光声装置和信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明的各方面一般涉及用于获得被检体内部的信息的光声装置、以及信号处理 方法，并且更特别地，涉及使用由被光辐射的被检体生成的光声波的技术。
【背景技术】
[0002] 近年来关于功能信息成像的研究已经在医疗领域中进行，其中功能信息是活体的 生理信息。功能信息成像的一种技术是光声成像（photoacousticimaging，PAI)。
[0003] 在光声成像中，被检体首先被从光源生成的脉冲光辐射。辐射光在被检体内传播 并且散射。在被检体内的多个位置，这种光的能量被吸收，而生成声学波（下文中称为"光 声波")。光声波被转换元件接收，并且接收信号被处理器分析和处理，由此产生与被检体内 的光学特性值有关的分布以作为图像数据。
[0004] 与光学特性值有关的分布是以由光学吸收生成的声压（初始声压分布）和光学吸 收系数分布等形式产生的。另外，使用不同波长的多个脉冲光并获得每个波长的光学吸收 系数的辐射使得能够获得被检体内的物质的浓度相关分布（关于物质浓度的值的分布）作 为与光学特性值有关的分布。
[0005] 对于浓度相关分布，存在氧合血红蛋白对血液中总血红蛋白的含有率的分布，即， 血氧饱和度分布。脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的光学吸收频谱不相同。因此，如在Hao F.Zhang等人的"Functionalphotoacousticmicroscopyforhigh-resolutionand noninvasiveinvivoimaging"NatureBiotechnology24,848_85l(2〇〇6 年 7 月）中所 公开的，氧饱和度的计算使用了这样的原理：各自的含有率可以通过比较在不同波长处测 出的频谱来获得。
[0006] 在通过光声成像执行检测时，如果被检体是有生命的身体，由于呼吸、脉搏、动作 等，会发生身体运动。当发生身体运动时，在不同波长处计算的初始声压分布之间或者在不 同波长处计算的吸收系数分布之间发生位置偏差。除被检体的身体运动之外，还可能由于 探头的移动而发生波长之间的位置偏差。被检体与探头之间的相对位置偏差是降低氧饱和 度分布的计算准确度的因素。
[0007] PCT日文翻译专利公开No. 2010-512929公开了基于通过发送超声波和接收反射 波获得的超声波图像来检测组织的运动，由此估计物体在光声图像之间的变形。
[0008] 在PCT日文翻译专利公开No. 2010-512929中公开的运动检测方法是基于超声波 图像执行的。通过超声波回声获得的超声波图像是反映声学阻抗差异的分布图像，其中声 波反射率大的结构被可视化。另一方面，在关于由光声图像指示的光学特性值的分布中，吸 收率高的结构被可视化。因此，在超声波图像与光声图像中，成像的对象不同，所以存在这 样的可能性：在光声图像间的位置偏差中反映基于超声波图像检测到的运动可能无法高准 确度地校正位置偏差。
【发明内容】
[0009] 光声装置包括：光源，被配置为生成具有相互不同的波长的多个光；转换元件，被 配置为接收通过用所述多个光辐射被检体而在被检体中生成的光声波；第一分布获得单 元，被配置为对于相互不同的波长中的每一个，使用针对相互不同的波长中的每一个而从 转换元件输出的时序接收信号，基于被检体内的光学吸收来获得特性分布；第二分布获得 单元，被配置为使用针对相互不同的波长中的每一个的、基于光学吸收的多个特性分布，获 得被检体的对象区域的物质的浓度相关分布；以及统计信息获得单元，被配置为获得指示 浓度相关分布中的至少一部分的分布变化的统计信息。第二分布获得单元基于统计信息获 得其中在相互不同的波长中的每一个处的目标区域与转换元件之间的位置偏差被抑制的 浓度相关分布。
