被检体信息获取装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种被检体信息获取装置及其控制方法。

背景技术：

近年来，正在研究使用光声成像对被检体的内部进行成像。光声层析成像(PAT，Photoacoustic tomography)是光声成像的一种形式。

当利用由光源产生的脉冲光照射被检体时，由吸收了光能的被检体内部的组织产生声波。这种现象被称为光声效应。所产生的声波由多个布置在被检体周围的换能器(transducer)检测。另外，可以通过使接收到的信号经过信号处理来获取被检体内部的信息。这是通过光声层析成像进行成像的原理。

例如，当将被血红蛋白良好吸收的近红外光用作脉冲光时，可以对血红蛋白进行成像，或者，换句话说，可以对被检体中存在血液的部位进行成像。期望使用血管成像的结果来诊断恶性肿瘤。

作为通过光声层析成像进行成像的示例，美国专利说明书第5840023号描述了如下方法：在移动光照射区域和接收声波的换能器的同时接收来自被检体的声波，并且重构被检体信息。

专利文献1：美国专利说明书第5840023号。

技术实现要素：

当使用由多个换能器接收到的接收信号进行图像重构时，基于关注位置与各换能器之间的距离来进行处理。然而，难以在不影响重构图像的分辨率的情况下在探测器(probe)上精确地、以机械方式布置多个换能器。因此，存在由于机械布置的精度引起的误差导致重构图像的分辨率下降的问题。

鉴于上述问题而做出了本发明。本发明的目的是使用换能器的接收信号来精确地校准多个换能器的位置。

本发明提供一种被检体信息获取装置，所述被检体信息获取装置包括：

多个换能器，其接收从利用光照射的测量对象传播的声波，并将声波转换为电信号；

探测器，在所述探测器上布置有所述多个换能器，使得所述多个换能器的至少一部分的指向轴会聚；

位置信息获取器，其获取关于所述多个换能器的位置的位置信息；以及

特性信息获取器，其基于电信号和位置信息获取关于测量对象的特性信息，其中

所述位置信息获取器：

针对点声源位于点声源和探测器采取预定的相对位置的第一位置的情况，获取作为第一位置与所述多个换能器中的各个换能器之间的距离的第一数据组；

针对测量对象是点声源的情况，基于源自实际上已从点声源传播的声波的电信号，计算作为点声源与所述多个换能器中的各个换能器之间的距离的第二数据组；并且

基于第一数据组和第二数据组来计算位置信息。

本发明还提供一种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：

多个换能器，其接收从利用光照射的测量对象传播的声波，并将声波转换为电信号；

探测器，在所述探测器上布置有所述多个换能器，使得所述多个换能器的至少一部分的指向轴会聚；

位置信息获取器，其获取关于所述多个换能器的位置的位置信息；以及

特性信息获取器，

所述控制方法包括：

操作所述位置信息获取器以针对点声源位于点声源和探测器采取预定的相对位置的第一位置的情况，获取作为第一位置与所述多个换能器中的各个换能器之间的距离的第一数据组；

操作所述位置信息获取器以针对测量对象是点声源的情况，基于源自实际上已从点声源传播的声波的电信号，计算作为点声源与所述多个换能器中的各个换能器之间的距离的第二数据组；

操作所述位置信息获取器以基于第一数据组和第二数据组来计算位置信息；以及

操作所述特性信息获取器以基于电信号和位置信息获取关于测量对象的特性信息。

根据本发明，可以使用换能器的接收信号来精确地校准多个换能器的位置。

根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出被检体信息获取装置的示意图；

图2是由被检体信息获取装置获取被检体信息的流程图；

图3是获取校准数据的流程图；

图4是在获取校准数据期间虚拟点声源和多个换能器的示意图；

图5是在获取校准数据期间点声源和多个换能器的示意图；

图6是半球形探测器的示意图；以及

图7A和图7B示出了校准之前的重构图像与校准之后的重构图像之间的比较。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。然而，应当理解，下面描述的部件的尺寸、材料、形状、相对布置等旨在根据本发明所适用的装置的构造和各种条件而在适当时被改变。因此，本发明的范围并不旨在局限于下述实施例。

