
[0024]作为该子方面的进一步的子方面，所述漫射器被配置用于将脉冲光的焦点散布在光纤束的孔径上以根据所述束的不同组成光纤的各自的输入直径来分配由所述束的所述不同组成光纤接收到的所述脉冲光的能量。
[0025]在更进一步的子方面中，所述设备包括透镜，所述透镜被配置用于接收来自所述漫射器的脉冲光并且被配置用于创建所述焦点以特别地匹配接受角。
[0026]在不同的子方面中，所述设备被配置用于输出处于另一目标波长的其他激光脉冲。所述设备还被配置用于执行分别利用所述目标波长采集的图像帧与利用所述另一目标波长采集的图像帧之间的图像相减。
[0027]在进一步的子方面中，所述目标波长不超过690纳米并且不少于640纳米。所述另一目标波长对于区分内源性光声造影源是有效的。
[0028]子方面还有，所述探头包括光纤束的至少部分。
[0029]在进一步的子方面中，所述设备还包括能用于被耦合在所述束与所述组件之间的光学親合系统。
[0030]在更进一步的子方面中，所述束具有输入端，所述输入端具有光接口部分，并且所述系统被配置用于对光的均匀射束进行聚焦从而特别地跨过所述光接口部分并且从而符合接受角。
[0031]在一个其他子方面中，所述光纤束的至少部分是基于用于光声成像的射束的最佳尺寸而被配置的。入射到患者上的最佳射束尺寸是成像深度和对光声成像的路径中在该深度处的身体组织的各自的光学属性的估计两者的函数。
[0032]在额外的结构子方面中，所述探头特征在于具有横向方向的超声换能器。所述光纤束的所述部分被分叉成两个分支以递送来自所述换能器的相对端的所述脉冲。所述两个分支中的每个包括平行于所述横向方向延伸的子束。
[0033]作