CN106889972A - 光声装置、信息获取装置和信息获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光声装置、信息获取装置和信息获取方法。一种光声装置包括：被配置为用光照射被检体的光照射单元；被配置为将从被来自光照射单元的光照射的被检体产生的光声波转换成电信号的接收单元；被配置为获取被检体的光学系数信息的光学系数获取单元；被配置为通过使用由光学系数获取单元获取的光学系数信息获取被检体的声速信息的声速获取单元；以及被配置为通过使用电信号和声速信息获取被检体信息的被检体信息获取单元。
Description
技术领域
本发明涉及光声装置、信息获取装置和信息获取方法。
背景技术
已提出估计诸如活体的被检体的声速信息的装置的临床应用。作为估计被检体的声速信息的方法，PCT日本翻译专利公开No.2010-512940提出从穿过活体的超声的测量结果估计活体中的声速的方法。
发明内容
本发明提供获取声速信息的新方法。
本发明提供一种光声装置，该光声装置包括：被配置为用光照射被检体的光照射单元；被配置为将从被来自光照射单元的光照射的被检体产生的光声波转换成电信号的接收单元；被配置为获取被检体的光学系数信息的光学系数获取单元；被配置为通过使用通过光学系数获取单元获取的光学系数信息获取被检体的声速信息的声速获取单元；以及被配置为通过使用电信号和声速信息获取被检体信息的被检体信息获取单元。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。在根据需要或者有利于在单个实施例中将各实施例的特征或要素组合的情况下，以下描述的本发明的各实施例能够单独实施或者作为各实施例或特征的组合来实施。
附图说明
图1是表示根据第一实施例的光声装置的构成的示意图。
图2是表示根据第一实施例的计算机的特定例子的示图。
图3是根据第一实施例的光声装置的操作的流程图。
图4A和图4B是分别表示声速和光学系数的计算结果的例子的示图。
图5A和图5B是分别表示声速与光学系数之间的关系式(线性函数近似式)的图示的曲线图。
图6A和图6B是分别表示声速与光学系数之间的关系式(立方函数近似式)的图示的曲线图。
图7A和图7B是分别表示声速与光学系数之间的关系式(对数函数近似式)的图示的曲线图。
图8A和图8B是分别表示声速与光学系数之间的关系式(两个线性函数近似式)的图示的曲线图。
图9是表示乳腺密度的各类别的声速与光学系数之间的关系的示图。
图10是根据第三实施例的光声装置的操作的流程图。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明的优选实施例。以下描述的部件的尺寸、材料和形状以及部件的相对布置等应根据应用本发明的装置的构成和各种条件适当地改变。由此，不是要将本发明的范围限于以下给出的描述。
第一实施例
在本实施例中，描述通过新方法获取的声速信息用于光声成像(PAI)的例子。
光声装置用脉冲光照射被检体，接收作为被检体中的组织吸收照射光的能量的结果产生的光声波(超声)，并且产生光声波的产生声压(初始声压)分布。此时，由于光声装置基于光声波的接收信号产生初始声压分布，因此，光声装置需要声波的传播路径中的声速。即，光声装置需要光声波在被检体中传播时的声速(被检体的声速信息)。
鉴于此，在本实施例中，描述获取用于光声成像的被检体的声速信息的新方法。在本实施例中，基于发明人发现的光学系数信息与声速信息之间的关系获取被检体的声速信息。
例如，通过用于根据本实施例的光声成像中获取的信息为光吸收系数或与构成被检体的物质的浓度有关的信息。例如，与物质的浓度有关的信息是氧合血红蛋白的浓度、还原血红蛋白的浓度、总血红蛋白的浓度或者氧饱和度。总血红蛋白的浓度是氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度的总和。氧饱和度是氧合血红蛋白与所有血红蛋白的比。在本实施例中，获取代表被检体的各位置(例如，二维或三维空间中的各位置)处的上述信息的值的分布信息和被检体的上述信息的代表值(平均值或另一值)作为被检体信息。
图1是表示根据本实施例的光声装置的示意图。光声装置包括光照射单元100、保持单元300、接收单元400、驱动单元500、信号数据收集单元600、计算机700、显示单元800和输入单元900。测量对象是被检体1000。
光照射单元100包含发射光的光源110和将从光源110发射的光引导到被检体1000的光学系统120。
