专利名称：光声成像设备和光声成像方法
技术领域：
本发明涉 及光声成像设备和光声成像方法，在其中通过用光照射样本而从样本的内部产生的声波被检测，并且其检测信号被处理以便获得样本的内部的图像数据。
背景技术：
在医学领域中，用来自光源(诸如激光器)的光照射活体并且执行对基于入射光获得的活体的内部的信息成像的光学成像设备的研究正在积极地进行。光声层析成像术(PAT)是光学成像技术的一个示例。在光声层析成像术中，用从光源产生的脉冲光照射活体，并且检测由已经吸收了被传播通过活体/在活体中散射的脉冲光的能量的活体组织产生的声波(典型地为超声波)。也就是说，通过利用样本(诸如肿瘤)与除样本以外的组织的光能吸收率之间的差异，换能器接收在样本吸收照射样本的光能并且瞬时膨胀时产生的弹性波。通过数学上分析检测信号，可以获得活体的内部的光学特性分布，特别是吸收系数分布。这些信息项可被用于定量测量样本中的特定物质，诸如血液中包含的葡萄糖和血红蛋白。近年来，通过使用光声层析成像术，对小动物的血管执行成像的临床前研究以及应用该原理来诊断例如乳腺癌的临床研究正在积极地进行。在光声层析成像术中，通常，在数学上分析检测信号(重建图像)的过程中，样本的内部中的平均声速被用于计算。一般，基于例如实验值和参考值来设置在重建图像中使用的样本的内部中的平均声速。然而，由于样本处的声速取决于例如样本的保存方法和制成品，因此如果在重建图像中使用的平均声速不同于样本的内部中的实际声速，则在用于重建图像的计算中出现误差，由此显著地降低获得的图像的分辨率。这是因为一般使用的图像重建理论假设在成像区域中传播的声波的速度是恒定的。这是基于光声层析成像术的图像重建理论的原理的一个问题。讨论了使用PAT确定样本中的声速的技术的文献是PTL I。在PTL I中，分别获得在没有样本的情况下通过用光照射非常小的光吸收体(声发生器)产生的声波和通过用光照射样本产生的声波。该非常小的光吸收体被安装在安装样本的位置外面。通过将其信号互相比较并且分析它们，可以计算样本的内部的声速分布。已知的是，癌症的组织中的声速局部地不同于其附近的那些。通过使用根据该方法获得的图像，可以诊断样本。引文列表专利文献PTL I :欧洲专利 No. 193534
发明内容
然而，在PTL I中，目的是确定样本的内部中的声速分布。PTLl没有讨论或暗示关于确定样本的内部中的平均声速的任何事物。也就是说，PTL I的发明并不旨在克服基于上述PAT所特有的原理的问题。另外，PTL I甚至没有讨论该问题。为了确定样本中的声速，必须分别获得通过用光照射非常小的吸收体(布置在样本外侧)产生的光声波信号以及通过用光照射样本产生的光声波信号。结果，必须执行至少两个光声信号测量。因此，要求较长的直到形成图像数据的测量时间。此外，为了确定样本的内部中的声速分布，必须从多个方向获得上述的两个信号。因此，信号测量的数量以及测量时间被显著地增加。本发明基于这种现有技术和问题的理解来实现。本发明提供一种光声成像诊断，在其中可以根据在使用PAT执行通常的样本测量时获得的检测信号来容易地计算样本的内部中的平均声速，以便使用测量的平均声速来获得高分辨率的图像数据。问题的解决方案根据本发明，提供了一种光声成像设备，其包括检测器，被配置为通过检测通过利用光照射样本而在该样本的表面和内部处产生的声波来输出检测信号；以及信号处理单元，被配置为使用该检测信号来产生图像数据，其中，该信号处理单元通过使用在该样本的表面处产生并且传播通过该样本的内 部的声波的检测信号来计算在该样本的内部中的平均声速，并且使用该平均声速和在该样本的内部处产生的声波的检测信号来产生该图像数据。本发明的有益效果本发明可以提供一种光声成像设备，其可以通过接收在样本的表面处产生的并且传播通过样本的内部的光声波来容易地测量样本的内部中的平均声速。这使得可以使用实际测量的平均声速获得高分辨率的图像数据。