[0010] 参考附图，阅读示例性实施例的以下描述，本公开的其他特征将变得清楚。
【附图说明】
[0011] 图1是例示了根据示例性实施例的光声装置的配置的示意图。
[0012] 图2是例示了根据示例性实施例的信号处理单元的操作的流程图。
[0013] 图3是例示了根据示例性实施例的显示图像的示例的示意图。
[0014] 图4是用于描述获得分散的方式的示意图。
[0015] 图5是用于描述信号处理单元的配置例的示意图。
[0016] 图6是用于描述决定坐标偏移和位置偏差的方法的示意图。
[0017] 图7是例示了 756nm吸收系数分布内的峰与797nm吸收系数分布内的峰之间的偏 差的示意图。
[0018] 图8是例示了在存在位置偏差的情况下氧饱和度分布内的离差（dispersion)的 图。
[0019] 图9是例示了在不存在位置偏差的情况下氧饱和度分布中的离差的图。
[0020] 图10是例示了根据第四实施例的光声装置的配置的示意图。
[0021] 图11是例示了第四实施例中信号处理单元的操作的流程图。
[0022] 图12是例示了根据第五实施例的光声装置的配置的示意图。
[0023] 图13是例示了第五实施例中的信号处理单元的操作的流程图。
[0024] 图14是例示了第五实施例中的执行成像的方式的图。
【具体实施方式】
[0025] 将参考附图来描述示例性实施例。相同的部件一般由相同的附图标记来表示，并 且省略对其的描述。
[0026] 根据本发明的一个方面的光声装置通过使用通过接收光声波获得的接收信号来 获得被检体内的信息（与光学特性值有关的信息）。本说明书中的术语"光声波"是指通过 吸收光而生成的声学波，并且包括通过吸收光而生成的所谓"声学波"、"超声波"、"声波"、 "弹性波"和"光-超声波"。
[0027] 在本发明的一个方面中获得的与光学特性值有关的信息反映光能的吸收率。具体 的光学特性值包括所生成的声学波的"声压（典型地是初始声压）"、根据声压导出的"光能 吸收密度"、"吸收系数"、构成组织的物质的"与浓度有关的信息（浓度相关信息）"等。
[0028] "浓度相关信息"包括使用多个波长的"基于光学吸收的特性分布"而获得的、与存 在于被检体中的物质的浓度有关的值。具体而言，"浓度相关信息"是"氧饱和度"、"氧饱和 度已由吸收系数的强度等加权的值"、"总血红蛋白浓度"、"氧合血红蛋白浓度"、"脱氧血红 蛋白浓度"等。"浓度相关信息"还可以是"葡萄糖浓度"、"胶原质浓度"、"黑色素浓度"、脂 肪和水的"体积分数"等。
[0029] 根据本发明的一个方面的装置可以通过获得多个位置的光学特性值来生成二维 或三维的分布数据。也就是说，可以获得"声压分布"、"光能吸收密度分布"、"吸收系数分 布"、"浓度相关分布"等。所获得的分布数据可以作为图像数据生成。
[0030] 注意，"声压分布"、"光能吸收密度分布"和"吸收系数分布"在本说明书中将被统 称为"基于光学吸收的特性分布"。"浓度相关分布"是基于多个波长的"基于光学吸收的特 性分布"获得的。
[0031] 根据以下实施例的光声装置使得能够诊断人和动物的恶性肿瘤和血管疾病，并且 用于化疗的后续。因此，作为被检体的活体的一部分，更具体地，人或动物的一个区域（胸 部、身体器官、循环器官、消化系统、骨骼、肌肉、脂肪等），被假设为检查目标。作为检查目标 的物质包括血红蛋白、葡萄糖、体内的水、黑色素、胶原质和脂肪等。另外，诸如投用到身体 的口引噪菁绿（indocyaninegreen，ICG)之类的不透射线染料也可以是检查目标。检查目标 具有特性光学吸收频谱就足够了。
