光声成像设备、光声成像方法和执行光声成像方法的程序与流程

光声成像设备、光声成像方法和执行光声成像方法的程序本分案申请是基于申请号为201180016034.4(国际申请号为PCT/JP2011/056670)，申请日为2011年3月14日，发明名称为“光声成像设备、光声成像方法和用于执行光声成像方法的程序”的中国专利申请的分案申请。技术领域本发明涉及光声成像设备、光声成像方法和用于执行光声成像方法的程序。

背景技术：
已经积极地进行了对通过允许从光源发射的光(诸如激光束)进入和传播通过被检体来获得关于被检体的内部的信息的光声成像设备的研究。在PTL1中，提出了光声层析成像术(PAT)作为这种光声成像技术。PAT是通过利用从光源发射的脉冲光照射生物体(被检体)、接收在已经传播和扩散通过被检体的光被生物体的组织吸收时产生的声波并且分析地处理接收的声波来可视化与作为被检体的生物体的内部的光学特性有关的信息的技术。以这种方式，可以获得关于生物信息(诸如被检体中的光学特性值分布，并且特别是光能吸收密度分布)的信息。在PAT中，从被检体内的光吸收体产生的声波的初始声压P0可以由以下表达式表示。P0＝Γ·μa·Φ(1)这里，Γ表示Grüneisen系数，并且通过将等压的(isobaric)体膨胀系数β与音速c的平方的乘积除以等压比热CP而获得。已知Γ在被检体被指定时是基本上恒定的值，其中μa表示吸收体的光吸收系数，并且Φ表示局部区域中的光强(其是入射在吸收体上的光的强度并且也被称为光流量)。作为传播通过被检体的声波的量的声压P的随时间的变化被测量，并且根据测量的结果计算初始声压分布。通过将计算的初始声压分布除以Grüneisen系数Γ，可以获得μa与Φ的乘积的分布(即，光能吸收密度分布)。如表达式1表示的，为了根据初始声压分布的分布获得光吸收系数μa的分布，需要确定被检体内的光强Φ的分布。在利用一样的光量照射相对于被检体的厚度足够大的区域时，在光作为平面波传播通过被检体时可以通过以下表达式表现被检体中的光强的分布Φ。Φ＝Φ0·exp(-μeff·d)(2)这里，μeff表示被检体的平均有效衰减系数，并且Φ0表示从光源入射在被检体上的光量(在被检体的表面处的光强)。此外，d表示在利用从光源发射的光照射的被检体的表面上的区域(光照射区域)与被检体中的光吸收体之间的距离。通过使用由表达式2表示的光强分布Φ，可以根据表达式1的光能吸收密度分布(μaΦ)计算光吸收系数分布(μa)。引文列表专利文献PTL1美国专利No.5713356

技术实现要素：
技术问题然而，在被检体的形状不简单时和/或在从光源发射的入射在被检体上的光的量不均匀时，被检体的表面上的光照射区域的面积和照射光强分布是不均匀的。因此，被检体中的光强在从被照射表面向内的方向上是不均匀的。因此，不能使用表达式2。因此，为了精确确定被检体中的光学特性值分布，需要考虑这种不均匀的特性。本发明高度精确地获得光学特性值分布，诸如被检体的内部的吸收系数。问题的解决方案本发明提供了一种光声成像设备，其包括：声学转换单元，被配置为接收通过利用从光源发射的光照射被检体而产生的声波并且将声波转换为电信号；以及处理单元，被配置为基于入射在被检体的表面上的光的照度分布或光强分布来确定被检体内的光强分布，并且基于电信号和确定的被检体内的光强分布来产生图像数据。本发明还提供了一种光声成像方法，其包括以下步骤：根据电信号来产生图像数据，所述电信号是从在从光源发射的光入射在被检体上时产生的声波转换而来的；确定从光源发射的光的入射在被检体的表面处的照度分布或光强分布；基于在被检体的表面处的照度分布或光强分布来确定被检体内的光强分布；以及基于电信号和被检体内的光强分布来产生图像数据。本发明的有利效果本发明高度精确地获得光学特性分布，诸如被检体的内部的吸收系数。