专利名称：光声换能器及成像系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及光声成像和医疗诊断领域。更具体地，本发明涉及包括具有集成光纤的超声换能器的光声成像系统，超声换能器能够用来为诊断和其它医疗或研究目的而获得对象(例如人或小的实验室动物)的光声图像。
背景技术：
基于超声的成像是在多种临床环境中由医疗专业人员所使用的常见诊断工具，以通过实时的断层图像而可视化患者的肌肉、筋腱和内部器官以及可能存在的任何病理病变。超声成像还被进行体内研究的科学家和医学研究人员用来评估测试对象中的疾病进展和逆转。超声成像系统通常具有发送和接收高频声波的换能器。换能器经常使用能够将所接收的超声波转换成电信号的压电部件。中央处理单元对系统部件进行供电和控制，处理从换能器接收的信号来产生图像，并且在监视器上显示图像。与其它类型的成像方式(例如MRI)相比，超声成像相对快速、便携和价廉。超声成像与使用离子辐射的方式(例如X射线和PET)相比还更不具有侵入性，同时具有更少的潜在副作用。然而，传统的超声技术具有局限性，这使得传统的超声技术不适合于一些应用。例如，超声波无法完全穿透某些类型的组织和解剖特征，并且与X射线图像和MRI图像相比，超声图像通常具有较低的对比 度。此外，超声成像难以区分声学上同质的组织(即具有类似超声性质的组织)。光声成像是超声成像的基于光声效应的改进形式，在光声成像中，电磁能量(例如光波或射频波)的吸收产生声波。在光声成像时，将激光脉冲输送到生物组织内(当使用射频脉冲时，该技术通常被称为“热声成像”)。所输送能量的一部分被对象的组织吸收并转换成热量。这导致瞬间的热弹性膨胀，因此导致宽带(例如MHz级)超声辐射。然后，所产生的超声波由超声换能器检测去形成图像。光声成像通过提供例如增强的对比度和改进的特异性，有可能克服纯超声成像的一些问题。同时，由于使用非离子辐射来产生超声信号，所以光声成像具有较少的可能有害的副作用。不同的在超声换能器附近照射激光的技术已经被使用来引起光声效应。在光线从与换能器同一侧照射到组织上的反射模式光声学中，最常见的方法与暗场显微法中使用的那些方法类似，并且采用光学透镜和镜子的形式来将光线聚焦到换能器周围的同心圆内。虽然这种方法十分适合于单个圆形的换能器，但是这种方法不太适合于矩形直线的换能器阵列，因为光线分布在阵列的视场内变得不均匀。与现有的光声成像方法有关的另一挑战是激光脉冲间的强度变化。脉冲间的变化导致光声图像中以及连续图像间的声强度中出现不希望得到的波动。除非这样的脉冲间变化被量化和归一化，否则这样的脉冲间变化可能对光声图像的质量和可靠性产生不利影响。鉴于当前光声成像方法的局限，仍需要可提供一种为获得光声图像向对象提供激光束的方便且适宜方法的光声系统和技术。
发明内容
本发明的特征是用于获得对象的光声图像的光声扫描头。该扫描头包括容纳阵列式超声换能器的换能器外壳，阵列式超声换能器向对象发射超声波，和/或从对象接收超声波。扫描头还包括用于将激光引导至对象的多条光纤。光纤的发光端放置在换能器的前表面附近并且用光学透明的树脂集成于外壳的鼻头部(nosepiece)内。通常，外壳中的光纤结合在一起，以形成一束或线缆。该束或线缆可以进一步包括一条或多条电线，以形成同轴线缆。同轴线缆的电线从在扫描头的鼻头部内设置的换能器延伸至与超声收发器或波束成形器接合的连接器。光纤从换能器附近的一个或多个位置延伸至与激光系统接合的连接器。在本发明的某些实现中，光纤束的发光端可以分成在外壳的鼻头部内与换能器相邻放置的两组或多组光纤。例如，光纤可以被布置成两个分离的束，每束的发光端呈矩形光纤条的形式。每个光纤条可以沿超声换能器的相对侧对称放置。可替代地，每束的发光端可以采取圆形或其它适于提供光束的形状。扫描头中的光纤的其它布置也是可能的。例如，光纤可以分离成两个以上的束，和/或可以沿换能器的前表面的每个边缘对称地或非对称地布置。光纤可以沿换能器的前表面的全部边缘或仅沿换能器的前表面的一部分边缘放置。此外，光纤可以以多种形状或构造(例如矩形、方形、圆形等)中的任一种形状或构造布置在换能器附近。每束光纤的发光端可以相对于阵列式超声换能器的前表面以任何期望的角度放置。通常放置光纤束，使得·由每个光纤束产生的光束与垂直于换能器的前表面延伸的平面相交。在一些实施例中，可以使用多个仰角。通常，扫描头中的超声换能器是阵列式换能器，阵列式换能器具有用于产生和接收超声波的多个换能器元件。适合的阵列式换能器包括例如线性阵列换能器、相控阵列换能器、二维阵列换能器和曲线阵列换能器。还可以使用其它类型的固定换能器。在本发明的一些实施例中，超声换能器是接收和/或发射大约15MHz到大约IOOMHz频率超声波的高频换能器。最通常地，换能器接收和/或发射至少20MHz频率的超声波。可选地，本发明的光声扫描头可以进一步包括用于监视脉冲间激光能量(例如从对象上反射的或反向散射的能量)的可实时的光电传感器。光电传感器可以使用与用来将光纤集成于外壳内的树脂相同的光学透明树脂而被集成于外壳的鼻头部内。