被检体信息获取装置及其控制方法
【专利摘要】一种被检体信息获取装置包括：被配置为检测从用光照射的被检体生成的光声波的探测器；被配置为从光声波生成第一检测信号的信号收集器；被配置为通过使用探测器的脉冲响应的微分信号从第一检测信号生成减小了具有相对于从光声波导出的分量的相位反转的相位的分量的第二检测信号的信号处理器；和被配置为通过使用第二检测信号生成关于被检体内部的图像数据的图像生成器。
【专利说明】被检体信息获取装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及被检体信息获取装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在医疗领域中，从诸如激光器的光源在诸如活体组织的被检体上照射光并将关于基于入射光获得的被检体内部的信息转换成图像的光学成像装置的研究已取得积极进展。作为一种类型的这种光学成像技术，存在光声成像(PAI )。
[0003]在光声成像中，首先，在被检体上照射来自光源的脉冲光。然后，吸收在被检体中传播和扩散的脉冲光的能量的被检体组织(光吸收体)瞬时膨胀并生成声波。此时，由于光能的吸收比根据组织的类型和光的波长而不同，因此，在诸如肿瘤的被检部位与其它组织之间，所产生的声压存在差异。因此，信息处理装置使通过在探测器中接收声波生成的电信号经受数学分析处理，由此能够将被检体信息成像。获得被检体中的光学特性分布特别是初始声压分布、光学能量吸收密度分布和吸收系数分布等作为被检体信息。并且，能够基于这些类型的信息和关于照射光的波长的信息执行被检体中的特定物质浓度、例如血液中的氧饱和度的定量测量。
[0004]近年来，用于通过使用光声成像技术将小动物的血管图像成像的临床前研究和用于将该原理应用于乳癌等的诊断的临床研究取得了积极进展(“Photoacoustic imagingin biomedicineM.Xu, L.V.Wang, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT, 77，041101，2006)。在光声成像中，通常，存在于被检体内的光吸收体的光学特性分布被转换成图像。 [0005]非专利文献1:“Photoacoustic imaging in biomedicine”，M.Xu, L.V.Wang, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT, 77, 041101, 2006
【发明内容】
[0006]但是，由于被检体外部的原因，有时在生成的图像中出现劣化。例如，当光声波被保持被检体的被检体保持部件反射时，反射的光声波也被探测器接收。结果，包含从反射波导出的分量的电信号被用于被检体内部的图像生成(图像重构)。在以这种方式生成的图像中，出现由于反射波导致的伪像，并且出现图像劣化。
[0007]本发明是鉴于上述的问题提出的，并且本发明的目的是，在光声图像形成中，即使接收光声波的反射波，也减少由于反射波的影响导致的图像劣化。
[0008]本发明提供一种被检体信息获取装置，该被检体信息获取装置包括:
[0009]被配置为检测从用光照射的被检体生成的光声波的探测器；
[0010]被配置为从光声波生成第一检测信号的信号收集器；
[0011]被配置为通过使用探测器的脉冲响应的微分信号从第一检测信号生成减小具有相对于从光声波导出的分量的相位反转的相位的分量的第二检测信号的信号处理器；和
[0012]被配置为通过使用第二检测信号生成关于被检体内部的图像数据的图像生成器。
[0013]本发明还提供一种用于被检体信息获取装置的控制方法，该被检体信息获取装置包括被配置为检测从被光照射的被检体生成的光声波的探测器、信号收集器、信号处理器和图像生成器，该控制方法包括:
[0014]信号收集器从光声波生成第一检测信号；
[0015]信号处理器通过使用探测器的脉冲响应的微分信号从第一检测信号生成减小具有相对于从光声波导出的分量的相位反转的相位的分量的第二检测信号；和
[0016]图像生成器通过使用第二检测信号生成关于被检体内部的图像数据。
[0017]根据本发明，在光声图像形成中，即使接收光声波的反射波，也能够减少由于反射波的影响导致的图像劣化。