[0032] 现在将描述示例性实施例。注意，示例性实施例不限于光声装置本身，而是还涵盖 其控制方法，以及用于执行控制方法的程序。
[0033] 第一实施例
[0034] 以下是根据第一实施例的光声装置的配置及其处理的描述。
[0035] 总体装置配置
[0036] 图1是例示了根据本实施例的光声装置的配置的示意图。根据本实施例的光声装 置至少包括光源1、具有接收光声波的转换元件3的探头30、以及使用从转换元件3输出的 接收信号来执行信号处理的信号处理单元40。
[0037] 被检体2被从光源1输出并经过诸如光纤、透镜等之类的光学传播构件（未示出） 的光辐射。注意，在分开的定时，被检体被具有彼此不同的波长的多个脉冲光辐射。辐射光 在被检体内传播并散射，并且由被检体内存在的物质吸收。吸收光的这种物质各自吸收各 波长的光能，并且生成光声波。也就是说，第一波长的光生成第一光声波，第二波长的光生 成第二光声波。所生成的光声波传播通过被检体并且到达转换元件3。转换元件3被设为 与被检体声匹配。
[0038] 多个转换元件3中的每一个通过接收光声波来按时序输出接收信号。也就是说， 转换元件3通过接收第一光声波按时序输出第一接收信号，并且通过接收第二光声波按时 序输出第二接收信号。所输出的接收信号被输入到信号处理单元40。对于每个经辐射的脉 冲光，接收信号被顺序地输入到信号处理单元40。信号处理单元40基于被检体内的光学吸 收使用所输入的接收信号来生成诸如特性分布和浓度相关分布之类的分布。信号处理单元 40还基于所生成的分布来生成图像数据，并且图像可以显示在显示单元8上。经由输入单 元12从用户（诸如医生或技师之类的操作人员）接受区域设置等的输入。
[0039] 在光声装置以相对较小的被检体作为检查目标的情况下，诸如在光声显微镜等的 情况下，探头30所具有的转换元件3的数量可以是一个。但是，在光声装置以诸如胸部等 的相对较大的被检体作为检查目标的情况下，探头30优选地设有多个转换元件3。
[0040] 信号处理单元40的内部配置
[0041] 接下来，将描述根据本实施例的信号处理单元40内的配置。根据本实施例的信号 处理单元40具有信号收集单元9、第一分布获得单元4、第二分布获得单元5、显示控制单元 10以及控制单元11。控制单元11包括区域设置单元13、统计信息获得单元6、偏移单元7 以及决定单元14。稍后将参考图2来描述信号处理单元40内的处理流程，并且首先将描述 信号处理单元40内的部件。
[0042] 信号收集单元9通过每个通道收集从多个转换元件3中的每一个输出的时序模拟 接收信号，并且执行诸如放大接收信号、AD转换所接收的模拟信号、存储经数字化的接收信 号等之类的信号处理。
[0043] 第一分布获得单元4使用从信号收集单元9输出的接收信号来生成基于被检体内 的光学吸收的特性分布。以下描述涉及获得作为基于光学吸收的特性分布的吸收系数分布 的示例。被检体内的位置（i，j，k)处的吸收系数1^可以通过表达式（1)获得。注意，i、 j和k均是表示被检体内的坐标的整数。
[0044] P=r?ya ? (J) ? ? ? (1)
[0045] 其中P表示初始声压（所生成的声压），r表示Grueneisen常数，巾表示到达位 置（i，j，k)的光量。
[0046] 注意，通过使用探头的带校正滤波器基于从信号收集单元9输出的针对每个通道 的接收信号进行滤波，来由在图像重构获得三维空间坐标上的位置（i，j，k)处的初始声 压。可使用的图像重构的示例包括已知的重构技术，诸如在美国专利No. 5713356中描述 的通用背投（UniversalBackProjection，UBP)、过滤背投（FilteredBackProjection， FBP)等。也可使用延迟与求和处理。<