此外，可以在光电传感器旁边放置单独的一组光纤，以便发射光束到对象的与由超声换能器产生的声场邻近的区域上。另外，多个光电传感器可以分布在鼻头部内部，以监视阵列式超声换能器的不同区域处的脉冲间能量变化。可替代地，光电传感器可以与扫描头分离且位于换能器外壳外部。优选地，通过使用光学透明的树脂将光纤集成于扫描头的鼻头部内。通常，树脂是环氧树脂或其它聚合物树脂。在本发明的一些实现中，使用具有与光纤的折射率匹配的折射率的树脂是适宜的。树脂还可以用来将设备的其它部件集成于包括超声换能器和可选的光电传感器的鼻头部内。在本发明的一个实施例中，用来将光纤集成于扫描头内的透明树脂还起到对由光纤发出的光束进行聚焦的透镜的作用。这样的透镜可以用来向光束提供与由阵列式超声换能器产生的声场的焦深相匹配的焦深。在另一方面，本发明的特征是光声成像系统，该光声成像系统包括:(i)上面描述的光声扫描头，包括具有集成的光纤束的阵列式超声换能器；(ii)与光纤连接的用于产生非离子光脉冲的激光系统；(iii)与扫描头的换能器连接的超声收发器或波束成形器；
(iv)用于控制系统部件和将所接收的超声数据处理到图像内的计算机；以及(V)用于显示图像的监视器。本发明的超声成像系统可以用来对对象的多个器官(例如心脏、肾脏、大脑、肝脏、血液等)和/或组织成像，或者对对象的肿瘤状况或其它疾病状况成像。对象通常是哺乳动物，例如人。本发明还特别适合于对小动物(例如实验室鼠和/或实验大鼠)成像。上面的发明内容非意图于介绍本发明的每个实施例或每种实现。本发明的其它实施例、特征和优势将从本发明的下面具体实施方式
、从附图和从权利要求中显而易见。应当理解，上述发明内容和下面的具体实施方式
仅是示例性和说明性的，不是对要求保护的本发明的限制。
本发明可以结合附图得到更全面的理解，附图包含在本说明书中且构成本说明书的一部分，并且附图连同具体实施方式
用来图解本发明的几个实施例:图1是供在光声扫描头中使用的一端分叉的光纤束的侧视图；图2a和图2b是具有集成光纤线缆的光声扫描头的立体图；图3a是具有固定的换 能器和集成的光纤束的光声扫描头的侧视图，图3b是具有固定的换能器和集成的光纤束的光声扫描头的正视图；图4a和图4b是光声扫描头的鼻头部的不出由扫描头产生的光场和声场的侧视图；图5是光声扫描头的鼻头部的示出由换能器产生的声场和由光纤产生的光束的首1J面侧视图；图6a、图6b和图6c是扫描头的不出由换能器产生的声场和由光纤产生的光束的侧视图(图6b和图6c示出剖面图)；图6d、图6e和图6f是扫描头的不出由换能器产生的声场和由光纤产生的光束的顶部视图(图6e和图6f示出剖面图)；以及图7是示出包括与超声收发器和激光系统连接的扫描头的光声成像系统实施例的框图。尽管本发明可接受多种修改和可替代形式，但是已通过附图中的示例示出本发明的细节。然而，应当理解的是，目的不是为了将本发明限制于在附图或伴随的描述中介绍的特定实施例。相反，目的是为了包含落入本发明的精神和范围内的所有修改、等价和替换。
具体实施例方式
本发明提供包括激光光纤的光声扫描头，激光光纤被集成于阵列式超声换能器的外壳内，以允许将均匀的光能量输送至由换能器产生的声成像平面。具体地，可以被布置在例如矩形束中的激光光纤与超声元件被并排嵌入换能器的外壳内。使用透明封装环氧树脂或其它树脂将集成的光纤束封装到外壳内，对透明封装环氧树脂或其它树脂进行选择，以向将用于沿声成像平面均匀地给予精确照明的透镜作用提供充分的折射。此外，藉由对用于将束绑的光纤封装在换能器外壳中的环氧树脂或其它树脂的表面进行定型，可以加入多个照明角。这允许相对于换能器的表面以特定角度输送光。图1中示出根据本发明的可以集成于超声换能器外壳内的激光光纤束的示例。激光光纤束102由多条光纤构成，多条光纤已经被结合在一起,从而形成从扫描头延伸至与激光系统接合的连接器的光缆。光纤束102的末端分叉成分离的光纤束104和106,分离的光纤束104和106形成两个发光端108和110。光纤束104和106是随机选取的，以获得均匀的光分布，发光端108和110被布置到矩形条内，矩形条可以例如用环氧树脂或其它树脂材料而被集成于换能器外壳内。
在本发明的一个实施例中，发光条108和110是关于换能器的前方而被对称地布置。具体地，将单个矩形光条放置在换能器阵列元件两侧的每一侧，使得换能器阵列元件产生在超声换能器前方相交的光束，从而形成与换能器的表面垂直的相交平面。可以将光纤封装到换能器的鼻头部内，首先将换能器的鼻头部设置在模具内，模具被设计成在复合换能器的鼻头(nose)形成较平滑的表面并形成内凹口，内凹口将用于对准声阵列。封装可以使用透明环氧树脂或其它树脂来完成，使得透镜可以通过使用该模具来为环氧树脂或其它树脂材料定型而形成在光条前方。然后，将超声阵列对准并封装到前面在封装光纤时形成的凹口内。这允许将光条对称地放置在声换能器两侧的每一侧且彼此紧邻，使得光条的光束能够沿着与声换能器垂直且包含在超声阵列的成像平面内的平面从尽可能浅的深度穿越，从而使光声成像能发生的空间最大化。