本发明涉及一种用于检测从被检体传播的声波、并生成和获取被检体内部的特性信息的技术。因此，本发明可以被认为是一种被检体信息获取装置或其控制方法，或者一种被检体信息获取方法和信号处理方法。本发明还可以被认为是使包括诸如CPU和存储器的硬件资源的信息处理装置执行这些方法的程序、或存储该程序的存储介质。

根据本发明的被检体信息获取装置包括利用光声效应的装置，其中，接收通过利用光(电磁波)照射被检体而在被检体内部产生的声波，并且获取被检体的特性信息作为图像数据。在这种情况下，特性信息是指：使用通过接收光声波而获得的接收信号生成的、关于与被检体内部的多个位置中的各个位置相对应的特性值的信息。

通过光声测量获得的特性信息是反映光能的吸收率的值。例如，特性信息包括通过光照射产生的声波的发生源、被检体内部的初始声压、源自初始声压的光能量吸收密度或吸收系数、或构成组织的物质的浓度或量。另外，可以通过获得氧合血红蛋白的浓度和还原血红蛋白的浓度作为物质的浓度来计算氧饱和度的分布。此外，还获得总血红蛋白浓度、葡萄糖浓度、胶原浓度，黑色素浓度、脂肪或水的体积分数等。

基于在被检体中的各位置处的特性信息，获得二维或三维特性信息分布。分布数据可以被生成为图像数据。特性信息可以作为被检体内部的各个位置的分布信息而不是作为数值数据来获得。换句话说，可以获得如下分布信息：例如，初始声压的分布、能量吸收密度的分布、吸收系数的分布和氧饱和度的分布。

根据本发明的声波通常是超声波，并且包括也被称为声音波或声波的弹性波。通过探测器等从声波转换的电信号也被称为声信号。然而，本说明书中的超声波或声波的描述并不旨在限制这些弹性波的波长。由光声效应产生的声波被称为光声波或光学超声波。源自光声波的电信号也被称为光声信号。

原则上，在以下描述和附图中，相同的部件将由相同的附图标记表示，并且将省略详细描述。在以下描述中，作为被检体信息获取装置的示例，将解释能够获取被检体内部的特性信息并生成图像数据的光声装置。

(装置构造)

图1是根据本实施例的被检体信息获取装置的装置构造的示意图。根据本实施例的被检体信息获取装置包括探测器102、接收声波的多个换能器103、信号接收单元104、信号处理单元105、位置控制单元106、光源107、系统控制单元109、特性信息获取器110和显示单元111。

被检体101是测量对象。根据本发明的被检体信息获取装置目的在于诊断活体中的恶性肿瘤或血管疾病。因此，假设诸如人乳房的活体作为测量对象。另外，在验证装置性能等时，还假设模拟活体的特性的模型(phantom)作为测量对象。活体的特性表示声波特性和光学特性。此外，在校准稍后描述的换能器的位置时使用的点声源也被包括在测量对象中。

被检体101由保持单元112保持。保持单元112被安装到安装单元113。保持单元112的尺寸或形状可以根据测量对象而改变。另外，可以在不安装保持单元112的情况下进行测量。保持单元112期望具有使光和声波透过的特性。当被检体101是乳房时，以面朝下姿势支撑受检者的床可以配设有用于插入乳房的开口，并且可以测量从开口垂下的乳房。

探测器102被构造为使得多个换能器103被布置在半球形支撑件的内表面上。换能器103的示例包括诸如使用压电现象的压电元件的转换元件和诸如CMUT的电容型转换元件。然而，转换元件的形式不受限制。用于匹配声阻抗的声匹配材料有利地布置在保持单元112与被检体之间以及保持单元112与探测器102之间。声匹配材料的示例包括水、超声波凝胶和蓖麻油。

可以在多个换能器103的接收灵敏度高的方向聚集的区域中增加分辨率。在本说明书中，这样的区域被称为高灵敏度区域。一般地，换能器103的灵敏度在接收面的法线方向上最高。该方向被称为指向轴(directivity axis)。高灵敏度区域是这种指向轴会聚的区域，并且在诸如图1所示的半球形探测器的情况下，半球体的曲率中心的周边是高灵敏度区域。