图I是根据本发明的第一实施例的光声成像设备的结构的示意图。图2是示出本发明的第一实施例中的示例性的检测信号处理操作的流程图。图3是本发明的第一实施例中的作为数字信号的示例性的检测信号的示意图。[图4A和图4B]图4A示出了在基于本发明的第一实施例的示例I中获得的图像；并且图4B示出了在假设样本的内部中的平均声速时与本发明无关地获得的图像。图5A是根据本发明第二实施例的光声成像设备的结构的示意图；图5B示出了在基于本发明的第二实施例的示例2中获得的检测信号；并且图5C示出了在示例2中获得的图像。图6是根据本发明的第三实施例的光声成像设备的结构的示意图。
具体实施例方式在下面将参考附图详细描述本发明。一般，对应的结构部件被给予相同的附图标记，并且不会重复相同的描述。第(1-1)个实施例光声成像设备首先，将参考图I描述根据一个实施例的光声成像设备的结构。根据该实施例的光声成像设备是对样本的内部的光学特性值信息执行成像的设备。根据该实施例的光声成像设备的基本硬件结构包括光源11、用作检测器的声波探头17和信号处理单元20。从光源11发出的脉冲光12被光学系统13引导，并且照射样本15 (例如，活体)，该光学系统13包括例如透镜、反射镜和光纤。当已经传播通过样本15的内部的光的能量的一部分被诸如血管之类的光吸收体14 (结果用作声源)吸收时，光吸收体14热膨胀，使得产生声波16 (典型地为超声波)。该声波也被称为光声波。声波16由声波探头17检测并且由信号获取单元19转换为数字信号，在其之后该数字信号被信号处理单元20转换为样本的图像数据。光源11当样本是活体时，光源11发射具有被活体的成分之中的特定成分吸收的特定波长的光。光源可以与根据该实施例的成像设备一体化地提供，或者可以与成像设备分离地提供。作为光源，期望的是使用可以产生从几纳秒到几百纳秒量级的脉冲光的脉冲光源。更具体地说，为了有效地产生声波，使用10纳秒量级的脉冲宽度。虽然作为光源期望的是使用激光器(因为获得大输出)，但是可以使用例如发光二极管代替激光器。作为激光器，可以使用各种激光器类型，诸如固态激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。照射时 间、波形、强度等由控制器(未示出)控制。在本发明中，对于使用的光源的波长，期望的是选择由在活体的表面处的皮肤特征地吸收的波长。更具体地说，选择在从500nm到1200nm的范围内的波长。这是因为，在下述的处理操作中，变得更容易区分在样本的表面(例如，皮肤)处产生的光声信号和在样本的内部中的光吸收体(诸如血管)处产生的光声信号。光学系统13虽然从光源11发射的光12典型地由光学组件(诸如透镜和反射镜)引导到样本，但是可以使用例如光导(诸如光纤)来传播光。光学系统13包括例如反射光的反射镜以及会聚和放大光并且改变光的形状的透镜。任何光学组件可以被使用，只要它使得从光源发射的光12以预定的形状照射样本15即可。一般，从增大安全性以及增大活体的诊断区域的观点来看，最好是利用透镜使光的区域一定程度地增大而不是将该光会聚。另外，期望的是用光照射的样本的区域是可移动的。换句话说，期望的是根据本发明的成像设备被形成为使得从光源产生的光是可沿着样本移动的。当光可沿着样本移动时，可以用光照射更宽的范围。此外，更期望的是，用光(即，照射样本的光)照射样本的区域是可与声波探头17同步地移动的。移动用光照射样本的区域的方法的示例是使用例如可移动的反射镜的方法以及机械地移动光源本身的方法。样本和光吸收体样本和光吸收体没有构成根据本发明的成像设备的一部分，但是下面将被描述。根据本发明的光声成像设备主要被设置用于例如诊断人类和动物的恶性肿瘤、血管疾病等、以及观察化学治疗过程。作为样本，可以诊断活体，更具体地说，人类和动物的胸部、手指、手、腿等。样本的内部中的光吸收体14具有样本的内部中的相对高的吸收系数。例如，如果待测量物体是人体，则氧合的血红蛋白、去氧的血红蛋白、包括大量这些物质的血管和包括大量新生血管的恶性肿瘤与光吸收体对应。虽然未示出，但是存在于皮肤的表面附近的黑色素作为样本的表面处的光吸收体存在。在本发明中，“活体信息”指的是通过光照射产生的声波的产生源分布，并且指示活体中的初始声压分布、从其中推导的光能吸收密度以及从这些信息项获得的构成组织的物质的浓度分布。例如，物质的浓度分布包括氧饱和度。已经经受成像的这些信息项被称为图像数据。声波探头17作为检测使用脉冲光在样本的内部和表面处产生的声波的检测器的声波探头17检测声波并且将声波转换成作为模拟信号的电信号。声波探头17在下面可以被简单称为“探头”或者“换能器”。任何光声波检测器可以被使用，只要它可以检测声信号即可，诸如利用压电现象的换能器、利用光的谐振的换能器以及利用电容变化的换能器。该实施例中的探头17典型地包括一维地或者二维地布置的多个接收元件。通过以这种方式使用多维地布置的元件，可以同时地在多个位置处检测声波，以便减少检测时间，并且减少例如样本的振动的影响。