附图说明图1是根据本发明的第一实施例到第四实施例的光声成像设备的示意图。图2是示出本发明要解决的问题的示意图。图3是根据本发明第一实施例的示出通过光声成像设备执行的处理的流程图。图4是根据本发明第一实施例的包括在光声成像设备内的声波产生部件的顶部示意图。图5是根据本发明第二实施例的示出通过光声成像设备执行的处理的流程图。图6是示出作为图5中的步骤21的确定表面处的照度分布的处理的示意图。图7是根据本发明第三实施例的光声成像设备的示意图。图8是根据本发明第三实施例的示出通过光声成像设备执行的处理的流程图。图9是根据本发明第四实施例的示出通过光声成像设备执行的处理的流程图。具体实施方式下面将参考附图描述本发明。在本发明中，声波包括音波、超声波和光声波，并且是通过利用光(电磁波)(诸如近红外线)照射被检体而在被检体内产生的弹性波。根据本发明的光声成像设备是通过获得关于被检体的内部的生物信息来产生要在人类和其它动物中的恶性肿瘤和血管疾病的诊断以及化学治疗中的跟踪中使用的图像数据的设备。被检体可以是要诊断的人体或者动物体中的区域，诸如胸部、手指或者肢干。被检体内的光吸收体是被检体的具有相对高的吸收系数的一部分。在被检体是人体的情况下，光吸收体是例如具有包含氧合的和/或还原的血红蛋白的新血管或者许多血管的恶性肿瘤。第一实施例图1A示出根据本实施例的光声成像设备。根据本实施例的光声成像设备包括声学转换单元1以及处理单元2。此外，在本实施例中，沿着被检体6的面设置声波产生部件10。声波产生部件10具有与被检体6不同的吸收系数。预先测量声波产生部件10的厚度、光吸收系数和Grüneisen系数。从光源3发射的光束4经由包括透镜、反射镜和光纤的光学系统5入射在作为例如生物体的被检体6上。在传播通过被检体6的光的能量的部分被光吸收体7(其是声源)(诸如血液或者血管的内部)吸收时，光吸收体7的热膨胀产生声波81(其典型地是超声波)。响应于接收从光源3发射的光束4，在声波产生部件10处产生声波82。声波81和82由声学转换单元1接收并且转换为电信号。然后，处理单元2基于从光源3发射的光入射在被检体6的表面上的光强分布(在下文中称为“表面光强分布”)和电信号来产生被检体6的图像数据(诸如光学特性值分布)。具体地，由处理单元2基于表面光强分布来确定被检体6中的光强分布(在下文中称为“内部光强分布”)，并且基于电信号和内部光强分布产生图像数据。然后，图像数据被显示作为显示装置9(诸如液晶显示器)上的图像。光声成像设备可以包括用于固定被检体6的固定部件11，诸如图1B中示出的那些固定部件。固定部件11限定被检体6的形状的一部分。虽然没有特别提到，但是其它实施例也可以包括这种固定部件。在光能吸收密度分布和光学吸收系数分布的图像中利用不同的亮度和颜色显示具有相同的形状、尺寸和吸收系数但是存在于被检体6中的不同位置处的光吸收体7。这是因为到达每个光吸收体7的光子的数量(即，被检体6中的光的局部量)不同。被检体6内的光的局部量可以由于被检体6的表面光强分布的影响而不同。图2示出利用从发射相同强度的光的光源发射的光照射的被检体6上的具有相同尺寸的两个区域(A和B)。参考图2，即使从光源发射的光的强度相同，被检体6的表面上的区域A和B处的照度也不同，因为光照射区域的尺寸不同。在经由光学系统5入射在被检体6上的光束4或来自光源3的光有限地发散时并且在光强分布在发散方向上不均匀时，在光照射区域(区域C)内照度根据位置而不同。在所发射的光的强度(表面照度分布)均匀时，表达式2可以适用。然而，诸如在上述的情况中，在光强不均匀时，表达式2不能适用。根据本发明，通过使用从光源发射的光入射在被检体上的表面照度分布来校正被检体中的光强分布，具有相同形状、尺寸和吸收系数的光吸收体可以利用基本上相同的亮度和/或颜色被显示。