另外，探测器102的形状不限于半球形状。当所有换能器103的指向轴不平行时(换言之，当多个换能器103的指向轴的至少一部分会聚时)，形成高灵敏度区域。因此，探测器102可以具有诸如球冠形、球带形、椭圆体的一部分以及平面或曲线的组合的形状。

光源107产生脉冲光。光源107接收来自系统控制单元109的控制信号并产生脉冲光。脉冲宽度为约100纳秒的脉冲用于通过光声效应产生声波。光的波长期望为约600nm至1000nm。作为激光类型，使用Nd：YAG激光、紫翠玉激光、Ti：sa激光等。另外，可以使用半导体激光。此外，闪光灯或发光二极管可以用作光源107。使用可变波长激光或具有相互不同波长的多个激光，可以进行利用每种物质的波长吸收光谱的差异的测量(例如，氧饱和度的测量)。

由光源107产生的激光经由光学系统108照射在被检体101上。使用透镜、棱镜、反射镜、光纤等作为光学系统108。

信号接收单元104包括放大多个换能器103的接收信号的信号放大器、以及将模拟电信号转换为数字电信号的AD转换器。所生成的数字电信号被输入到特性信息获取器110。信号接收单元104以来自光学系统108的同步信号作为触发，来开始操作。当测量对象产生光声波时，将关于光源控制的同步信号或者在检测照射光时从光学传感器输出的信号用作触发。

信号处理单元105基于接收到的信号进行换能器位置的校准处理，并将所得校准数据输出到特性信息获取器110。作为另选方案，信号处理单元105将所存储的校准数据输出到特性信息获取器110。稍后将(在校准数据获取的流程中)详细描述信号处理单元105的处理流程。信号处理单元105以及位置控制单元106、特性信息获取器110等(稍后将描述)可以由处理电路或信息处理装置构成。作为图像处理装置，优选的是包括诸如CPU和存储器的计算资源、并且根据由程序发出的指令进行操作的PC或工作站。各个块可以被构造为在同一信息处理装置中进行操作的模块或者可以被物理上分离地构造。信号处理单元用作根据本发明的位置信息获取器。

位置控制单元106通过移动探测器102来改变多个换能器103与被检体101的相对位置。因此，由多个换能器103形成的高灵敏度区域在被检体内移动。结果，减少了所获取的被检体信息图像内的灵敏度的变化。探测器102的运动可以在二维方向或三维方向上。作为用于移动探测器102的构造，例如，可以使用包括滚珠丝杠和致动器并且沿着程控轨迹移动的XY台(stage)。

系统控制单元109与包括在被检体信息获取装置中的各块交换信息，并且整体地控制各块的操作定时和操作内容。

特性信息获取器110使用从信号接收单元104输出的接收信号来进行图像重构并计算特性信息。作为图像重构的方法，使用诸如通用反投影(UBP)、滤波反投影(FBP)和定相加法(phasing addition)的已知重构方法。

显示单元111显示由特性信息获取器110生成的被检体信息。另外，还显示操作者对装置进行操作所需的UI。可以使用包括液晶显示器和等离子体显示器的任何显示装置作为显示单元111。显示单元111可以与被检体信息获取装置一体地配设，或者可以被配设为单独的主体。

(点声源)

根据本发明的点声源位于预定位置，并在任意定时产生声波。为了进行优选的校准，能够各向同性地发送声波的器件是有利的。例如，可以使用接收光照射并产生光声波的球形器件。作为点声源的材料，容易提高球体的加工精度(球形度)并且具有高声波产生效率的材料是有利的。例如，优选的是通过用黑色涂覆材料对金属球的表面进行涂覆而创建的器件。另外，也可以使用树脂、橡胶、碳等。此外，声换能器可以用作点声源，只要可以各向同性地发送声波即可。

当将点声源定位在预定位置时，可以使用利用弦或线悬挂和支撑点声源的夹具。点声源与探测器的相对位置可以通过移动夹具和探测器中的至少一个来改变。在使用光声效应的点声源的情况下，通过照射光来产生声波。