光束穿越的区域深度以及光束汇聚的角度可以被布置成使光声效应最优化。图2至图6示出以上面描述的方式构造的光声扫描头101的实施例。扫描头101的鼻头部114具有用于发射和接收超声波的阵列式超声换能器103。扫描头101还包括光纤线缆105,光纤线缆105包括多条光纤102。在一端,该束光纤102分叉成两组光纤,这两组光纤被形成到在阵列式换能器103的相对侧放置的发光条108和110内。发光条108和110将激光引导到对象上，以产生由阵列式换能器103所检测的超声波。虽然附图中将这些组光纤示出为矩形条，但是这些组光纤可形成任何其它适合的形状，例如圆形、椭圆形、方形、三角形等，以产生光束。从光纤发出的激光传播到待成像的对象的皮肤表面上的照明区，并且在对象的组织内产生超声波。扫描头101的各个部件被装入保护外壳112内。外壳可以由塑料或其它适合的坚硬或半坚硬材料制成，并且可以被定型成供手持使用。如图2中所示，在光纤束102的中央可以布置供给超声阵列的电线107，使得形成复合线/光纤同轴线缆105。然后，将后外壳118以应力消除的方式装在鼻头部114和线缆/连接器外面，使得用户感受到换能器具有单根离开扫描头101的线缆105。在远端，线缆以光连接器和电子连接器结束，光连接器和电子连接器分别与激光产生系统和超声收发器/波束成形器接合。扫描头101的鼻头部114还可以包括光电传感器116 (例如基于集成光电二极管的监视设备)，以捕获例如从皮肤表面反向散射的光。通过在扫描头101的鼻头部114中整合监视系统，可以将光声数据归一化，使得实时地减轻脉冲间的激光强度变化。还可以通过使用光学透明的环氧树脂或聚合物树脂来将光电传感器封装到声透镜的一端或两端的位置内，并且光电传感器可以凹陷和/或倾斜，使得光电传感器能够测量就在阵列端部处的组织的亮度。图2和图3示出在阵列式换能器103的一端被封装，且目标在观察被成像的对象的单个光电传感器116。可以对光条108和110进行设置,使得它们稍稍延伸超出声透镜的端部，以向光电传感器提供更强照明(如果需要)并且保证组织表面处的光照条件密切对应于声透镜下面的组织的光照条件。此外，光纤线缆可以进一步分裂成例如两个较细的光纤束，这两个较细的光纤束将光照射到声换能器附近的区域上，同时将光电传感器放置在这两个光纤束中间，使得光电传感器能够测量与发生光声效应相同的几何条件下的光场。在可替代实施例中，光电传感器可以与扫描头分离(即位于换能器外壳外部)。例如，可以将光电传感器设置为向光纤提供激光的激光系统的车组件的一部分。通过使用光纤束将反向散射的光引导回至位于换能器外壳外部的光电传感器，可能获得对反向散射的光的更均匀采样，并且可使用比能够装在换能器外壳内的光电传感器更大的光电传感器。在另一可替代实施例中，同样地光电传感器可以与扫描头分离，同时将光电传感器设置为激光系统的车组件的一部分。然而，此实施例不是使用 现有的光纤束将反向散射的光引导回至位于换能器外壳外部的光电传感器，而是可以在现有光条内部或它们外部附近放置专门将光引导回至光电传感器的附加光纤。图4a、图4b和图5示出由阵列式超声换能器产生的声场或扫描平面和由扫描头的光纤产生的光场之间的相互关系。具体地，阵列式换能器103产生声场123,声场123垂直于换能器103的前表面127。已经封装或以别的方式集成于鼻头部114内的形成光条108和110的光纤束104和106将光束120照射到对象上。光纤和产生的光束可以相对于被照明的组织以不同角度放置。角度可以增大到向对象输送的光束彼此平行以及还与超声束平行的程度。通常，由光纤束104和106形成的光条108和110相对于阵列式换能器103的前表面127形成角度，使得由光纤束发出的光束120彼此相交并且与由阵列式换能器103产生的声场123相交。在某些实施例中，集成的光声换能器的光束照亮一块组织，该块组织与阵列式换能器的声成像平面的矩形区一致。如图5中所示，光束120在声高程聚焦区域125处与声场123相交，从而允许对该区域的光声成像。此外，由于光在组织内强烈散射，所以光声成像还可以在相交区域125外执行，但是分辨率和灵敏度比在相交区域125内可能稍差。如前面介绍的，用来将光纤集成于扫描头的鼻头部内的环氧树脂或其它树脂材料还可以被形成到对由光纤束产生的光束进行聚焦的透镜内。具体地，如果用来对环氧树脂或其它树脂定型的模具包含必不可少的透镜轮廓，那么可以调整不同模具，使得封装的环氧树脂或其它树脂生成适用于每个光条的透镜，这些透镜用来将来自光纤的激光聚焦到最佳位置且用来控制光束的入射散度、入射强度和入射角度。因此，通过改变模具轮廓，能够使用相同的光纤束和声换能器产生不同的照明图案。此外，如果在模具内执行封装过程，使得光纤的最终表面与阵列式超声换能器的声透镜齐平，那么生成的复合换能器将容易清洁并且能够放置在尽可能靠近对象的位置。图5示出扫描头的实施例，在该实施例中，光纤束104和106的发光端108和110前方的环氧树脂材料或其它树脂材料被形成到透镜128和130内，透镜128和130与声透镜133齐平并且将从扫描头发出的激光束120折射和/或聚焦到相对于超声成像平面最佳的结构内。