平板I8在该实施例中，样本15被平板18a挤压并且固定。通过平板18a执行光照射。平板18a保持样本，并且由用于使光透射通过其的光学透明材料形成。典型地，使用压克力(acryl)0当它还必须透射声波时，为了抑制反射，期望的是使用其声阻抗没有与样本的声阻抗有较大不同的材料。当样本是活体时，典型地使用例如聚甲基戊烯。虽然平板18a可以被形成为任何厚度，只要平板18a足够坚固来抑制在平板18a保持样本时平板18a的变形即可，但是该厚度典型地为IOmm的量级。虽然平板18a可以具有任何尺寸，只要它可以保持样本即可，但是平板18a的尺寸基本上与样本的尺寸相同。虽然在图I中平板18a仅仅被设置在光照射侧并且探头17直接接触样本15，但是平板可以沿着探头17的整个表面被设置。也就是说，样本可以由基本上彼此平行地布置的第一平板和第二平板从两侧挤压和固定。光源被布置在第一板18a—侧，并且探头17被布置在第二板(在图I中未示出)一侧。信号获取单元19期望的是根据该实施例的成像设备包括信号获取单元19，该信号获取单元19放大从探头17获得的电信号并且将电信号从模拟信号转换为数字信号。信号获取单元19典型地由例如放大器、A/D转换器和现场可编程门阵列(FPGA)芯片形成。当存在从探头获得的多个检测信号时，期望的是多个信号被同时处理。这使得可以减少直到形成图像的时间。在本说明书中，术语“检测信号”为指的是从探头17获得的模拟信号以及在模数转换之后其后获得的数字信号的概念。另外，检测信号还被称为“光声信号”。信号处理单元20信号处理单元20计算样本的内部中的平均声速。该计算是本发明的特性特征。使用从样本的内部处产生的声波获得的检测信号以及以上计算的平均声速，产生样本的内部的图像数据(也就是说，重建图像)。虽然稍后更详细地描述，但是基于从在样本的表面处产生并且传播通过样本内部的声波(第一声波)获得的检测信号计算平均声速是本发明的特性特征。在基于传播通过样本内部的声波实际计算平均声速中，计算值是样本的内部中的平均声速的实际测量值。由于通过用光照射样本在样本的表面和内部两者处产生声波，因此在利用一些想法执行信号处理时，可以通过一个光照射操作来计算平均声速并且产生样本的内部的图像数据。在信号处理单元20中，典型地使用例如工作站。基于先前编程的软件执行平均声速的计算、图像重建处理等。例如，在工作站中使用的软件包括两个模块，即，用于根据检测信号确定平均声速和用于减少噪声的信号处理模块以及用于图像重建的图像重建模块。在光声层析成像术中，通常，作为在图像重建之前执行的预处理操作，对在每个位置处接收的信号执行例如噪声减少。期望的是利用信号处理模块执行这种预处理操作。在图像重建模块中，图像数据由图像重建形成。作为图像重建算法，应用例如通常在层析成像技术中使用的傅里叶域或者时域中的反投影方法。使用PAT的示例性的图像重建方法典型地包括傅里叶变换方法、通用的反投影方法以及滤波反投影法。由于这些方法也使用平均声速作为参数，因此期望的是在本发明中准确地实际测量平均声速。根据情况，信号获取单元19和信号处理单元20可以被彼此集成。在该情况下，可以不仅通过在工作站处执行的软件处理操作而且通过硬件处理操作来产生样本的图像数据。显示设备21显示设备21显示由信号处理单元20输出的图像数据。例如，液晶显示设备典型 地用作显示设备21。显示设备21可以与根据本发明的诊断成像设备分离地被设置。检测信号的处理接下来，将参考图2和图3描述由信号处理单元20执行的样本的内部中的平均声速的计算。下面的数字对应于指示图2中的处理步骤的数字。处理步骤(I) (S201)是在其中检测信号数据被分析以便计算从用脉冲光照射持续到检测到第一声波的第一时间(tsurfacJ的步骤。