(被检体信息获取的流程)

接下来，将参照图2描述被检体信息获取的流程。

在步骤S201中，操作者设置对于获取被检体信息所需的、关于激光和探测器位置控制等的参数。

在步骤S202中，基于在步骤S201中设置的与探测器位置控制相关的参数，位置控制单元106将探测器移动到指定位置。当构造在多个位置处的成像时，将探测器移动到第一指定位置。

在步骤S203中，基于在步骤S201中设置的与激光相关的参数，照射脉冲光。脉冲光透过光学系统108并照射被检体101，并且由被检体101产生声波。光学系统108与脉冲光的发送同时地向信号接收单元104发送同步信号。因此，信号接收单元104开始接收操作，并且基于来自被检体101的声波接收电信号。通过信号放大器和AD转换器将源自声波的、接收到的模拟电信号转换为放大的数字电信号，并且该数字电信号被输出到特性信息获取器110。

在步骤S204中，确定生成预定范围的图像数据所需的所有成像是否已经完成。根据用户的指定或预先设置的值来确定预定范围。当成像尚未完成时，将探测器移动到下一个指定位置，并且重复声波的获取。

在步骤S205中，特性信息获取器110基于所获取的接收信号和与激光和探测器位置控制相关的信息来进行图像重构，并且生成表示被检体信息的图像数据。在典型的图像重构中，对于被检体内部的各单位区域将各个换能器的接收信号相加起来，以获得初始声压。此时，基于介质的声速和单位区域与换能器之间的距离，从接收信号中选择适当的检测时间的数字信号。因此，从单位区域到换能器的距离越精确，图像重构的精度就越高。相反，当由于制造期间的精度、由各个换能器的电特性产生的信号延迟、老化等而使换能器的位置偏离设计值时，必须使用校准数据来选择适当的数据。随后，基于各单位区域的初始声压获得初始声压的分布。在显示单元111上显示以初始声压的分布、吸收系数的分布、氧饱和度的分布等形式生成的被检体信息。

(使用点声源获取校准数据)

期望在装置的组装或定期维护期间进行换能器位置的校准。在本发明中，校准是指测量各个换能器103与设计值的偏差，将测量的偏差存储为校准数据，并且在图像重构期间使用校准数据进行校正。例如，在制造期间、在出厂期间以及在装置的例行检查期间进行校准。

当获取校准数据时，首先，将点声源定位在半球形探测器102的特定相对位置处。特定相对位置是指多个换能器103的极坐标的偏转角预先已知的位置或多个换能器103的指向轴会聚的位置。在半球形探测器102的情况下，特定相对位置是曲率中心点。

当由点声源产生声波时，多个换能器103接收在介质中传播的声波并输出接收到的信号。另外，通过基于接收到的信号检测源自点声源的分量，信号处理单元105计算从点声源到多个换能器103中的各个换能器的距离。距离计算方法的示例包括检测时间顺序的接收到的信号的强度的上升沿的方法和检测超过预定阈值的强度的方法。可以使用在声波的产生与源自点声源的分量的检测之间经过的时间和声波的介质(例如，声匹配材料)的声速来计算距离。

可以基于各个换能器的距离信息来获取校准数据。当基于接收到的信号进行图像重构时，针对各换能器使用校准数据。通过使用校准数据，由于可以精确地获取作为重构对象的单位区域(像素或体素)与换能器之间的距离，因此可以按时间序列从数字信号中选择最佳数据。

校准数据以任意格式被存储在存储器等中。例如，假设关于当换能器在原位置(home position)时的各换能器的设计位置的信息，被作为设置给装置的XYZ坐标系或极坐标系中的坐标值而存储。在这种情况下，校准数据被存储为与设计值的偏差量。作为另选方案，可以覆写存储器上的坐标值。作为另选方案，偏差量或坐标值可以与校准的时间和日期一起经过版本控制。作为另选方案，可以存储各换能器的坐标系中的实际测量的坐标值。