例如，可以将透镜128和130配置成提供光束120，光束120具有与由阵列式超声换能器103产生的声场123的焦深匹配的焦深。通过使用具有与光纤的折射率十分匹配的折射率的光学透明的树脂，当光束穿过光纤前方的由封装过程形成的树脂材料时，几乎不发生光损失。此外，用来形成透镜的环氧树脂或树脂还可以用来将光纤固定在相对于换能器的前表面不同的仰角处，从而能够将光束聚焦到更宽的深度范围。这种材料还起到保护光纤在使用过程中避免损坏的作用。在扫描头中使用的超声换能器通常是阵列式换能器或另一形式的固定换能器。“固定”换能器获取给定扫描平面内的超声线，而不需要换能器沿扫描平面物理移动。更具体地，术语“固定”指换能器阵列在发射或接收超声期间不利用其方位角方向的运动来获得其希望的工作参数或者获得超声数据帧。此外，如果换能器位于扫描头或其它成像探针内，那么术语“固定”还可以指换能器在工作期间不相对于扫描头、探针、扫描头的一部分或探针的一部分朝方位角方向或纵向方向运动。“固定”换能器可以在超声帧的获取之间运动，例如换能器可以在获取超声数据帧以后在扫描平面之间运动，但是这样的运动对于换能器的工作而言是不需要的。然而，本领域的技术人员将理解，“固定”换能器可以相对于被成像的对象运动，同时仍关于工作参数保持固定。例如，换能器可以在工作期间相对于对象运动，以改变扫描平面的位置或获得对象或对象下面的解剖结构的不同视图。阵列式换能器的示例包括但不限于线性阵列换能器、相控阵列换能器、二维(2-D)阵列换能器或曲线阵列换能器。线性阵列通常是平的，即所有元件位于相同的(平)面内。通常对曲线线性阵列进行配置，使得元件位于弯曲的平面内。换能器通常包括一个或多个压电元件或者一排压电元件，一个或多个压电元件或一排压电元件可以使用可变脉冲和延迟机制以电子方式导引。能够与本发明的光声系统一起使用的适合的超声系统和换能器包括但不限于在下列专利/专利申请中描述的那些系统:2007年6月12日颁发的美国专利N0.7，230，368 (Lukacs等人)，2005年12月8日公布的公开号为US2005/ 0272183的美国专利申请(Lukacs等人)，2004年6月24日公布的公开号为2004/0122319的美国专利申请(Mehi等人)，2007年9月6日公布的公开号为2007/0205698的美国专利申请(Chaggares等人)，2007年9月6日公布的公开号为2007/0205697的美国专利申请(Chaggares等人)，2007年10月11日公布的公开号为2007/0239001的美国专利申请(Mehi等人)，以及2004年11月25日公布的公开号为2004/0236219的美国专利申请(Liu等人)，它们中的每个通过引用全部并入本发明。本发明的扫描头可以包括手柄或者可以以别的方式适合于手持使用，或者可以安装到导轨系统、马达或类似的位置调整设备上。扫描头线缆通常是柔性的，以允许换能器容易运动和位置调整。本发明的扫描头可以并入光声成像系统(例如图7中示出的光声成像系统)内，以产生对象的光声图像。例如，扫描头101的光纤可以与产生非离子激光脉冲的激光系统142 (例如来自OPOTEK (美国加利福尼亚)的彩虹NIR集成可调激光系统(Rainbow NIRIntegrated Tunable Laser System))连接。产生激光的系统与扫描头101中的光纤一起将激光脉冲引导到对象140上，这导致电磁辐射的吸收，从而在对象140的组织和/或器官中产生超声能量。激光产生系统还可以包含用于对激光输出源处的激光能量和/或来自从光声扫描头返回的通过光纤的光的激光能量进行监视的模块。扫描头101中的换能器经由导线与超声收发器或波束成形器144连接，检测由激光产生的超声波，并且将该数据发射至中央处理单元(例如计算机)146，中央处理单元146使用软件来建立对象中感兴趣区域的二维图像和三维图像，这些二维图像和三维图像被显示在监视器148上。激光光纤集成于超声换能器内允许使用同一设备进行超声成像和光声成像。当获得光声图像时，超声换能器主要作为检测器使用，但是如果用户想要在纯超声模式下操作设备，那么换能器可以用来发送和接收超声。因此，在一些实现中，该系统能够起到光声成像系统以及超声成像系统的作用。光声图像可以由多个脉冲获取事件形成。使用一系列单独的脉冲获取事件(被称为“A扫描”或超声“线”)扫描所期望的成像区内的区域。每个脉冲获取事件需要最少量的时间来使从光纤中传输的电磁能量脉冲在对象中产生超声波，然后该超声波传播至换能器。通过用足够多的A扫描线覆盖所期望的图像区来提供能够显示的对象解剖结构的足够细节，产生图像。获取的线的数量和顺序可以由超声系统控制，超声系统还将所获取的原始数据转换成图像。通过在被称为“波束成形(beamforming)”的过程中使用硬件电子器件和软件指令的结合，可以将单独的A扫描组合在一起来形成图像数据。