接下来，将参考图1和图3描述根据本实施例的光声成像设备的操作。利用来自光源3的光束4照射被检体6，并且声学转换单元1接收在被检体6中的光吸收体7处产生的声波81以及在布置在被检体6的表面上的声波产生部件10处产生的声波82(S10)。接收的声波在声学转换单元1处被转换为电信号(S11)并且被发送给处理单元2。处理单元2对电信号执行放大、A/D转换和滤波(S12)，计算光吸收体7的位置和尺寸或生物信息(诸如初始声压分布)，并且产生第一图像数据(S13)。处理单元2根据从电信号获得的第一图像数据来确定来自光源3的光入射在被检体6上的表面照度分布(S14)。这在下面描述。响应于传播通过被检体6并且在被检体6内衰减的光产生声波81，而响应于基本上未衰减的光在被检体6的表面处产生声波82。声波产生部件10具有比被检体6大的吸收系数。因此，在被检体6的表面处产生的声波82具有比在光吸收体7中产生的声波81大的量。因此，可以从在步骤S13中获得的第一图像数据(初始声压分布P0)中提取具有比其它部分大的初始声压的部分。提取的部分对应于在被检体6与声波产生部件10之间的线，即，被检体6的表面。具体地，连接具有比预定的阈值大的初始声压的部分的线限定在被检体6与声波产生部件10之间的线。确定被检体6的表面，并且可以获得沿着该线的初始声压分布(ΓbμbΦ0)。Γb表示声波产生部件10的Grüneisen系数并且μb表示声波产生部件10的吸收系数。可以通过从沿着该线的初始声压分布(ΓbμbΦ0)中除去系数Γb和μb来计算从光源3发射并且入射在被检体6上的光的表面照度分布Φ0。然后，基于表面照度分布Φ0确定在被检体6中的内部光强分布Φ(S15)。具体地，使用在步骤S14中获得的被检体6的表面照度分布和被检体6的表面的形状，在数值空间中在被检体6的表面上布置具有与表面照度分布Φ0相同的光强分布的假想的光源，以便计算被检体6中的内部光强分布Φ。在这时候，使用扩散方程和输运方程计算内部光强分布。处理单元2基于在步骤S13中获得的第一图像数据(初始声压分布P0)和在步骤S15中确定的内部光强分布Φ来产生第二图像数据(诸如吸收系数分布)(S16)。通过依据表达式1使用在S15中确定的内部光强分布，可以计算吸收系数分布。基于以这种方式获得的第二图像数据的图像被显示在显示装置9上(S17)。接下来，下面将详细描述根据本实施例的光声成像设备的配置。声学转换单元1包括将声波转换为电信号的至少一个元件，使用压电现象、光的谐振和/或电容变化的换能器。可以使用任意类型的元件，只要它能够将声波转换成电信号即可。通过一维地或二维地布置多个声波接收元件，可以在不同地点处同时地接收光声波。因此，可以减少接收时间，并且可以减少被检体的振动的影响。通过移动元件之一，可以接收与在元件被一维地或二维地布置时接收的信号相同的信号。期望的是，在声学转换单元1与被检体6之间施加声学匹配材料(诸如凝胶)以便提高声学匹配。工作台(workstation)典型地被用作处理单元2，并且使用预编程的软件执行图像重建(图像数据的产生)。例如，在工作台处使用的软件包括根据来自光声成像设备或外部单元的电信号确定被检体的表面上的照度分布或光强分布的处理以及用于噪声减少的信号处理模块。此外，在工作台处使用的软件包括用于图像重建的图像重建模块。在PAT中，通常，作为图像重建的预处理，对在不同地点处接收的信号执行噪声减少。期望的是通过信号处理模块执行这种预处理。图像重建模块通过图像重建形成图像数据，并且作为图像重建算法，例如，应用典型地在层析成像技术中使用的时域或傅里叶域中的后投影(backprojection)。图像数据是关于生物信息的二维数据和三维数据。