可能希望光源110是可产生纳秒到微秒的量级的脉冲光的脉冲光源。光的脉冲宽度可以为约1纳秒～约100纳秒。并且，光的波长可以处于约400nm～约1600nm的范围中。如果以高的分辨率将活体的表面附近的血管成像，那么可以使用在很大程度上被血管吸收的波长(处于400nm～700nm的范围中)。相反，如果活体的深部被成像，那么可以使用一般很少被活体的背景组织(例如，水和脂肪)吸收的波长(处于700nm～1000nm的范围中)。
对于光源110，可以使用激光器或者发光二极管。此外，当通过使用多个波长的光执行测量时，可以使用波长可变光源。如果用多个波长照射被检体，那么可以准备产生相互不同的波长的光的多个光源，并且，可交替地用来自各光源的光照射被检体。即使使用多个光源，光源也被统一表达为光源。对于激光器，可以使用包括固态激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器的各种激光器中的任一种。可能希望使用诸如Nd：YAG激光器或者紫翠玉激光器的脉冲激光器。作为替代方案，可以使用使用Nd：YAG激光作为激励光的Ti：sa激光器或者光学参数振荡器(OPO)激光器。
光学系统120可使用诸如透镜、镜子、以及光纤等的光学元件。当乳房等用作被检体1000时，希望扩展并且照射脉冲光的束径，由此，光学系统120的发光部分可由扩散光的扩散板等构成。相反，在光声显微镜中，为了增加分辨率，光学系统120的发光部分可由透镜等构成，并且，可以聚焦并且照射射束。
作为替代方案，光照射单元100可以不包含光学系统120，并且，光源110可直接用光照射被检体1000。
保持单元300
保持单元300用于在测量期间保持被检体的形状。由于保持单元300保持被检体1000，因此，被检体的移动可被限制，并且，被检体1000的位置可保持于保持单元300内。对于保持单元300的材料，可以使用PET等。
可能希望保持单元300由具有可保持被检体1000的一定硬度的材料形成。保持单元300可由透过用于测量的光的材料形成。保持单元300可由具有基本上与被检体1000的阻抗相当的阻抗的材料形成。如果诸如乳房的具有曲面的被检体用作被检体1000，那么保持单元300可成形为凹形。在这种情况下，被检体1000可被插入于保持单元300的凹陷部分中。
但是，根据本实施例的光声装置可以不包含保持单元300。此外，根据本实施例的光声装置可以不包含保持单元300，而是可具有允许插入乳房的开口。
接收单元400
接收单元400包含接收元件组410和支撑接收元件组410的支撑体420。接收元件组410包含接收声波并且输出电信号的接收元件411～414。
构成接收元件411～414中的每一个的部件可使用以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷材料或者以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的聚合物压电膜材料。作为替代方案，可以使用压电元件以外的元件。例如，可以使用电容换能器(电容微加工超声换能器(CMUT))或者可以使用Fabray-Perot干涉计的换能器。应当注意，只要接收元件可接收声波并且输出电信号，就可以使用任何换能器作为接收元件。
支撑体420可由金属材料或者具有高的机械强度的其它材料形成。在本实施例中，支撑体420具有半球壳形状，并且，被配置为在半球壳上支撑接收元件组410。在这种情况下，各接收元件的方向轴收于半球的曲率中心附近的位置。当通过使用从这些接收元件输出的电信号组执行成像时，曲率中心附近的位置处的图像质量高。但是，只要支撑体420可支撑接收元件组410，支撑体420就可具有任何构成。
信号数据收集单元600
信号数据收集单元600包含放大作为从接收元件411～414中的每一个输出的模拟信号的电信号的放大器和将从放大器输出的模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。从信号数据收集单元600输出的数字信号存储于计算机700中的存储器710中。信号数据收集单元600也被称为数据获取系统(DAS)。在本说明书中，电信号是包含模拟信号和数字信号的概念。
计算机700
计算机700包含存储器710、光学系数获取单元720、初始声压获取单元730、声速获取单元740、光能量密度获取单元750、光吸收系数获取单元760、控制单元770和浓度获取单元780。
存储器710可由诸如磁盘或快擦写存储器的非暂时性存储介质构成。作为替代方案，存储器710可以为诸如动态随机存取存储器(DRAM)的易失性介质。应当注意，存储程序的存储介质是非易失性存储介质。
具有运算功能的单元，诸如光学系数获取单元720、声速获取单元740、初始声压获取单元730、光能量密度获取单元750、光吸收系数获取单元760和浓度获取单元780可分别由作为CPU或者图形处理单元(GPU)的处理器、或者诸如现场可编程门阵列(FPGA)芯片的运算电路构成。这些单元中的每一个可以不是由单个处理器或单个运算电路构成，而是可以由多个处理器或多个运算电路构成。