然而，无法容易地将点声源布置在探测器102的曲率中心点。虽然定位点声源的方法涉及使用夹具，但是难以确定位置精度。结果，重构图像的分辨率下降。考虑到这一点，在本发明中，使用如上所述的多个换能器103的接收信号来获取点声源的位置。位置控制单元106基于位置信息来改变点声源与探测器102的相对位置，并且将点声源移动到曲率中心点。因此，点声源可以位于期望的位置。

(获取换能器位置的校准数据的流程)

接下来，将参照图3描述获取换能器位置的校准数据的流程。在这种情况下，图4示出了假设虚拟点声源401布置在半球形探测器102的曲率中心的位置附近的给定位置(x、y、z)处的模拟的情况。

在步骤S301中，计算在假设图4所示的状态时虚拟点声源401与多个换能器103之间的距离R_n(x、y、z)。n的范围从1到N，其中N表示多个换能器103的数量。当计算这些距离时，机械设计值(换言之，校准之前的换能器位置信息)用于多个换能器103的位置。(x、y、z)在曲率中心的位置附近改变，以计算各个距离R_n(x、y、z)。通过使多个位置(x、y、z)的间距变窄并扩大范围，来提高点声源的位置的估计精度。

可以计算并存储距离R_n(x、y、z)，或者可以在进行稍后描述的步骤S304的计算时根据需要计算距离R_n(x、y、z)。各换能器与虚拟点声源之间的距离对应于根据本发明的第一数据组。第一数据组可以在校准之前被预先存储在存储器中。另外，在用于降低由于探测器的老化引起的变形的影响的校准的情况下，可以基于由先前的校准处理获取的各个换能器的位置来获取新的第一数据组。

在步骤S302中，如图5所示，在实际被检体信息获取装置中，点声源501位于半球形探测器102的曲率中心点附近。

在步骤S303中，从实际点声源501传播声波。如图5所示，多个换能器103中的各个换能器接收声波并输出接收到的信号。使用接收到的信号，特性信息获取器110计算从点声源501到多个换能器103的距离r_n。n的范围从1到N，其中N表示多个换能器103的数量。在这种情况下，通过检测接收到的信号的上升沿来计算距离r_n。在这样做时，有利地考虑点声源501的球面直径。另外，还考虑了关于由多个换能器103和信号接收单元104进行的接收的延迟量。此外，可以对接收到的信号经过插值处理以提高计算出的距离的精度。表示实际点声源与各个换能器之间的距离的信息对应于根据本发明的第二数据组。

在步骤S304中，特性信息获取器110计算使虚拟点声源401与各个换能器103之间的距离R_n(x、y、z)、和同点声源501与各个换能器103之间的距离r_n之间的差的平方最小的(x、y、z)。另外，采用该位置作为点声源501的位置的估计结果。换句话说，计算使下面的表达式(1)中的d(x、y、z)最小的(x、y、z)。

[数学式1]

在步骤S305中，基于点声源501的估计位置，确定点声源501是否被布置在距曲率中心点的预定误差内。当点声源501与该中心相隔预定误差以上时，转移到步骤S306。当误差小于预定误差时，转移到步骤S307。

在步骤S306中，如图5所示，点声源501与探测器102的相对位置被改变与从在步骤S304中估计的点声源501的位置到曲率中心点的误差相对应的量。可以通过移动点声源501或者通过移动探测器102的位置来改变相对位置。

在步骤S307中，通过采用从点声源501到多个换能器103的距离r_n，作为从探测器102的曲率中心点到多个换能器103的距离，来创建换能器位置的校准数据，并存储该校准数据。

基于使用根据本发明的第一数据组和第二数据组计算的位置信息，来适当地布置用于获取校准数据的点声源。因此，通过使用通过上述方法获得的校准数据来校正换能器位置的误差并进行图像重构，可以生成具有高分辨率的被检体信息。另外，通过以这种方式使用多个换能器103的接收信号来校准换能器位置，除了校正换能器的物理位置之外，还可以校正接收电路等的特性的变化。

(示例)