通过“扫描转换”或图像构造的过程，显示所获得的经波束成形的光声图像数据，使得观看显示屏的用户能够观看被成像的对象。在本发明的一个实现中，使用接收波束成形的方法获得超声信号，使得所接收的信号沿超声线动态聚焦。对光纤进行布置，使得扫描平面内的每条超声线接收同样水平的激光脉冲强度。获取一系列连续的超声线来形成帧。例如，可以获取256条超声线，每条线的事件顺序是在发射激光脉冲以后获取超声信号。基于线的图像重构方法记载在2006年5月30日颁布的标题为“SystemforProducing an Ultrasound Imag`e Using Line Based Image Reconstruction (用于使用基于线的图像重构产生超声图像的系统)”的美国专利N0.7，052, 460以及2004年11月25日公布的公开号为2004/0236219的美国专利申请(Liu等人)中，它们中的每个通过引用全部并入本发明并且构成本发明的一部分。当希望得到高的帧获取率时，例如当对快速跳动的老鼠心脏进行成像时，可以采用这种基于线的成像方法来产生图像。在本发明的另一实现中，通过在单独的阵列式换能器的元件上同时获取A扫描以及然后追溯性地执行波束成形(通常在软件中)，用较少的激光脉冲以更快的方式获取超声信号。由于来自发光条的光在光声扫描头的有效区上的均匀分布，所以仅需要单个激光脉冲来照亮图像平面的区域。因此，不是为每条图像线发射激光脉冲，而是可以使用单个激光脉冲来激发组织，并且可以在阵列式换能器的单独的元件上获取被返回的超声波。根据超声系统上可用的通道数量，可能需要不止一个激光脉冲来覆盖阵列式换能器的全部有效区。例如，在本发明的一个实施例中，超声系统包含64个通道，这64个通道被复用给256个超声阵列元件。在这种情况下，使用四个激光脉冲来采集全部256个有效元件上的A扫描。然而，通过追溯性的波束成形，可以通过采用超过系统上的64个通道限制的多组A扫描(也称为“孔径”)来形成图像线。可以使用多达256个元件来形成孔径，孔径会被波束成形为单条线，然而重复该过程以获得下一图像线。实际上，大多数激光具有十分低的脉冲重复率(10-20Hz)，因此使用这种追溯性的波束成形过程十分有利于提高光声成像帧率。对于3D图像获取而言，可以使用马达来直线移动具有集成光纤束的超声换能器，以采集被隔离预限定步长的一系列帧。马达的运动范围和步长可以由用户设置和/或调整。通常，步长是从大约10 μ m到大约250 μ m。马达通常沿垂直于扫描平面延伸的平面移动超声换能器。然后，使用标准3D可视化工具将这些2D图像堆叠和可视化为体积。用于3D光声图像获取的方法更详细地记载在2009年5月I日提交的U.S.S.N.61/174, 571中，通过该引用并入本发明。除了具有超声换能器和集成激光光纤的扫描头以外，根据本发明的光声系统通常包括下列部件中的一个或多个部件:可以由一种或多种信号和图像处理能力组成的可操作与其它部件连接的处理系统，数字波束成形器(接收和/或发射)子系统，模拟前端电子器件，数字波束成形器控制器子系统，高电压子系统，计算机模块，供电模块，用户界面，管理波束成形器和/或激光器的软件，将所接收的数据处理成二维图像和/或三维图像的软件，扫描转换器，监视器或显示设备，以及本发明中描述的其它系统特征。图7中的框图示出根据本发明的光声成像系统的部件的典型设置。该系统包括扫描头101，扫描头101包含阵列式换能器和用于将由激光系统142产生的激光引导到待成像的对象140上的集成光纤。超声收发器/波束成形器144与扫描头101中的阵列式换能器的有效孔径的元件连接，并且用来确定阵列式换能器的孔径。在发射期间，从扫描头101的光纤发出的激光穿透对象140并且产生来自于对象140的组织内的超声信号。超声信号由扫描头101中的阵列式换能器的有效孔径的元件接收，并且被转换成从有效孔径的每个元件发出的模拟电信号。电信号在超声收发器/波束成形器144中被采样，以将其从模拟信号转换成数字信号。在一些实施例中，扫描头中的阵列式换能器还具有接收孔径，接收孔径由波束成形器控制确定，波束成形器控制告诉接收波束成形器在有效孔径中包括阵列的哪些元件以及使用什么延迟分布。接收波束成形器可以使用至少一种现场可编程门阵列(FPGA)设备实现。光声成像系统还可以包括发射波束成形器，发射波束成形器也 可以使用至少一种FPGA设备实现。在另一实施例中，在阵列的元件上接收的光声信号可以用较少的激光脉冲通过在软件中追溯性地对该信号进行波束成形来产生。中央处理单元(例如计算机146)具有控制软件，控制软件管理包括激光系统142在内的系统部件。计算机146还具有用于处理所接收的数据(例如使用三维可视化软件108)来根据所接收的超声信号产生图像的软件。然后在监视器148上显示图像，以供用户观看。计算机146的部件可以包括但不限于:一个或多个处理器或处理单元，系统存储器，以及将包括波束成形器144在内的多个系统部件连接至系统存储器的系统总线。