控制单元770由诸如CPU的运算元件构成。控制单元770通过诸如来自输入单元900的成像开始的各种操作来接收信号，并且控制光声装置的各构成。此外，控制单元770读出存储于存储器710中的程序代码，并且控制光声装置的各构成的操作。
计算机700是存储从信号数据收集单元600输出的数字信号并且基于存储的数字信号获取被检体信息的设备。将在后面详细描述由计算机700执行的处理。
应当注意，计算机700的各功能可由不同的硬件构成。作为替代方案，接收单元400、信号数据收集单元600和计算机700可由单件硬件构成。作为又一替代方案，各构成的至少多个部分可由单件硬件构成。例如，接收单元400和信号数据收集单元600可由单件硬件构成。
图2表示根据本实施例的计算机700的特定构成。根据本实施例的计算机700包含CPU701、GPU 702、RAM 703、ROM 704和外部存储器705。此外，用作显示单元800的液晶显示器801与用作输入单元900的鼠标901和键盘902与计算机700连接。
显示单元800
显示单元800是显示器，诸如液晶显示器或有机电致发光(EL)显示器。显示单元800是显示基于例如通过计算机700获取的声速信息、光学系数信息或被检体信息的图像和特定位置的数值等的设备。显示单元800可显示用于操作图像和设备的GUI。
输入单元900
输入单元900可由例如可通过用户操作的鼠标和键盘构成。作为替代方案，显示单元800可由触摸板构成，并且，显示单元800可用作输入单元900。
光声装置的各构成可由分别不同的装置构成，或者可由单个集成装置构成。作为替代方案，光声装置的至少部分构成可被配置为单个集成装置。
声学匹配材料1100
虽然描述声学匹配材料1100，但它不是光声装置的构成。对于声学匹配材料1100，使用水或超声凝胶等。声学匹配材料1100用于允许声波在保持单元300与接收元件411～414之间传播。声学匹配材料1100可以是具有小的声波衰减的材料。如果照射光透过声学匹配材料，那么声学匹配材料可能对照射光透明。
以下，参照图3中的流程图描述根据本实施例的光声装置的操作。
S100：基于光声波获取信号数据的步骤
从光源110发射的光由用作光学系统120的束纤维引向被检体1000。光学系统120经由保持单元300用光照射被检体1000。被检体1000中的光学吸收体吸收照射光、体积膨胀并且产生光声波。该光声波传播通过被检体1000和声学匹配材料1100并且到达接收元件组410。各接收元件411～414接收该光声波并且输出电信号。因此，接收元件组410输出电信号组。从接收元件输出的电信号是代表到达接收元件的光声波的压力的时间变动的时序信号。
信号数据收集单元600将作为从接收元件组410输出的模拟信号组的电信号组转换成数字信号组。该数字信号组存储于存储器710中。即，基于光声波的信号数据存储于存储器710中。
此外，驱动单元500可移动接收单元400，并且，接收单元400可在多个不同的位置接收光声波。驱动单元500包含产生驱动力的诸如步进电动机的电动机、传送驱动力的驱动机构和检测接收单元400的位置信息的位置传感器。对于驱动机构，例如，可以使用丝杠机构、连杆机构、齿轮机构或液压机构。对于位置传感器，例如，可以使用编码器或诸如可变电阻器的电位计。驱动单元500可一维地、二维地或者三维地改变被检体1000与接收单元400之间的相对位置。
只要驱动单元500可改变被检体1000与接收单元400之间的相对位置，驱动单元500就可固定接收单元400并且移动被检体1000。为了移动被检体1000，可设想通过移动保持被检体1000的保持单元300来移动被检体1000的构成。作为替代方案，驱动单元500可移动被检体1000和接收单元两者。此外，驱动单元500可连续地或者分步并且重复地移动相对位置。
S200：获取光学系数信息的步骤
光学系数获取单元720获取被检体的光学系数信息。光学系数获取单元720可通过已知方法中的任一种获取被检体的光学系数信息。
根据本实施例的光学系数信息指示基于被检体1000是均匀介质的假定而获取的光吸收系数μa、约化散射系数μs′和有效衰减系数μeff的至少一个代表值。即，本实施例中的被检体的光学系数信息表示当被检体1000的任意位置处的光学系数被假定为恒定时获取的光学系数的代表值。
作为替代方案，光学系数获取单元720可通过基于存储于存储器710中的光声波来分析从信号数据产生的作为分布信息的被检体信息(光声图像数据)获取被检体的光学系数信息。例如，光学系数获取单元720可如在日本专利公开No.2009-018153或No.2010-088627中描述的那样，基于源自光声波的信号数据获取被检体的光学系数信息。