在下文中，将描述更详细的示例。探测器102是在半球形支撑件的内表面上布置有512个换能器103的器件。假设多个换能器103是直径为1.5mm的换能器。图6是探测器的示意性平面图。多个换能器103在半球体上形成三维螺旋。换能器的布置的坐标系由以曲率中心点为中心的极坐标系的半径r、极角θ和方位角φ以及正交坐标系x、y、z定义。

在这种情况下，假设各换能器与曲率中心点之间的距离与机械设计值随机地具有在±0.1mm范围内的误差。因此，在极坐标系的半径r的方向上也包括±0.1mm的范围内的误差。这相当于各个换能器与曲率中心点之间的距离与设计值具有±0.1mm的误差。此外，当探测器102为可扫描时，探测器102位于床的开口正下方的情况被假设为原位置，并且在该位置处进行使用点声源的校准。

(比较例)

在本示例中，在直径为0.1mm的球形测量对象被设置在曲率中心点附近的状态下，从光照射单元601照射脉冲。信号接收单元的采样频率被假设为40MHz。基于测量对象与各个换能器之间的介质的声速，将各换能器接收到的光声波的时间轴转换为距离。另外，基于换能器的布置的机械设计值(换言之，校准之前的各个换能器的位置坐标)，特性信息获取器通过接收到的声波被反投影的UBP方法，来重构初始声压的分布。

图7A表示重构点声源图像。点声源图像的半值宽度为0.25mm。该结果包括分辨率的下降，这归因于各个换能器与曲率中心点之间的距离与机械设计值具有±0.1mm的误差的事实。

(本发明的方法和效果)

通过基于换能器(探测器)的位置信息创建校准数据并将该校准数据用于图像重构，来改善分辨率的下降。使用直径为1.5mm的点声源来校准换能器位置。随后，根据上述获取换能器位置的校准数据的流程，将点声源移动到半球形探测器的曲率中心点。在这种情况下的信号接收单元的采样频率以与上述比较例类似的方式被假设为40MHz。另外，当计算R_n(x、y、z)时的(x、y、z)的间距被设置为0.01mm。

在上述条件下，基于各个换能器的接收信号来计算曲率中心点与各个换能器之间的距离。具体地，基于可以从接收信号的上升沿位置获取的传播时间、以及在点声源与各个换能器之间的介质的声速，来计算从被假设为曲率中心点的位置到各换能器的距离。当计算距离时，有利地，考虑点声源的球面直径、各换能器的响应延迟特性、以及与信号接收单元的采样相关的偏移量或延迟量。因此，距离的计算精度提高。

采用根据接收到的信号计算出的距离，作为各换能器的极坐标系的半径r，并且还基于半径r、极角θ和方位角φ来对正交坐标系x、y、z进行校正。因此，可以获取换能器位置的校准数据。校准数据可以被存储为与设计值的差。

使用换能器位置的校准数据，通过UBP方法来对与比较例中相同的直径为0.1mm的球形测量对象的初始声压的分布进行重构。图7B表示计算出的点声源图像。点声源图像的半值宽度为0.19mm。此结果确认分辨率已经得到提高，并且校准有效。

(其他实施例)

本发明还可以通过经由网络或存储介质向系统或装置供给实现上述实施例的一个或更多个功能的程序、并使系统或装置中的计算机中的一个或更多个处理器读取并执行该程序来实现。作为另选方案，本发明也可以通过实现一个或更多个功能的电路(例如，ASIC)来实现。

也可以通过读出并执行记录在存储介质(例如，非临时性计算机可读存储介质)上的计算机可执行指令以执行本发明的上述实施例中的一个或更多个的功能的系统或装置的计算机，来实现本发明的实施例，并且，可以利用通过由所述系统或装置的所述计算机例如读出并执行来自所述存储介质的所述计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或更多个的功能而执行的方法，来实现本发明的实施例。计算机可以包括中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)或其他电路中的一个或更多个，并且可以包括分离的计算机或分离的计算机处理器的网络。所述计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质被提供给计算机。所述存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储器、光盘(诸如压缩光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)或蓝光光盘(BD)^TM)、闪存设备以及存储卡等中的一个或更多个。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然针对示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。下述权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。