可以使用多种可能类型的总线结构，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、加速图形端口以及使用多种总线体系结构中任一种总线体系结构的处理器或局部总线。作为示例，这样的体系结构可以包括工业标准体系结构(ISA)总线、微通道体系结构(MCA)总线、扩展ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)局部总线以及外围部件互连(PCI)总线(也称为夹层(Mezzanine)总线)。这种总线以及在本说明书中列举的所有总线也可以经由有线网络连接或无线网络连接实现。该系统也可以经由有线网络连接或无线网络连接实现，包括处理器、大容量存储设备、操作系统、应用软件、数据、网络适配器、系统存储器、输入/输出接口、显示适配器、显示设备和人机接口在内的子系统中的每个子系统可以包含在位于物理分离位置的、经由这种形式的总线连接的、实际上实现完全分布式系统的一个或多个远程计算设备内。计算机146通常包括多种计算机可读介质。这样的介质可以是可由计算机146访问的任何可用介质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。系统存储器包括呈易失性存储器(例如随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(例如只读存储器(ROM))形式的计算机可读介质。系统存储器通常包含数据，例如可立即由处理单元存取的和/或当前被处理单元操作的数据和/或程序模块，例如操作系统和应用软件。计算机146还可以包括其它可移动计算机存储介质/不可移动计算机存储介质、易失性计算机存储介质/非易失性计算机存储介质。作为示例，大容量存储设备可以为计算机146提供计算机代码、计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性存储。例如，大容量存储设备可以是硬盘、可移动磁盘、可移动光盘、磁带或其它磁性存储设备、闪存卡、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)或其它光存储、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)等等。在大容量存储设备上可以存储任何数量的程序模块，程序模块作为示例包括操作系统和应用软件。在大容量存储设备上还可以存储包括2D图像和/或3D图像在内的数据。数据可以存储在本领域已知的一种或多种数据库中的任一种数据库内。这样的数据库的示例包括 DB2 、Microsoft Access、Microsoft SQL Server、Oracle 、mySQL、PostgreSQL等等。数据库可以是集中式的或者可以分布在多个系统间。用户可以经由输入设备将命令和信息输入计算机146内。这样的输入设备的示例包括但不限于键盘、指点设备(例如鼠标)、麦克风、游戏手柄、串行端口、扫描仪等等。这些和其它输入设备可以 经由与系统总线连接的人机接口连接至处理单元上，然而可以通过其它接口和总线结构(例如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB))连接。在根据本发明的实施例的示例性系统中，用户接口可以选自上面列出的输入设备中的一种或多种输入设备。可选地，用户接口还可以包括多种控制设备，例如拨动开关、滑块、可变电阻器和本领域已知的其它用户接口设备。用户接口可以与处理单元连接。用户接口还可以与本发明中描述的处理单元连接一起或者在未与本发明中描述的处理单元连接相连的情况下连接到本发明中描述的示例性系统的其它功能块上。显示设备或监视器148也可以经由接口(例如显示适配器)连接到系统总线上。例如，显示设备可以是监视器或LCD(液晶显示器)。除显示设备148以外，其它输出外围设备可以包括能够经由输入/输出接口与计算机146连接的部件，例如扬声器和打印机。计算机146可以通过使用与一个或多个远程计算设备的逻辑连接在联网的环境下工作。作为示例，远程计算设备可以是个人计算机、便携式计算机、服务器、路由器、网络计算机、对等设备或其它公共网络节点等等。计算机146和远程计算设备之间的逻辑连接可以通过局域网(LAN)和一般的广域网(WAN)完成。这样的网络连接可以通过网络适配器。网络适配器可以在有线的环境下和无线的环境下实现。这样的联网环境在办公室、企业范围计算机网络、内部网和互联网中是常见的。远程计算机可以是服务器、路由器、对等设备或其它公共网络节点，并且通常包括已经关于计算机146描述的元件中的全部或许多元件。在联网的环境中，程序模块和数据可以存储在远程计算机上。逻辑连接包括LAN和WAN。可以使用其它连接方法，并且网络可以包括像“万维网(world wide web)”或互联网这样的事物。在附图示出和本发明中描述的示例性系统的方面可以以包括硬件、软件和硬件与软件的结合在内的多种形式实现。