作为又一替代方案，光学系数获取单元720可通过用输入单元900接收由用户输入的信息获取光学系数信息。
作为又一替代方案，光学系数获取单元720可通过输入由时间分解光谱(TRS)装置或扩散光学断层(DOT)装置测量的被检体的光学系数信息来获取光学系数信息。
在作为被检体1000的乳房中，作为大致的趋势，乳腺层的比例随着年龄而减小，并且脂肪层变为主导性的。并且，Kazunori Suzuki，JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS 1(3)，330-334(JULY 1996)描述了光学系数随年龄改变。鉴于此，例如，存储器710可存储年龄与光学系数信息之间的关系式或关系表。在这种情况下，当用户通过使用输入单元900输入与年龄有关的信息时，光学系数获取单元720可从存储器710读出与年龄信息对应的光学系数信息，或者可根据关系式计算光学系数信息。
通过上述的方法的任一种，可对于每次测量获取被检体的光学系数信息。如果以前获取了同一被检体的光学系数信息，那么可从存储器710读出并且获取以前获取的光学系数信息。
此外，与被检体的光学系数信息类似，可通过上述的已知方法中的任一种获取包含于照射光的传播路径中的被检体以外的构成(保持单元300或声学匹配材料1100)的光学系数信息。如果被检体以外的构成的光学系数信息是已知的，那么光学系数信息可事先存储于存储器710中，并且可从存储器710被读出并且被获取。
在本实施例中，被检体的光学系数的代表值用作光学系数信息；但是，如后面在第二实施例中描述的那样，代表被检体的各位置处的光学系数的值的分布信息可用作被检体的光学系数信息。作为替代方案，基于照射光的传播路径是完全均匀介质的假定而获取的光学系数的代表值可用作光学系数信息。
S300：获取声速信息的步骤
存储器710存储代表声速信息与光学系数信息之间的关系的关系式或关系表。声速获取单元740根据存储于存储器710中的关系式、基于通过光学系数获取单元720获取的被检体的光学系数信息，计算被检体的声速信息。作为替代方案，声速获取单元740从存储于存储器710中的关系表读出与通过光学系数获取单元720获取的被检体的光学系数信息对应的被检体的声速信息。
本实施例中的被检体的声速信息指示基于被检体是均匀介质的假定而获取的被检体中的声速的代表值。即，本实施例中的被检体的声速信息指示当被检体1000的任何位置处的声速被假定为恒定时获取的声速的代表值。
在本实施例中，被检体的声速的代表值用作声速信息；但是，如后面在第二实施例中描述的那样，代表被检体的各位置处的声速的值的分布信息可用作被检体的声速信息。作为替代方案，基于声波的传播路径是完全均匀介质的假定而获取的声速的代表值可用作声速信息。
与被检体的声速信息类似，可基于光学系数信息获取被检体以外的构成的声速。此外，如果被检体以外的构成的声速信息是已知的，那么声速信息可被事先存储于存储器710中，并且可从存储器710被读出并且被获取。
现在描述声速信息与光学系数信息之间的关系。描述乳房假定为被检体1000的情况。作为被检体的声速和光学系数的测量结果，发现两个参数具有相关性。乳房的主要结构包含脂肪和乳腺。已知乳房具有包含脂肪层和乳腺层的两个层，并且，这些层的比例和分布根据个体而不同。一般地，脂肪层的声速处于1422～1470m/s的范围中；乳腺层的声速处于1510～1530m/s的范围中。即，如果脂肪层增加，那么声速降低，而如果乳腺层增加，那么声速增加。
光学系数信息受存在于脂肪和乳腺中的血液影响。例如，与脂肪和乳腺的光吸收系数相比，血液中的血红蛋白的光吸收系数在很大程度上具体在约800nm的波长上受影响。鉴于此，即使组织中的单位体积的血管密度为约0.1％，也关于脂肪和乳腺的光吸收系数出现明显的差异。此外，一般地，相互比较脂肪层和乳腺层，在解剖学上，血管密度在乳腺层中更高。因此，可以设想在具有大量的乳腺层的被检体中，声速趋于高，并且，近红外波长(约800nm)上的被检体的光吸收系数趋于大。如上所述，可以设想声速信息与光学系数信息之间的关系与乳房中的组织成分相关。