[0018]从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是示意性地示出光声图像形成装置的配置的例子的示图；
[0020]图2是用于解释检测信号处理的例子的流程图；
[0021]图3是示出关于入射波反转反射波的相位的例子的示意图；
[0022]图4A和图4B是示出光声波的分析例子的示意图；
[0023]图5A~5E是示出检测信号的光谱分解的例子的示意图；
[0024]图6A~6B是示出重新配置的初始声压分布的图像；
[0025]图7是示意性地示出光声图像形成装置的配置的例子的示图。
【具体实施方式】
[0026]以下参照附图解释本发明的优选实施例。但是，以下描述的部件的尺寸、材料、形状和相对布置等应根据应用本发明的装置的配置和各种条件适当地改变，并且不意味着将本发明的范围限于以下解释的描述。
[0027]在本发明中，声波包含称为音波、超声波、光声波和光超声波的弹性波。接收器(探测器)接收通过被检体传播的声波。本发明的被检体信息获取装置是利用接收通过在被检体上照射光(电磁波 )在被检体中生成的声波并获取被检体内的特性信息的光声效果的装置。
[0028]通过装置获取的被检体内的特性信息指示反映由光照射导致的声波的初始声压、从初始声压导出的光学能量吸收密度、吸收系数或形成组织的物质的浓度等的被检体信息。例如，物质的浓度为氧饱和度、或者氧合或还原血红蛋白浓度。特性信息可被获取为指示被检体中的位置的特性的分布信息而不是数值数据。即，可获取诸如吸收系数分布或氧饱和度分布的分布信息作为图像数据。
[0029]在以下的描述中，作为被检体信息获取装置的例子，解释通过使用作为一种类型的光声成像的光声断层法获取被检体内部的特性信息并将信息转换成图像的光声图像形成装置。代表性的被检体是活体组织的乳房，但不限于此。也可把握本发明为通过光声图像形成装置的光声图像形成方法或装置的控制方法。
[0030]装置配置
[0031]参照图1，解释根据本实施例的光声图像形成装置的配置。注意，在以下的描述中，原则上，相同的部件由相同的附图标记和符号表示，并且，省略部件的解释。[0032]本实施例中的光声图像形成装置包括光源11、被检体保持部件21、用作声波的检测器的探测器17和信号处理器19作为基本部件。从光源11发射的脉冲光12在被包含透镜、反射镜、光纤和扩散器的光学系统13处理成希望的光学分布形状的同时被引导，并且照射到诸如活体组织的被检体15上。当通过被检体15内部传播的光的能量的一部分被诸如血管的光吸收体(导致声源)14吸收时，通过光吸收体14的热膨胀生成光声波16。所生成的光声波16的一部分被探测器17接收。此时，使得光声波16的一部分在经受例如被检体保持部件21等的反射之后入射于探测器17上。在被探测器17检测之后，光声波16及其反射波通过信号收集器18被放大或数字转换，通过信号处理器19经受预定的处理，并最终被转换成被检体的图像数据(光学特性值信息数据)，并在显示装置20上被显示。
[0033]光源11
[0034]光源11在被检体上照射光。当被检体是活体组织时，光源11照射具有被被检体中的特定成分吸收的波长的光。在本发明中，大于或等于500nm且小于或等于1200nm的波长是优选的，使得光传播到被检体内部。光源11可与装置主体一体化，或者可与装置主体分开。作为光源11，能够生成几纳秒到几百纳秒的量级的脉冲光的脉冲光源是优选的。为了有效地生成光声波，特别适当地使用约10纳秒的脉冲宽度。作为光源11，获得大的输出的激光器是优选的。但是，也可使用发光二极管等。作为激光器，可使用各种激光器，诸如固态激光器、气体激光器、光纤激光器、染料激光器和半导体激光器。通过未不出的光源控制器控制照射的定时、波形和强度等。
[0035]光学系统13
[0036]光学系统13在将从光源11照射的光12处理成希望的光分布形状的同时将光12引导到被检体。光学系统13—般由透镜、反射镜、光扩散器和诸如光纤的光学波导等构成。注意，从能够增加被检体的安全性和诊断区域的观点看，优选使光扩展到一定的面积而不是用透镜会聚光。
[0037]被检体15和光吸收体14