硬件实现可以包括下面技术(其全部是本领域众所周知的)中的任一种或下面技术的结合:分立电子部件，具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门的分立逻辑电路，具有适当的逻辑门的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等等。软件包括用于实现逻辑功能的一系列有序的可运行指令，并且可以包含在由指令运行系统、装置或设备(例如基于计算机的系统、含处理器的系统或其它能够从指令运行系统、装置或设备中取得指令并运行指令的系统)使用或与指令运行系统、装置或设备关联的任何计算机可读介质内。本发明的光声成像系统和方法能够在很多种临床应用和研究应用中用来为对象的各种组织状况、器官(例如心脏、肾脏、大脑、肝脏、血液等)状况和/或疾病状况成像。例如，所描述的实施例能够在小动物的纵向成像研究中实现对解剖结构和血液动力功能的体内可视化、评估和测量。该系统可以为多种应用提供具有非常高的分辨率、图像均匀度、场深、可调节的发射焦深、多个发射聚焦区的图像。例如，光声图像可以具有对象或对象的解剖部分，例如心脏或心脏瓣膜。图像还可以具有血液且可以用于包括瘤的血管化的评估在内的应用。系统可以用来引导针注射。对于小动物的成像·而言，可能希望换能器在成像期间附接到固定装置上。这允许操作者获取不受通常由“徒手”成像导致的震动和摇晃影响的图像。固定装置可以具有多种特征，例如三维空间的运动自由度、旋转自由度、快速释放机构等等。固定装置可以是“导轨系统”装置的一部分，并且可以与加热鼠平台(heatedmouse platform)集成在一起。小动物对象还可以被放置在可接入麻醉设备以及可接入以柔性方式相对于对象放置换能器的装置的加热平台上。系统可以与用于对小动物成像的包括具有可操作的探针架装置的“导轨引导”型平台的平台和装置一起使用。例如，所描述的系统可以与多轨成像系统一起使用，并且可以与在标题为“Integrated Mult1-Rail Imaging System(集成多轨成像系统)”的美国专利申请 N0.10/683，168、标题为 “Integrated Mult1-Rail Imaging System(集成多轨成像系统)”的美国专利申请N0.10/053，748、标题为“Small AnimalMount Assembly (小动物安装组件)”的美国专利申请N0.10/683，870 (现在是2005年2月8日颁布的美国专利N0.6, 851, 392)以及标题为“Small Animal MountAssembly (小动物安装组件)”的美国专利申请N0.11/053，653中描述的小动物安装组件一起使用，上面专利申请中的每个专利申请通过引用全部并入本发明。小动物可以在成像期间被麻醉，可以监视重要的生理参数，例如心率和体温。因此，系统的实施例可以包括用于获取ECG信号和体温信号以供处理和显示的装置。系统的实施例还可以显示生理波形，例如ECG、呼吸或血压波形。所描述的实施例还可以用于希望产生三维光声图像的人类临床、医疗、制造(例如超声检查等等)或其它应用。
本说明书中和下面的权利要求中使用的“一”或“一个”指“至少一个”或“一个或多个”，除非另外指出。此外，单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个所指示对象，除非内容明确表示别的含义。因此，例如提到的包含“化合物”的成分包括两种或多种化合物的混合物。在本说明书和所附权利要求中使用的术语“或”通常在其包含“和/或”的意义上使用，除非内容明确表示别的含义。本发明中由端点记载的数值范围包括在该范围内包含的所有数(例如I到5包括
1,1.5、2、2.75,3,3.80、4 和 5)。除非另外指出，否则本说明书中和权利要求中使用的所有表示组分数量、性质测量等等的数值应当被理解成在所有情况下由术语“大约”修饰。因此，除非相反地指出，否贝U在前面的说明书中和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，其可以根据本领域的技术人员在应用本发明的教导时试图获得的期望特性变化。至少且不是试图限制权利要求的范围，每个数值参数应当至少按照具有所记录的有效数字的个数并且通过应用常规的舍入法去解释。然而，任何数值固有地包含某些误差，误差不可避免地来自于在它们各自的测量结果中存在的标准偏差。对本领域的技术人员而言，对本发明的多种修改和替换将是显而易见的，而不背离本发明的精神和范围 。应当理解，不希望本发明被本文中阐述的特定实施例和示例过度限制，且应当理解，提供这样的实施例和示例仅是为了说明本发明，本发明的范围旨在仅有所附权利要求限制。本发明中引用的专利、专利文献和公开出版物的全部公开内容通过引用在此全部并入，犹如每篇文献是单独引用一样。
权利要求
1.一种光声扫描头，包括: (i)阵列式的超声换能器，具有用于检测来自对象的超声波的前表面； (ii)外壳，包括用于容纳阵列式的超声换能器的鼻头部；以及 (iii)多条光纤，用于将激光引导至所述对象，其中所述光纤的发光部分被放置在阵列式的超声换能器的所述前表面附近，并且用光学透明的树脂被集成于所述外壳的所述鼻头部内。