从图I所示出的信号获取单元19获得的数字信号(参见图3)被分析以便指定第一时间(tsurfacJ。通常，在用脉冲光照射样本15时，如图3所示，观察到具有N型形状的多个信号。这些信号主要是从在存在于样本内部的光吸收体14 (在活体的情况下，诸如血液)处和在样本的表面(在活体的情况下，诸如皮肤的表面上的色素)处产生的光声波获得的检测信号。在用光照射的样本的表面处产生相对大的光声波的理由在于，即使样本的表面的光吸收系数小，用于照射样本的表面的光的强度也比在样本的内部处的强度大。在图3所不出的不例中，附图标记A表不根据从存在于样本的内部的光吸收体14产生的光声波获得的检测信号，并且附图标记B表示从在样本的表面处产生的光声波获得的检测信号。在图3中，脉冲光照射的时刻t是O。如果考虑光速和样本的尺寸，则可以说在执行用脉冲光的照射的同时，从它们的各个位置同时地产生光声波。也就是说，脉冲光传播通过样本的内部的时间少至与声波的传播时间(即，声波的测量时间)相比是可忽略的。在下面将描述区分在样本的内部中产生的光声信号A和在样本的表面处产生的光声信号B的方法。在该实施例中，从固定到挤压板18a的样本的表面产生第一声波。当如图I所不地将探头17布置在样本的与光学照射区域相对的一侧的表面处时,在样本的表面处产生的光声波比从样本的内部中的光吸收体14产生的光声波更迟到达探头17。通过利用该特性，可以容易地将它与其它光声信号(例如图3中的A)区分开。也就是说，能够确定最后检测到的大的光声波是第一声波。如果用光照射的样本的表面通过例如如在该实施例中的平板被形成为如图I所示的平坦表面，则从样本的表面产生的光声波像平面波一样传播。与此对比，由于样本的内部中的光吸收体足够地小于光学照射区域，因此光声波16通常像球面波一样传播。图I中的虚线A和B表示光声波的波面。考虑这种传播特性的差异，期望的是执行用于增强从在样本的表面处产生的声波获得的检测信号的信号处理。这使得可以精确地检测第一声波，使得计算平均声速的精确度增大。下面描述该处理的具体的示例。例如，可以相互比较通过多个接收元件检测的检测信号。当多个接收元件接触样本的表面时，平面波在基本上相同的时刻到达多个接收元件。然而，球面波在不同的时刻到达多个接收元件。因此，这种比较使得可能将从样本的表面产生的声波与从样本的内部产生的声波区分开。在各个接收元件处检测的所有检测信号可以在所有接收元件处被平均。术语“所有检测信号”意指通过接收表面处的光声波和样本的内部处的光声波两者获得的所有检测信号。在该处理中，在多个接收兀件处，来源于来自样本的表面的声波并且同时检测到的检测信号被加强，并且来源于来自样本的内部的声波并且在不同的时刻检测到的检测信号被减弱。即使对于包括例如噪声的信号，也可以仅仅指定在样本的表面处产生的光声信号。
作为指定从在样本的表面处产生的声波获得的检测信号的方法，可以使用利用模式匹配的方法。例如，模式匹配被执行以便指定从样本的表面产生的声波所特有的N型检测信号，并且指定的N型检测信号的时间位置被定义为第一时间tsurf_。更具体地说，在最小峰值或者最大峰值处的N型信号的时间位置被定义为tsurf_。在使用上述方法减少除从由样本的表面产生的声波获得的检测信号以外的检测信号之后，例如，可以使用通过搜索最大值和最小值来检测从在样本的表面处产生的声波获得的N型检测信号的峰值的方法。即使在该方法中，在最小峰值或者最大峰值处的N型信号的时间位置也被定义为tsurt■。通过例如上述方法，可以计算第一时间tsmfaM。在根据从样本的表面产生的声波获得的N型检测信号的最大峰值和最小峰值处的时间位置之中，这些时间位置中的哪个是第一时间取决于探头的特性。处理步骤⑵(S202)是根据第一时间(tsurfaJ和样本的表面与检测器之间的距离来计算样本的内部中的平均声速的步骤。根据通过上述处理获得的第一时间(tsurfaJ以及在光照射位置处的样本的表面与探头之间的距离Cl1来计算样本的平均速度cav6Mg6。这里，平均速度cav6Mg6可以通过下面给出的简单的表达式(I)来获得Caverage=B1/tsurface (I)在其中探头17被直接设置在样本15上的实施例中，在第一时间(tsmfac;e)上第一声波仅仅传播通过样本的内部，使得可以使用上述表达式计算平均声速。