[0038]以下解释被检体15和光吸收体14，但它们不包含于本发明的装置中。本发明的光声图像形成装置的主要目的是人和动物的恶性肿瘤和血管疾病等的诊断，化学治疗的后续观察等。因此，活体组织，特别是诸如人体或动物的乳房、手指或四肢的诊断的目标部位被假定为被检体15。被检体内的具有相对高的吸收系数的光吸收体被假定为被检体内的光吸收体14。例如，如果人体是测量目标，那么氧合或还原血红蛋白、包含大量的氧合或还原血红蛋白的血管、或者包含大量的新生血管的恶性肿瘤与光吸收体14对应。例如，被检体表面上的光吸收体是皮肤表面附近的黑色素。
[0039]探测器17
[0040]探测器17是被配置为检测在被检体的表面和内部生成的声波并将声波转换成作为模拟信号的电信号的检测器。只要探测器可检测声波，探测器17可以是任何探测器，诸如利用压电现象的换能器、利用光的共振的换能器或利用电容的变化的换能器。通过使用一维或二维布置多个接收元件的多维阵列元件作为探测器17，能够同时在多个位置上检测声波。结果，能够减少检测时间并减少由身体移动导致的噪声。 [0041]信号收集器18
[0042]信号收集器18放大通过探测器17获得的电信号，并执行从模拟信号到数字信号的转换。信号收集器18 —般由放大器、A/D转换器和场可编程门阵列(FPGA)芯片等配置成。当从探测器17获得多个检测信号时，希望信号收集器18可同时处理多个信号。因此，能够减少形成图像之前的时间。注意，在本说明书中，“检测信号”是既包括从探测器17获得的模拟信号也包括在其后经受了 AD转换的数字信号的概念。检测信号也被称为“光声信号”。
[0043]信号处理器19
[0044]信号处理器19通过图像重构获取被检体内部的图像数据。典型地，使用工作站作为信号处理器19。通过使用工作站的信息处理器件(CPU等)由编程计算机程序执行信号处理和图像重构处理等。在图1所示的例子中，被信号处理器19使用的软件包含被配置为执行用于选择性地减少相位反转的反射信号的处理的信号处理模块19a和被配置为生成图像数据的图像重构模块1%。信号收集器18和信号处理器19有时被一体化。在这种情况下，也可通过硬件处理生成被检体的图像数据。信号处理模块19a和图像重构模块19b分别等同于本发明的信号处理器和图像生成器。
[0045]显示装置20
[0046]显示装置20显示从信号处理器19输出的图像数据。例如，液晶显示器被用作显示装置20。注意，可与本发明的光声图像形成装置分开地设置显示装置20。
[0047]被检体保持部件21
[0048]被检体保持部件21保持被检体。被检体保持部件21可包含被配置为保持用于匹配被检体的声学阻抗和探 测器的声学阻抗的液体的部件。被检体保持部件或用于匹配液体的保持部件优选在光通过侧透明。例如，作为被检体保持部件或用于匹配液体的保持部件，使用聚甲基戍烯(polymethylpentene)或丙烯酸(acrylic)的塑料板或玻璃板等。一般地，由于这些部件比活体组织硬，因此，部件具有比活体组织的声学阻抗大的声学阻抗。因此，如以下详细解释的那样，当使得光声波从被检体15入射到被检体保持部件21上时，被检体保持部件21的界面上的反射波的相位反转180°。作为被检体保持部件的形状，一般采取用于保持被检体的板状形状。被检体保持部件等同于本发明的保持部件。
[0049]探测器17也可被视为被检体保持部件21。通常，探测器的检测元件(例如，PZT)的声学阻抗比被检体的声学阻抗大。由于使得从探测器入射于被检体上的光声波的反射波的相位反转180°，因此，能够通过本发明的方法减少反射光。
[0050]在图1中，通过使用两个被检体保持部件21a和21b保持被检体。因此，被检体被固定，不能移动。被检体的厚度减小，并且光可到达被检体。在本说明书中，当不必区分两个被检体保持部件21a和21b时，被检体保持部件21a和21b被一并描述为被检体保持部件21。
[0051]光声图像形成方法
[0052]参照图2~6详细解释作为本发明的特征的由信号处理器19执行的处理。在以下的解释中，在被检体内生成的光声波16在被检体保持部件21上多重反射，并且，光声波16的多重反射信号被探测器17接收。在这种情况下，即使当在来自被检体的信号中包含多重反射信号时，通过根据本发明的光声图像形成方法，也能够减少由于重构图像中的多重反射的影响导致的伪像。