图4A和图4B是分别代表当乳房的结构通过模拟改变时获取的声速信息与光学系数信息(μa和μs′)之间的关系的散布图。在图4A中，横轴表示声速，纵轴表示光吸收系数μa。在图4B中，横轴表示声速，纵轴表示乳房中的约化散射系数(reduced scatteringcoefficient)μs′。在该计算中，基于被检体的组织成分在任何位置都均匀的假定，计算光吸收系数和约化散射系数的代表值。此外，在随机改变乳腺层与脂肪层的比例、被检体的温度、乳腺层中的水的比例、乳腺层和脂肪层中的血管密度、以及血液的氧饱和度的同时执行计算。在该计算中，脂肪的比例在30％～90％的范围中改变，乳腺的比例在10％～70％的范围中改变。血管密度在0.1％～1.1％的范围中改变。氧饱和度在70％～100％的范围中改变。此外，血液中的血液红细胞(红细胞压积)的量在46％±6％的范围中改变，并且，血红蛋白摩尔浓度在0.0023876±0.00029(M/L)的范围中改变。通过使用各结构的声速的统计值计算声速。通过使用脂肪、乳腺、水、氧合血红蛋白和还原血红蛋白关于795nm的波长的摩尔光吸收系数和摩尔约化散射系数，计算光吸收系数μa和约化散射系数μs′。
图4A和图4B所示的计算结果可作为代表光学系数信息与声速信息之间的关系的关系表存储于存储器710中。此外，可从图4A和图4B所示的计算结果获得近似式，并且可将其作为代表光学系数信息与声速信息之间的关系的关系式存储于存储器710中。例如，可通过诸如线性或高阶函数近似、对数函数近似或者指数函数近似的任意类型的近似来获得关系式。
例如，通过对图4A和图4B所示的计算结果通过最小二乘法获得线性函数近似式，获取图5A和图5B所示的近似式(曲线图)。图5A和图5B所示的近似式与计算结果之间的相关性R对于光吸收系数为R＝0.6913，并且对于约化散射系数为R＝0.5508。在任何情况下，显著性概率(significant probability)p为0.000或更低。
此外，通过对图4A和图4B所示的计算结果通过最小二乘法获得三次函数近似式，获取图6A和图6B所示的近似式(曲线图)。图6A和图6B所示的近似式与计算结果之间的相关性R对于光吸收系数为R＝0.6928，并且对约化散射系数为R＝0.5781。在任何情况下，显著性概率p为0.000或更低。
此外，通过对图4A和图4B所示的计算结果通过最小二乘法获得对数函数近似式，获取图7A和图7B所示的近似式(曲线图)。图7A和图7B所示的近似式与计算结果之间的相关性R对于光吸收系数为R＝0.7313，并且对约化散射系数为R＝0.5948。在任何情况下，显著性概率p为0.000或更低。
作为替代方案，可获取组合两个线性函数近似式的关系式，并且将其存储于存储器710中。例如，如果被检体是乳房，那么，一般地，脂肪层的声速处于1422～1470m/s的范围中，乳腺层声速处于1510～1530m/s的范围中。鉴于此，近似式可在1470～1510m/s的声速范围中被切换。例如，当假定1475m/s是脂肪层的声速与乳腺层的声速之间的边界时，该式可分成两个近似式。在这种情况下，对于图4A和图4B所示的计算结果，通过获得1475m/s或更低的声速的范围中的线性函数近似式和高于1475m/s的声速范围中的线性函数近似式，获取图8A和图8B所示的近似式(曲线图)。图8A和图8B所示的近似式与计算结果之间的相关性R对于光吸收系数为R＝0.7408，并且对约化散射系数为R＝0.5975。在任何情况下，显著性概率p为0.000或更低。从结果可以理解，与通过单个近似式获取的关系式相比，相关性对于通过多个近似式获取的关系式更高。如上所述，希望通过使用通过多个近似式近似的具有高的相关性值的关系式，从光学系数信息获取声速信息。声速的边界位置可根据要测量的被检体的结构或者存储于存储器710中的近似式的数据而改变。此外，不限于两个线性函数近似式的组合，可以使用根据被检体组合多个希望的近似式的关系式。
作为替代方案，多个关系式和关于多个关系式的相关性值和偏差值可记录于存储器710中，可选择在通过光学系数获取单元获取的光学系数附近的光学系数导致相关性值增大或者偏差值减小的相关式，并且，关系式可用于获取声速信息。
除了光学系数和声速以外，诸如波长和组织密度的、声速以外的参数的关系表或关系式也可存储于存储器710中。如果使用后面在第三实施例中描述的具有多个波长的光，那么由于光学系数依赖于波长，因此可以准备照射光的各波长的声速与光学系数之间的关系表或关系式。
此外，如果乳房被视为被检体，那么光学系数与声速之间的关系表或关系式可根据乳腺组织的密度(乳腺密度)改变。即，与乳腺密度或者乳腺密度的类别对应的关系表或关系式可保存于存储器710中。然后，声速获取单元740可获取与被检体的乳腺密度有关的信息，读出与测量对象的乳腺密度的类别对应的关系表或关系式，并且通过使用关系表或关系式获取声速信息。与乳腺密度有关的信息是包含乳腺密度和乳腺密度的类别的概念。
根据乳房成像报告和数据系统(BI-RADS)，乳腺密度分为包含a.均匀脂肪性乳腺、b.分散脂肪性乳腺、c.具有高的乳腺密度的乳腺、以及d.具有非常高的乳腺密度的乳腺的四个类别。乳腺密度趋于以类别a、b、c和d的次序增大。