这意味着可以通过使用在样本的表面处产生并且传播通过样本的内部的声波来实际测量样本的平均声速。在图I所示出的实施例中，距离Cl1是从固定到第一板18a的样本的表面到探头的距离。距离Cl1可以作为已知值被包括在该实施例中的信号处理模块中，或者可以是可通过可移动板18a的位置控制而测量的。距离Cl1可以是可利用任何距离传感器测量的，或者可以从利用例如可以对整个样本执行成像的照相机执行的样本的形状的测量的结果获得。处理步骤(3) (S203)是通过使用计算的平均声速处理在样本的内部处产生的声波的检测信号以便形成样本的内部的图像数据的步骤。通过使用通过处理步骤(2)获得的平均声速Caverage以及从信号获取单元19输出的多个数字检测信号来执行图像重建处理，使得形成与样本的光学特性有关的数据。例如，在一般的光声层析成像术中使用的傅里叶域或者时域中的反投影是合适的。通过执行上述步骤，可以通过仅仅使用通过用光照射样本获得的信号容易地计算平均声速，并且通过在图像重建中使用该平均声速来获得其分辨率没有由于声速的差别而降低的图像。
示例 I将使用图I中示出的设备的示意图来描述应用有该实施例的使用光声层析成像术的示例性成像设备。在该示例中，作为光源11，使用产生1064nm波长处的约10纳秒的脉冲光的Q开关YAG激光器。从脉冲激光12发射的光脉冲的能量为0.6J。使用光学系统13 (诸如反射镜和光束扩展器)，脉冲光被扩展为约2cm的半径。活体的模型(phantom)或模拟被用作样本15。对于模型，使用具有明胶的1%英脱利匹特(Intralipid)。模型中的平均声速是1512m/sec的已知值。模型的尺寸为如下，即其宽度为12cm,其高度为8cm,并且其深度为4cm。作为光吸收体14，具有0. 03cm直径的黑色橡胶丝被埋置在模型的中心附近。作为将模型放入探头17与具有Icm的厚度的压克力板18a之间的结果，使用距离传感器获得的模型的深度方向上的厚度(Cl1)为4cm。用脉冲光12照射在深度方向上具有这种指定厚度的模型。作为声波探头17，使用由锆钛酸铅(PZT)形成的超声换能器。换能器为二维阵列类型并且是方形的，其中元件的数量为18X18，并且元件间距为2mm。每个元件的宽度为大约2mm。光声探头可与光照射区域同步地在模型的平面的方向上移动，并且能够对 较大区域执行成像。如图I所示，当在模型的一侧(即，模型的与探头相对的一侧)的平面被脉冲光照射时，通过在模型的光照射侧的表面处的光吸收产生的光声波和通过由橡胶丝吸收在模型中散射的光而产生的光声波被产生。通过使用该超声换能器，由324个通道同时接收光声波。通过使用包括放大器、AD转换器和FPGA的信号获取单元19，获得在每个通道处的光声信号的数字数据。为了提高每个信号的S/N比，执行利用激光的照射36次，以便将获得的所有检测信号在时间方面求平均。其后，获得的数字数据段被传送到用作信号处理单元20的工作站(WS)并且存储在WS中。接下来，对于所存储的接收数据，将对于所有元件的接收的数据段求平均。结果如下。由于对于从模型中的光吸收体产生的光声信号，对于各个元件的各个接收的数据段的检测时刻彼此不同，因此这些光声信号由于求平均而被显著地减小。与此对比，由于对于在样本的表面处产生的光声信号，对于各个元件的各个接收的数据段的检测时刻基本上相同，因此这些光声信号通过求平均而相对于其它信号被增强。接下来，对于所有检测信号的平均信号，检测到最小信号值，使得与最小值对应的时间被定义为在样本的表面处产生的光声信号的检测时间。结果，获得的检测时间大约为26. 5微秒。从检测时间和模型在深度方向上的厚度获得的模型中的平均声速为1510m/sec。这基本上匹配模型中的实际声速。在通过离散小波变换对检测信号执行噪声减少操作之后，通过使用计算出的模型中的平均声速来执行图像重建。这里，通过使用作为时域方法的通用反投影方法，形成体数据。这里使用的体元间隔为0.05cm。成像范围为11.8cmX11.8cmX4. 0cm。此时获得的示例性图像被示出在图4A中。