二维数据由像素数据的多个数据集构成，并且三维数据由体元数据的多个数据集构成。通过在多个地点处获得的声波的图像重建获得像素数据和体元数据。下面将描述三维图像数据。然而，本发明也可以被应用于二维图像数据。光源3发射具有被构成生物体的预定组分(例如，血红蛋白)吸收的预定波长的光。具体地，光的波长优选地为500nm或更大且1200nm或更小。这是因为，在下面描述的处理中，易于将在被检体的表面处(例如，在皮肤处)产生的声波与在被检体内的光吸收体(例如，血红蛋白)处产生的声波区分开。设置能够产生5到50ns之间的脉冲光的至少一个光源3。期望具有较大功率的激光器作为光源3。然而，作为激光器的替代，可以使用发光二极管。可以使用各种不同类型的激光器，诸如固态激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。可以从声学转换单元1那侧发射或者从相对一侧发射光。此外，可以从被检体6的两侧发射光。光学系统5包括反射光的反射镜以及使光会聚、发散和改变光的形状的透镜。光学系统5除了反射镜和透镜之外还可以包括光波导，并且具有任意配置，只要从光源3发射的光以期望的形状入射在被检体6上即可。期望的是通过透镜使光会聚以便照射预定的区域。还期望的是用光照射的被检体6上的区域是可移动的。换句话说，期望的是，从光源3发射的光在被检体6上是可移动的。可移动的光允许利用光照射更大区域。更加期望的是，用光照射的被检体6上的区域与声学转换单元1同步地移动。移动用光照射的被检体6上的区域的方法包括使用可移动的反射镜的方法以及机械地移动光源3的方法。声波产生部件10具有预定的吸收系数，被布置在被检体6的表面上，并且具有已知的厚度、光吸收系数和Grüneisen系数。声波产生部件10通过吸收从光源3发射的光产生声波，并且能够计算被检体6的表面光强分布和表面形状。声波产生部件10由产生声波的光的吸收系数比被检体6的平均吸收系数大的材料制成。具体地，期望的是光吸收系数为0.005mm-1或更大并且0.100mm-1或更小。在吸收系数大于0.100mm-1时，进入被检体6的光量减少，并且因此，被检体6内产生的声波较小。与此对比，在吸收系数小于0.005mm-1时，这小于被检体6的内部的平均吸收系数；因此，难以将来自被检体6的表面和内部的声波区分开，并且因此难以计算被检体6的表面形状。期望的是光吸收系数为0.010mm-1或更大并且0.080mm-1或更小。期望的是使用具有大于或等于0.8并且小于或等于1.5的Grüneisen系数的材料。被检体6的平均Grüneisen系数为大约0.5。声波产生部件10包括如图4A中所示出的作为斑点状膜布置的具有已知的吸收系数的吸收体粒子，或者可以包括如图4B中所示出的以网格方式布置的吸收体。作为替代，声波产生部件10可以包括布置作为均匀的膜的吸收体微粒。可以使用具有已知的吸收系数的声学匹配材料(诸如凝胶)作为声波产生部件10。第二实施例根据本实施例的光声成像设备与根据第一实施例的光声成像设备的不同之处在于，未设置声波产生部件10。在本实施例中，使用由于被检体6与周围环境的光学特性(例如，吸收系数)的不连续而产生的声波来计算表面形状。然后，基于从光源3发射的光的强度分布和表面形状的计算结果来计算在被检体6的表面处的照度分布(在下文中称为“表面照度分布”)。下面将描述其中空气包围被检体6的示例，但是本实施例不限于此。空气和被检体6的Grüneisen系数和吸收系数是不连续的。因此，在其之间的表面(即，被检体6的表面)处吸收光，并且，结果，在被检体6的表面处产生声波82。声学转换单元1接收在光吸收体7处产生的声波81和声波82并且将这些声波转换为电信号。接下来，将参考图5描述根据本实施例的光声成像设备的操作。