2.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述超声换能器是线性阵列换能器。
3.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述光纤中的至少一部分光纤结合在一起以形成束。
4.根据权利要求3所述的光声扫描头,其中所述光纤中的至少一部分光纤与延伸至阵列式的光声换能器的一条或多条电线束扎在一起。
5.根 据权利要求3所述的光声扫描头,其中所述外壳的所述鼻头部内的光纤被布置成至少两束，且每束光纤具有被设置成将光束输送至所述对象的发光端。
6.根据权利要求5所述的光声扫描头,其中所述两束光纤的所述发光端被放置在阵列式的超声换能器的两侧。
7.根据权利要求5所述的光声扫描头,其中每束光纤的所述发光端呈矩形光纤条的形式。
8.根据权利要求5所述的光声扫描头，其中每束光纤的所述发光端呈圆形形式。
9.根据权利要求6所述的光声扫描头,其中每束光纤的所述发光端相对于阵列式的超声换能器的所述前表面成一角度地被放置，使得由每束光纤产生的光束与垂直于换能器的所述前表面延伸的平面相交。
10.根据权利要求1中任一项所述的光声扫描头，进一步包括: 可实时的光电传感器，用于监视脉冲间激光能量。
11.根据权利要求10所述的光声扫描头,其中所述光电传感器监视脉冲间反向散射强度。
12.根据权利要求10所述的光声扫描头，其中所述光电传感器通过使用与用来将所述光纤集成于所述外壳内的树脂相同的光学透明的树脂，而被集成于所述外壳的所述鼻头部内。
13.根据权利要求10所述的光声扫描头，进一步包括: 在换能器附近分布的多个光电传感器，用于监视阵列式的超声换能器的不同区域处的脉冲间能量变化。
14.根据权利要求10所述的光声扫描头,进一步包括: 单独的一组光纤，放置在所述光电传感器旁边，且发出光束到所述对象的与由所述超声换能器产生的声场邻近的区域上。
15.根据权利要求5所述的光声扫描头,其中所述两束光纤的所述发光端被放置在阵列式的超声换能器的两侧，并且能够将反向散射的光引导回至在扫描头的所述外壳外部设置的用于监视脉冲间能量的光电传感器。
16.根据权利要求5所述的光声扫描头,进一步包括: 专门将光引导回至所述光电传感器的附加光纤，其中所述附加光纤选择性地放置在现有光纤束内或者放置在现有光纤束的外部附近，并且能够将反向散射的光引导回至在扫描头的所述外壳外部设置的用于监视脉冲间能量的光电传感器。
17.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述光学透明的树脂是聚合物树脂。
18.根据权利要求15所述的光声扫描头，其中所述透明树脂是环氧树脂。
19.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中树脂的折射率与所述光纤的折射率匹配。
20.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述超声换能器通过使用与用来将所述光纤集成于所述外壳内的树脂相同的透明的树脂，而被集成于所述外壳内。
21.根据权利要求5所述的光声扫描头，其中所述透明树脂作为对由所述光纤发出的光束进行聚焦的透镜。
22.根据权利要求21所述的光声扫描头，其中所述光束具有与由阵列式的超声换能器产生的所述声场的焦深相匹配的焦深。
23.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述超声换能器接收和发射从大约15MHz到大约IOOMHz频率的超声波。
24.根据权利要求1所述的光声扫描头，其中所述超声换能器接收和发射至少20MHz频率的超声波。
25.—种光声成像系统,包括: (i)如权利要求1所述的扫描头； ( )产生非离子光脉 冲的激光系统，其中所述激光系统与所述扫描头的光纤连接； (iii)超声收发器，与所述扫描头的换能器连接； (iv)计算机，用于控制系统部件和将所接收的超声数据处理到图像内；以及 (v)监视器，用于显示所述图像。
全文摘要
本文中公开发明的特征是光声扫描头，该光声扫描头包括集成于使用光学透明的环氧树脂或其它树脂的阵列式超声换能器的外壳内的光纤。光纤的发光端放置在换能器前表面附近，并且将激光引导到由换能器扫描的对象上。由光纤产生的光束可以有角度地倾斜来与由换能器产生的声场相交，以便在由换能器扫描的区域内产生光声效应。
文档编号A61B6/00GK103209643SQ201180031854
公开日2013年7月17日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月30日
发明者德西蒙·希尔森, 安德鲁·尼德雷斯, 平哈斯·艾弗拉特, 尼古拉斯·C·查格雷斯 申请人:视声公司