接下来，在没有测量模型中的平均声速的情况下，假设模型中的平均声速等于1540m/sec，对应于活体中的平均声速，并且使用存储在WS中的检测信号数据段来再次执行图像重建。此时获得的示例性图像被示出在图4B中。比较图4A和图4B，明显的是，对于经受在1510m/sec的平均声速处的图像重建的图像而言的由橡胶丝产生的初始声压的宽度比对于经受在1540m/sec的平均声速处的图像重建的图像时的小。另外,经受在1510m/sec的平均声速处的图像重建的图像具有更少的污点。换句话说，它的分辨率提高。因此，当不能估计样本中的平均声速时，在本发明中，可以通过实际测量样本中的平均声速来抑制分辨率的降低。第(1-2)个实施例在第(1-1)个实施例中，探头17被直接设置在样本15处。然而，在本实施例中，假设样本在其各侧处由基本上彼此平行布置的第一平板和第二平板挤压和固定。探头17被设置在第二平板的表面处。在该情况下，在由第一板固定的样本的表面处产生的声波被定义为第一声波。由于第一声波不仅在它传播通过样本的内部之后而且在它传播通过第二板之后由探头17接收，因此在第(1-1)个实施例中说明的第一时间(tsurfaJ不再是第一声波穿过样本的内部所花费的时间。因此，当除样本的内部以外的区域被包括在平均声速的计算不可缺少的第一声波直到它到达探头17所经过的路径中时，必须考虑这个来确定平均声速。更具体地说，从第一时间(tsurfacJ中减去第一声波穿过第二板所需的时间，使得计算第一声波穿过样本的内部所需的第二时间。“第一声波穿过第二板所需的时间”可以作为根据第二板的厚度和第二板中的声速(从材料获得的特性值)的已知值被包括在信号处理 模块中。样本的内部中的第一声波的传播距离可以与第一板和第二板之间的距离d2相等。如果在表达式(I)中第二时间代替第一时间(tsurfJ并且d2代替距离Cl1，则可以实际测量样本中的平均声速。第二实施例在第一实施例中，通过仅仅使用从一个位置产生的声波(第一声波)来计算平均声速。在第二实施例中，通过使用在样本的多个表面处产生的声波来计算平均声速。也就是说，根据从第一声波和第二声波获得的检测信号来计算平均声速，第二声波产生在与产生第一声波的样本的表面不同的样本的表面处。这将在下面基于不例2进行描述。示例2将参考图5A描述其中在使用光声层析成像术的成像设备中激光被用于从两个方向照射的示例2。根据示例2的成像设备的基本结构除了样本15被放入两个板18a和18b之间以便调整样本的尺寸之外与根据示例I的成像设备的基本结构相同。也就是说，通过控制板之间的间隔来调整样本的尺寸。每个板的厚度为lcm。样本可以从探头17—侧通过板18b和沿与示例I中相同的方向被照射。使用的模型是具有与氨甲酸乙酯橡胶混合的墨和氧化钛的一个模型。模型的尺寸为如下，即其宽度为8cm，其高度为8cm，并且其深度为5cm。具有直径为0. 5cm的柱状并且作为混合大量墨的结果而相对于基体材料具有高吸收系数的光吸收体被埋置在模型中。作为将模型放入这两个板之间的结果，使用距离传感器获得的模型的深度方向上的厚度为4. 9cm。用脉冲光12从模型的两侧照射以该方式调整其在深度方向上的厚度的模型。两个光源同步地发射脉冲光。作为探头17，使用由锆钛酸铅(PZT)形成的超声换能器。换能器为二维阵列类型并且是方形的，其中元件的数量为
15X 23，并且元件间距为2mm。每个元件的宽度为大约2mm。作为用光照射这种模型的结果，从由第一板18a和第二板18b固定的模型的表面产生第一声波和第二声波，并且还从模型中的光吸收体产生声波。超声换能器在345个通道处同时地接收这些声波。然后，通过使用包括放大器、AD转换器和FPGA的信号获取单元19，获得在所有通道处的光声信号的数字数据项。示例性的接收到的信号被示出在图5B中。图5B中的附图标记B表示在模型的探头侧表面处产生的声波(第二声波)的检测信号。附图标记A表示在模型中的光吸收体处产生的光声波的检测信号。附图标记B’表示作为用光照射的结果的在模型的与探头相对的一侧的表面处产生的光声波(第一声波)的检测信号。第一声波穿过模型的内部和第二板18b，并且到达探头17。与此对比，第二声波没有穿过模型的内部。