由声学转换单元1接收作为利用光学系统5照射被检体6的结果的在被检体6内部的光吸收体7处产生的声波81和在被检体6的表面处产生的声波82(S10)。接收的声波81在声学转换单元1处被转换为电信号(S11)并且被处理单元2接收。在对电信号执行滤波(S12)之后，处理单元2计算诸如生物信息或者光吸收体7的位置和尺寸之类的生物信息(诸如初始声压分布)，以便产生第一图像数据(S13)。处理单元2基于根据电信号获得的第一图像数据来确定被检体6的形状(S20)。这在下面描述。由于通过接收基本上未衰减的光来产生在被检体6的表面处产生的声波82，因此声波82比在光吸收体7处产生的声波81大。因此，可以从在步骤S13中获得的第一图像数据(初始声压分布P0)中提取具有比其它部分大的初始声压的部分。提取的部分对应于在被检体6与声波产生部件10之间的界线，即，被检体6的表面。具体地，通过连接具有比预定的阈值大的初始声压的部分获得的线限定在被检体6与声波产生部件10之间的界线。在被检体6和空气(被检体6的周围环境)之间的界线处的吸收(吸收系数)已知时，与第一实施例类似，可以根据在界线处的初始声压分布来计算从光源3发射的入射在被检体6上的光的表面照度分布。在被检体6和空气(被检体6的周围环境)之间的界线处的吸收(吸收系数)未知时，不能根据在界线处的初始声压分布来计算从光源3发射的入射在被检体6上的光的表面照度分布；因此，执行以下处理。处理单元2基于从光源3发射的光束4的强度分布和被检体6的形状来确定从光源3发射的入射在被检体6上的光束4的表面照度分布(S21)。这在下面描述。预先测量从光源3发射的光束4的强度分布，其是在与被检体6的深度方向正交的向内方向上的光强分布。这在下面参考图6描述。参考图6，被检体6的形状由在被检体6的深度方向上的位置z、在与被检体6的深度方向正交的向内方向上的位置x以及与表面的倾斜度(θ(x))表示。在与被检体6的深度方向正交的向内方向上的光束4的光强分布由A(x)表示。假定在被检体6外光直线地行进。可以参考根据被检体6的表面形状计算的法线方向来计算用光照射的被检体6的表面上的光束4的倾斜度分布θ(x)。通过在各位置x和z处将光强分布A(x)与cosθ(x)相乘，可以计算被检体6的表面照度分布。在上面描述的示例中，假定在被检体6外光直线地行进。然而，还可以确定表面照度分布，通过使用用于光传播的蒙特卡罗仿真或者光输运方程确定被检体6外部的光束4的到被检体6的表面的传播。基于表面照度分布，确定被检体6中的内部光强分布(S15)。具体地，使用在步骤S21中获得的被检体6的表面照度分布和在步骤S20中获得的被检体6的表面的形状，在数值空间中在被检体6的表面上布置具有与表面照度分布相同的光强分布的假想的光源，以便计算内部光强分布。在这时候，使用用于光传播的蒙特卡罗仿真、光扩散方程或者输运方程来计算内部光强分布。处理单元2基于在步骤S13中获得的第一图像数据和在步骤S15中确定的内部光强分布来产生第二图像数据(诸如吸收系数分布)(S16)。通过依据表达式1使用在S15中确定的内部光强分布，可以计算吸收系数分布。基于以这种方式获得的第二图像数据的图像被显示在显示装置9上(S17)。第三实施例图7示出根据本发明第三实施例的光声成像设备。本实施例与第二实施例的不同之处在于设置了测量单元30。其它配置与第二实施例相同。测量单元30测量被检体6的形状。作为测量单元30，可以使用图像拾取装置，诸如CCD照相机。在这种情况下，处理单元2通过根据拍摄的图像计算被检体6的厚度和外部的形状来确定被检体6的形状。作为替代，测量单元30可以是发送与接收声波的声波转换单元(所谓的超声波-回波声学转换单元)。声学转换单元1可以用作测量单元30，或者可以分开地设置测量单元30。接下来，参考图8，将描述根据本发明的本实施例的光声成像设备的操作。