图9是代表关于图4A和图4B所示的散布图的乳腺密度的各类别的光学系数与声速之间的关系的曲线图。如图9所示的曲线图所示，可以构想与乳腺密度的上述类别a～d对应的曲线图。曲线图A与a.均匀脂肪性乳腺的类别对应。曲线图B与b.分散脂肪性乳腺的类别对应。曲线图C与c.具有高的乳腺密度的乳腺的类别对应。曲线图D与d.具有非常高的乳腺密度的乳腺的类别对应。
如图9所示，可以构想，当获取基本上等同的光学系数时，具有低的乳腺密度的被检体的声速低并且具有高的乳腺密度的被检体的声速高。鉴于此，声速与光学系数之间的关系根据类别而不同。鉴于此，声速获取单元740可在乳腺密度用作参数的同时通过使用与乳腺密度对应的关系式或关系表，以高的精度获取被检体的声速信息。输入单元900可被配置为允许用户指定乳腺密度或者乳腺密度的类别。作为替代方案，可基于通过作为乳腺密度测量单元的诸如乳房X线照相、MRI或CT的模态(modality)获取的图像数据，估计乳腺密度或者乳腺密度的类别。乳腺密度、波长、光学系数和声速之间的关系表或关系式可存储于存储器710中。此外，诸如年龄、性别、种族等的影响声速的参数与光学系数和声速之间的关系表或关系式可存储于存储器中。存储器可存储与各种参数的多个值对应的关系表。除了光学系数以外，声速获取单元740还可使用乳腺密度、波长、年龄、性别和种族中的至少一个作为输入参数，读出与输入参数对应的关系表或关系式，并且获取声速信息。
可由用户通过使用输入单元900指定另外与声速与光学系数之间的关系表或关系式相关联的参数。声速获取单元可通过使用与由用户指定的参数对应的关系表或关系式来获取声速信息。
此外，存储于存储器710中的关系表或关系式可被重写。
S400：获取初始声压分布的步骤
用作被检体信息获取单元的初始声压获取单元730基于存储于存储器710中的电信号组、在S300中获取的声速信息、以及各接收元件411～414的位置信息来获取被检体1000中的初始声压分布。对于重构初始声压分布的方法，可以使用已知的重构方法，诸如时域重构方法、傅立叶域重构方法或者模型基(model base)重构方法(重复性的重构方法)。例如，可以使用在Physical Review E71，016706(2005)中描述的被称为通用背投影(UBP)的时域重构方法。
初始声压获取单元730可读出事先存储于存储器710中的各接收元件411～414的位置信息。作为替代方案，初始声压获取单元730可通过以光照射为触发、从包含于驱动单元500中的位置传感器接收接收单元400的位置信息，获取各接收元件411～414的位置信息。
S500：获取光能量密度分布的步骤
当照射于被检体上的吸收光的能量被转换成声压时，产生光声波。产生光声波时的初始声压P0可由式(1)表达如下：
P0(r)＝Γ(r)·μa(r)·φ(r)…(1)
这里，r代表被检体中的位置，P0代表基于光声波的接收信号获取的初始声压，Γ是作为当组织被确定时被唯一确定的已知参数的Gruneisen系数，μa代表光吸收系数，并且φ代表光能量密度。
参照式(1)，应当理解，必须计算在被检体的各位置处在被检体上发射的光的光能量密度，以获取被检体中的光吸收系数分布。
用作被检体信息获取单元的光能量密度获取单元750基于在S200中获取的光学系数信息获取照射于被检体1000上的光在被检体1000中的光能量密度分布。即，光能量密度获取单元750获取在被检体中的各位置处照射的光能量密度的值。
光能量密度获取单元750可基于光学系数信息通过已知的方法获取光能量密度分布。例如，除了光学系数信息以外，光能量密度获取单元750还可基于诸如从光照射单元100发射的光的面内强度分布和被检体的形状之类的参数获取光能量密度分布。强度分布获取单元(未示出)可获取光的面内强度分布，并且，形状获取单元(未示出)可对于每次测量获取被检体的形状。此外，未示出的光量计(功率计)可测量照射光的总光量。对于光能量密度的计算方法，可以使用有限元方法、蒙特卡罗(Monte Carlo)方法等。例如，可通过在日本专利公开No.2011-206192中描述的方法获取光能量密度分布。
S600：获取光吸收系数分布的步骤
用作被检体信息获取单元的光吸收系数获取单元760基于在S400中获取的初始声压分布和在S500中获取的光能量密度分布获取光吸收系数分布。光吸收系数获取单元760根据式(1)将关注区域的各位置处的初始声压P0除以光能量密度φ，并由此可获取光吸收系数μa。基于Gruneisen系数Γ已知的假定，光吸收系数获取单元760可读出并且使用事先存储于存储器710中的Gruneisen系数以进行计算。