[0053]声波的相位反转的数学表示[0054]首先，作为前提，解释声波的反射的物理现象。在图3中，区域301的声学阻抗(Z)是Zl (Z = Zl)，并且，区域302的声学阻抗是Z2 (Z = Z2)。与区域301的声学阻抗相比，区域302的声学阻抗相对较大(Z1〈Z2)。可以获知，当在这种情况下使声波从区域301入射到区域302上时，区域301和区域302之间的界面上的反射光的相位反转180°。
[0055]将该现象应用于图1所示的被检体15和被检体保持部件21，并检查这种现象。当比较被检体15与被检体保持部件21时，通常，具有更高的刚度的后者具有更高的声学阻抗。因此，当使得在被检体内生成的光声波16入射于被检体保持部件21上时，在被检体保持部件21的界面上反射的光声波的相位相对于入射波改变180°。因此，例如，如图3所示，在单个频率处形成的声波的形状反转。
[0056]当作为正常光声波的入射波的相位和入射波的反射波的相位由于这种物理现象而相差180°时，能够通过本发明的方法区分正常光声波和光声波的反射波。以下详细解释该方法。
[0057]描述光声波的传播的方程是类似于式(I)的波动方程。
[0058][数学I]
[0059]
【权利要求】
1.一种被检体信息获取装置，包括: 探测器，所述探测器被配置为检测从用光照射的被检体生成的光声波； 信号收集器，所述信号收集器被配置为从所述光声波生成第一检测信号； 信号处理器，所述信号处理器被配置为通过使用探测器的脉冲响应的微分信号从第一检测信号生成第二检测信号，在第二检测信号中，具有相对于从光声波导出的分量的相位反转的相位的分量被减小了 ；和 图像生成器，所述图像生成器被配置为通过使用第二检测信号生成关于被检体内部的图像数据。
2.根据权利要求1的被检体信息获取装置，还包括被配置为保持被检体的保持部件，其中， 所述信号处理器选择性地减小作为从被所述保持部件反射的光声波的反射波导出的分量的具有反转相位的分量。
3.根据权利要求2的被检体信息获取装置，其中，所述反射波是当使得通过被检体生成的光声波入射于保持部件上时在被检体与保持部件之间的界面上反射的波。
4.根据权利要求1~3中的任一项的被检体信息获取装置，其中，所述信号处理器通过使用所述脉冲响应的微分信号执行第一检测信号的光谱分解。
5.根据权利要求4的被检体信息获取装置，其中，通过用所述脉冲响应的微分信号解卷积第一检测信号，执行通过信号处理器的光谱分解。
6.根据权利要求4的被检体信息获取装置，其中，通过用设为基底的脉冲响应的微分信号对第一检测信号进行基底转换，执行通过信号处理器的光谱分解。
7.根据权利要求4的被检体信息获取装置，其中，所述信号处理器通过在删除负系数之后在通过光谱分解获得的光谱信号上执行重构处理来生成第二检测信号。
8.根据权利要求7的被检体信息获取装置，其中，通过使用所述脉冲响应的微分信号的卷积，执行通过信号处理器的重构处理。
9.根据权利要求7的被检体信息获取装置，其中，通过使用所述脉冲响应的微分信号的基底转换，执行通过信号处理器的重构处理。
10.根据权利要求2的被检体信息获取装置，其中，所述保持部件是被配置为保持被检体的板状部件。
11.根据权利要求2的被检体信息获取装置，其中，所述探测器还用作所述保持部件。
12.根据权利要求1的被检体信息获取装置，其中，接收了△脉冲信号的探测器获取所述脉冲响应作为输出的波形。
13.根据权利要求1的被检体信息获取装置，还包括被配置为显示图像数据的显示装置。
14.一种用于被检体信息获取装置的控制方法，所述被检体信息获取装置包括被配置为检测从被光照射的被检体生成的光声波的探测器、信号收集器、信号处理器和图像生成器，所述控制方法包括: 信号收集器从所述光声波生成第一检测信号； 信号处理器通过使用探测器的脉冲响应的微分信号从第一检测信号生成第二检测信号，在第二检测信号中，具有相对于从光声波导出的分量的相位反转的相位的分量被减小了 ；和 图像生成器通过使用第二检测信号生成关于被检体内部的图像数据。
15.一种用于使被检体信息获取装置的信息处理装置执行根据权利要求14的控制方法的步骤的计算机程 序。
【文档编号】A61B5/00GK103989455SQ201410050587
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】福谷和彦 申请人:佳能株式会社