第二声波仅仅穿过第二板18b，并且到达探头17。第一声波穿过第二板花费的时间和第二声波穿过第二板花费的时间相同。因此，如果计算出第一 和第二声波的检测时刻之间的差(即，B和B’之间的35. 8微秒的时间差)，则获得第一声波仅仅穿过模型的内部花费的时间。当通过将该时间除以4. 9cm (即，模型的表面之间的距离)来计算模型中的平均声速时，它是1370m/sec。接下来，通过使用根据在所有通道处的光声信号的接收的数字数据段计算的平均声速，执行图像重建。在这里，通过使用作为时域法的通用的反投影方法形成体数据。在这时候使用的体元间隔是0. 025cm。成像范围是3. OcmX4. 6cmX4. 9cm。在这时候获得的示例性的图像被示出在图5C中。在该图像中，布置在模型中的光吸收体经受成像。其位置匹配模型中的光吸收体的实际位置。当光吸收体的图像被分析时，分辨率大约为2_，其基本上匹配2mm的理论分辨率极限。因此，当样本中的平均声速未知时，可以通过使用本发明获得其分辨率没有降低的图像。在这样的实施例中，可以通过将第一声波的检测时刻与第二声波的检测时刻之间的差除以产生第一声波的样本的表面与产生第二声波的样本的表面之间的距离来计算平均声速。当第一声波和第二声波直到它们到达探头17为止采用的路径为公共的，并且第一和第二声波采用的路径的长度之间的差对应于样本的内部的长度时，该计算方法是有效的。在该实施例中，由于可以通过使用第一声波的检测时刻和第二声波的检测时刻之间的差来计算平均声速，因此没有必要如第一实施例中那样精确地知道使用脉冲光照射的时刻。因此，从不受由外界因素(诸如光源系统的不稳定性)所引起的测量误差的影响的观点来看，该实施例是有利的。虽然在本实施例中第二板18b不是必需的，但是即使第二板18b沿着探头17的整个表面存在，也通过用于消除时间差的操作抵消声波穿过第二板18b花费的时间。因此，不要求如第(1-2)个实施例中那样的校正。在该实施例中，不是必须如示例2中那样照射样本的两侧。可以如第一实施例中那样仅仅照射样本的一侧。当照射一侧时，照射固定到第一板的样本的表面的光可以在被衰减的同时传播通过样本的内部，并且到达样本的在相对侧的表面。在该情况下,可以从样本的在相对侧的表面产生非常弱的第二声波。然而，如果样本的厚度是4cm量级，则即使从可靠地消除时间差的观点来看，第二声波也必须具有一定的强度。因此，期望的是从两侧照射样本。在该实施例中，不需要示例2中的距离传感器。在产生第一声波的样本的表面与产生第二声波的样本的表面之间的距离可以是已知的距离。第三实施例虽然在第一和第二实施例中至少一个平板18a被用来固定样本，但是本发明不限于此。下面将描述其中通过在其形状不由板调整的样本处设置探头17来实现测量的示例3。示例3将参考图6所示出的设备的示意图描述示例3。根据该示例的设备的基本结构与示例I和2的设备的基本结构类似。然而，根据示例3的设备包括测量样本的形状的照相机22。使用照相机22捕获样本。根据其图像的分析，计算在探头17和光照射区域之间的距离d3。由于在样本的表面处产生的声波在它到达探头17之前仅仅穿过样本的内部，因此可以使用在第(1-1)个实施例中示出的表达式(I)。代替距离Cl1，距离d3被输入，以便计算平均声速。然后，通过使用计算的平均声速，重建关于样本的活体的信息。因此，即使样本的形状复杂，只要样本的形状可以通过使用照相机而确认，也可以计算样本中的平均声速 并且获得其分辨率没有降低的图像。第四实施例本发明通过执行以下的操作来执行。即，通过网络或各种存储介质将用于实现上述实施例中的功能的软件(程序)提供给系统或设备，并且系统或设备的计算机(或CPU、MPU等)读出并执行该程序。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2月8日提交的日本专利申请No. 2010-025864的权益，该日本专利申请其整体通过参考被并入于此。附图标记列表11 光源17声波探头18 平板20信号处理单元
权利要求