在本实施例中，在S600中获取的光吸收系数分布是代表被检体的各位置处的光吸收系数的值的分布信息，并且与在S200中基于被检体是均匀介质的假定而获取的光吸收系数不同。光声波的接收元件411～414具有接收带特性。接收带特性是光声波的频率的接收灵敏度特性。光声波的频带根据作为光声波的产生源的光学吸收体的尺寸而不同。作为结果，具有产生可被接收元件接收的频率的尺寸的光学吸收体主要被成像。例如，当接收元件的接收带的中心频率为3MHz且被检体的声速为1480m/s时，可通过该接收元件测量的光学吸收体的尺寸处于约0.370mm～约1.48mm的范围中。特别适于测量的尺寸为约0.493mm。即，在这种情况下，难以将具有小于0.370mm的尺寸的光学吸收体和具有大于1.48mm的尺寸的光学吸收体成像。由此，通过光声测量获取的光吸收系数分布是具有依赖于接收带特性的分辨率的光吸收系数分布。
S700：显示光吸收系数分布的图像的步骤
控制单元770向显示单元800传送被检体1000的光吸收系数分布的数据，并且导致显示单元800显示光吸收系数分布的图像和光吸收系数分布中的特定位置的数值等。如果被检体信息是三维信息，那么控制单元770可导致显示沿希望的断面切割的断层图像、最大强度投影(MIP)图像或者通过体积呈现而处理的图像。例如，可沿多个不同的方向显示3D图像。此外，用户可在检查显示单元800上的显示的同时通过使用输入单元900改变显示图像的梯度、显示区域、窗口级和窗口宽度。控制单元770可导致显示单元800显示在S100中获取的信号数据、在S200中获取的光学系数信息、在S300中获取的声速信息、在S400中获取的初始声压分布、或者在S500中获取的光能量密度分布。输入单元900可被配置为切换各条信息的显示的ON/OFF。此外，对于显示形式，例如，可以使用重叠显示或者并行显示。
通过根据本实施例的光声装置，可基于被检体的光学系数信息获取接近被检体的真实值的声速信息。此外，通过根据本实施例的光声装置，可通过使用基于光学系数信息获取的接近真实值的声速信息获取作为被检体信息的初始声压分布。即，通过根据本实施例的光声装置，可获取与现有技术的通过使用远离真实值的声速获取的被检体信息的分辨率和衬度相比具有更高的分辨率和衬度的被检体信息。
第二实施例
在第一实施例中，获取基于被检体1000是均匀介质的假定的声速的代表值作为被检体的声速信息。但是，在本实施例中，描述获取代表被检体1000的各位置处的声速的值的分布信息作为被检体的声速信息的例子。根据本实施例的装置构成与第一实施例的装置构成类似。以下描述与第一实施例不同的部分。
光学系数获取单元720通过在S200中描述的已知方法获取被检体1000的光学系数分布。
光学系数获取单元720可基于通过使用光声装置获取的信号数据获取光学系数分布。
作为替代方案，光学系数获取单元720可通过输入通过扩散光学断层(DOT)装置测量的被检体的光学系数分布获取光学系数信息。
作为又一替代方案，光学系数获取单元720可基于通过光声装置以外的模态获取的被检体1000的结构信息获取被检体1000的光学系数信息。构成活体的各结构中的典型的光学系数是已知的。由此，例如，可以规定通过分析通过诸如超声诊断装置、MI或CT的另一模态装置获取的图像所获取的被检体中的各位置的结构，可分配与各结构对应的光学系数，并由此可获取光学系数分布。
光能量密度获取单元750可基于通过光学系数获取单元720获取的被检体的光学系数分布获取光能量密度分布。通过本实施例，由于使用关于被检体中的光学系数的不均匀性的光学系数信息，因此与第一实施例相比，可以以更高的精度获取光能量密度分布。
声速获取单元740可根据存储于存储器710中的声速与光学系数之间的关系式或关系表从被检体1000的各位置处的光学系数的值获取被检体1000的各位置处的声速的值。即，在本实施例中，声速获取单元740可基于被检体1000的光学系数分布获取被检体1000的声速分布。例如，声速获取单元740对于被检体的各位置根据关系式或关系表用被检体的各位置处的声速的值置换光学系数的值，并由此基于被检体1000的光学系数分布获取被检体1000的声速分布。
声速获取单元740可对通过光学系数获取单元720获取的光学系数信息执行内插处理，并且获取分辨率等于或高于原始光学系数信息的分辨率的光学系数信息。此外，声速获取单元740可基于通过内插处理被处理过的光学系数信息获取声速信息，并可由此获取分辨率比通过光学系数获取单元720获取的光学系数信息的分辨率高的声速信息。
作为替代方案，声速获取单元740对获取的声速信息执行内插处理，并可由此获取分辨率比通过光学系数信息的分辨率确定的原始分辨率高的声速信息。
通过这些方法中的任一种，即使光学系数获取单元720获取具有低的分辨率的光学系数信息，声速获取单元740也可获取具有高的分辨率的声速信息。因此，可通过少量的计算获取具有高的分辨率的声速信息。对于内插处理的方法，可以使用诸如线性内插、立方内插、样条内插或最近点内插的任何内插处理。