在第二实施例中，根据电信号(第一图像数据)确定被检体6的形状(S20)。根据本实施例的光声成像设备的操作的不同之处在于，根据通过测量单元30获得的被检体6的图像来确定被检体6的形状(S30)。其它操作与第二实施例相同。第四实施例将参考图1描述根据本实施例的光声成像设备。根据本实施例的光声成像设备包括限定被检体6的形状的容器40，而不是在根据第一实施例的光声成像设备中的声波产生部件10。其它配置与第一实施例相同。在本实施例中，由于唯一地确定被检体6的形状，因此唯一地确定从光源3发射的入射在被检体6的表面上的光束4的表面照度分布。具体地，从具有不同形状和尺寸的多个容器中选择适合于被检体6的容器40，并且随后把被检体6放入容器40中以便执行PAT测量。对于每个容器的入射在被检体6的表面上的光的表面照度分布预先被确定，并且被存储在处理单元2中作为包含对于每个容器的被检体6的表面照度分布数据的表面照度分布数据表。数据表被准备为使得在选择了容器时，取回对于所选容器的被检体6的对应的表面照度分布数据。作为设置多个容器的替代，可以设置其容量、尺寸和/或形状可变的单个容器。在这种情况下，可以预先确定在以各种方式改变容器的尺寸和/或形状时的入射在被检体6的表面上的光的表面照度分布，并且可以将包含对于容器的尺寸和/或形状改变时的表面照度分布数据的表面照度分布数据表存储在处理单元2中。接下来，将参考图9描述根据本实施例的光声成像设备的操作。首先，基于被检体6的尺寸和形状从多个容器中选择容器40，并且把被检体6放入容器40中。然后，用从光源3发射的光束4照射被检体6，并且声学转换单元1接收在被检体6内部的光吸收体7处产生的声波81(S10)。接收的声波81在声学转换单元1处被转换为电信号(S11)并且被处理单元2接收。在对电信号执行滤波(S12)之后，处理单元2计算光吸收体7的位置和尺寸或者生物信息(诸如初始声压分布)，以便产生第一图像数据(图像重建，S13)。处理单元2从存储在处理单元2中的表面照度分布数据表中选择和读取与所选的容器40对应的表面照度分布数据(S40)，并且确定从光源3发射的光束4入射在被检体6上的表面照度分布(S21)。基于表面照度分布，确定被检体6中的内部光强分布(S15)。具体地，使用在步骤S21中获得的被检体6的表面照度分布和由容器40限定的被检体6的形状，在数值空间中在被检体6的表面上布置具有与表面照度分布相同的光强分布的假想的光源，以便计算内部光强分布。在这时候，使用用于光传播的蒙特卡罗仿真、光扩散方程或者输运方程来计算内部光强分布。处理单元2基于在步骤S13中获得的第一图像数据和在步骤S15中确定的内部光强分布来产生第二图像数据(诸如吸收系数分布)(S16)。通过依据表达式1使用在S15中确定的内部光强分布，可以计算吸收系数分布。基于以这种方式获得的第二图像数据的图像被显示在显示装置9上(S17)。在可以预测被检体6内的光扩散时，可以使用与被检体6的内部对应的内部光强分布数据表来替代表面照度分布数据表。在这种情况下，在步骤S40中，读取内部光强分布数据而不是表面照度分布数据，并且步骤S21可以与步骤S40结合。第五实施例还可以通过以下处理实现本发明。实现上述的第一实施例到第四实施例的功能的软件(程序)经由网络或者各种存储介质被应用于系统或者设备，并且通过设备的计算机(CPU或者MPU)或者系统读出程序。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。本申请要求2010年3月29日提交的日本专利申请No.2010-075662的权益，该日本专利申请的整体通过参考被并入于此。附图标记列表1声学转换单元2处理单元3光源4从光源发射的光束6被检体81，82声波