1.一种光声成像设备，包括 检测器，被配置为通过检测通过利用光照射样本而在该样本的表面和内部处产生的声波来输出检测信号；以及 信号处理单元，被配置为使用该检测信号来产生图像数据， 其中，该信号处理单元通过使用在该样本的表面处产生并且传播通过该样本的内部的声波的检测信号来计算在该样本的内部中的平均声速，并且使用该平均声速和在该样本的内部处产生的声波的检测信号来产生该图像数据。
2.根据权利要求I所述的光声成像设备，其中该信号处理单元根据该样本的表面与该 检测器之间的距离并且根据从用脉冲光照射样本时到检测到声波之中的第一声波时的时间来计算该样本的内部中的平均声速。
3.根据权利要求I所述的光声成像设备，其中该信号处理单元根据从该检测器基于在声波之中的第一声波和在声波之中的第二声波获得的检测信号来计算该样本的内部中的平均声速，第二声波被产生在与产生第一声波的样本的表面不同的样本的表面处。
4.根据权利要求3所述的光声成像设备，其中该信号处理单元通过将第一声波的检测时刻与第二声波的检测时刻之间的差除以产生第一声波的样本的表面与产生第二声波的样本的表面之间的距离来计算该样本的内部中的平均声速。
5.根据权利要求I到4中的任何一个所述的光声成像设备,其中考虑到对于从在该样本的内部和表面处产生的声波的检测获得的所有检测信号，在该样本的表面处产生的声波与在该样本的内部处产生的声波之间的传播特性的差异，该信号处理单元执行用于增强从在该样本的表面处产生的声波获得的检测信号的处理，指定从在该样本的表面处产生的声波获得的检测信号，并且根据该检测信号计算该样本的内部中的平均声速。
6.根据权利要求5所述的光声成像设备，其中该检测器包括多个接收元件，并且该处理对应于将在该检测器的多个接收元件处检测到的所有检测信号的数据项求平均。
7.根据权利要求I所述的光声成像设备，还包括 第一平板和第二平板，被布置为基本上相互平行并且被配置为从该样本的两侧挤压和固定该样本， 其中第一光源被布置在第一平板一侧，并且该检测器被布置为接触第二平板，以及 其中在由第一平板固定的样本的表面处产生的声波对应于在声波之中的第一声波。
8.根据权利要求7所述的光声成像设备，其中该信号处理单元根据固定到第一平板的样本的表面与该检测器之间的距离并且根据从用脉冲光照射样本时到检测到第一声波时的第一时间来计算该样本的内部中的平均声速。
9.根据权利要求8所述的光声成像设备，其中该信号处理单元通过从第一时间中减去第一声波穿过第二板所花费的时间来计算第一声波穿过该样本的内部所需的第二时间，并且通过将第二时间除以第一平板与第二平板之间的距离来计算该样本的内部中的平均声速。
10.根据权利要求I所述的光声成像设备，其中该信号处理单元通过将第一声波的检测时刻与第二声波的检测时刻之间的差除以产生第一声波的样本的表面与产生第二声波的样本的表面之间的距离来计算该样本的内部中的平均声速，第一声波和第二声波是从由第一板和第二板固定的样本的表面产生的，检测时刻是由该检测器检测的。
11.根据权利要求10所述的光声成像设备，其中与第一光源同步地产生光的第二光源被布置在第二板一侧。
12.—种光声成像方法，在其中通过检测通过利用光照射样本而在该样本的表面和内部处产生的声波来输出检测信号，并且使用该检测信号来产生图像数据，该方法包括如下步骤 通过使用在该样本的表面处产生并且传播通过该样本的内部的声波的检测信号来计算在该样本的内部中的平均声速，以及 使用该平均声速和在该样本的内部处产生的声波的检测信号来产生该图像数据。
13.一种程序，执行根据权利要求12所述的光声成像方法的各个步骤。
全文摘要
一种光声成像设备包括检测器(17)，其通过检测通过利用光照射样本(15)而在该样本的表面和内部处产生的声波来输出检测信号；以及信号处理单元，使用该检测信号来产生图像数据。该信号处理单元通过使用在该样本的表面处产生并且传播通过该样本的内部的声波的检测信号来计算在该样本的内部中的平均声速，并且使用该平均声速和在该样本的内部处产生的声波的检测信号来产生该图像数据。
文档编号G01N29/24GK102740776SQ201180008210
公开日2012年10月17日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月8日
发明者浅尾恭史, 福谷和彦 申请人:佳能株式会社