初始声压获取单元730可基于如上面描述的那样获取的被检体的声速分布获取初始声压分布。在本实施例中，由于获取关于被检体1000的声速不均匀性的声速信息，因此初始声压获取单元730可通过使用被检体1000的声速分布获取精度比第一实施例的精度高的初始声压分布。
光吸收系数获取单元760基于通过初始声压获取单元730获取的初始声压分布和通过光能量密度获取单元750获取的光能量密度分布获取光吸收系数分布。
控制单元770使得显示单元800显示光吸收系数分布的图像和特定位置的数值等。在本实施例中，控制单元770可使得显示单元800显示通过声速获取单元740获取的声速分布的图像和特定位置的数值等。此外，如果只显示通过声速获取单元740获取的声速分布，那么执行S200和S300中的步骤，并且，可省略S100、S400、S500和S600中的步骤。
同时，通过本实施例，声速信息的分辨率依赖于光学系数信息。因此，通过本实施例，通过基于通过可获取具有高的分辨率的光学系数信息的方法获取的光学系数信息获取声速信息，可获取具有高的分辨率的声速信息。
在声速分布中，不管光学系数值如何，都可用已知的值置换由于部位的类别是事先已知的或者由于其它原因而具有已知的声速的区域。
根据本实施例的光声装置可获取被检体的光学系数分布并且从被检体的光学系数分布获取被检体的声速分布。因此，基于以比第一实施例的精度高的精度获取的初始声压分布和以更高的精度获取的光能量密度分布，可以以比第一实施例的精度高的精度获取光吸收系数分布。
第三实施例
在本实施例中，描述基于通过用具有多个相互不同的波长的光照射被检体产生的光声波，获取例如为与构成被检体的物质的浓度有关的信息的光谱信息的例子。
以下参照图10中的流程图描述根据本实施例的光声装置的操作。在本实施例中，使用与根据第一实施例或第二实施例的光声装置类似的光声装置。
在本实施例中，首先，通过使用具有第一波长λ1的光执行S100～S600的步骤，并且，获取与第一波长对应的光吸收系数分布。控制单元770确定是否对于所有波长完成测量(S800)。如果没有完成所有波长的测量，那么控制单元770改变从光照射单元100发射的光的波长，并且再次执行从S100到S600的步骤。即，通过使用具有第二波长λ2的光执行从S100到S600的步骤，并且，获取与第二波长对应的光吸收系数分布。在本实施例中，存储器710存储与多个波长中的每一个对应的声速信息与光学系数信息之间的关系表或关系式。然后，在S300中，声速获取单元740从存储器710读出与各波长对应的关系表或关系式并且获取各波长的声速信息。
然后，用作被检体信息获取单元的浓度获取单元780获取氧饱和度分布作为与构成被检体的物质的浓度有关的信息(S900)。以下，描述获取氧饱和度分布的方法的例子。
当λ1和λ2是照射光的波长、并且和εHb是氧合血红蛋白和还原血红蛋白的摩尔光吸收系数[1/(mm·M)]时，并且当和CHb是各血红蛋白的浓度[M]时，与各波长对应的光吸收系数分布μa由式(2)表达。
氧饱和度SO2是氧合血红蛋白的浓度关于总血红蛋白的浓度的比，并由此由式(3)定义。
从式(2)和式(3)，氧饱和度SO2由式(4)表达。
由于摩尔光吸收系数是已知的，因此，从式(4)可以理解，浓度获取单元780可基于与第一波长对应的光吸收系数分布和与第二波长对应的光吸收系数分布计算氧饱和度分布。
此外，如果假定光传播是平面的，那么式(4)中的光吸收系数比可通过式(5)获得如下：
μa(λ1，r)/μa(λ2，r)＝P0(λ1)φ0(λ1)/P0(λ2)φ0(λ2)·exp(μeff(λ1)d(r)-μeff(λ2)d(r))…(5)，
这里，d是从光照射位置(被检体表面)的距离，φ0是光照射位置处的光能量密度。在这种情况下，从式(4)和式(5)可以理解，可从对于第一波长的等价衰减系数和对于第二波长的等价衰减系数之间的差值获取氧饱和度。即，可在两个波长之间的等价衰减系数的差值用作光学系数信息的同时，将声速信息与光学系数信息之间的关系表或关系式存储于存储器710中。
除了氧饱和度以外，浓度获取单元780还可获取可通过基于不同波长的数据之间的比较获取的数据，诸如脂肪、胶原蛋白、水、血红蛋白、葡萄糖或分子探针的浓度。
控制单元770使得显示单元800显示通过浓度获取单元780获取的氧饱和度分布的图像和特定位置的数值等(S1000)。可与氧饱和度分布的图像一起显示初始声压分布或光吸收系数分布的图像。
由于声速信息具有低的波长依赖性，因此，与多个波长的部分波长对应的光学系数信息可用于获取声速信息。此外，与多个波长的部分波长对应的声速信息可用于对于与残留波长对应的光声波的接收信号的处理。此外，从通过多个波长获取的光学系数信息获取的声速信息的平均值或中值可用于对于与多个波长对应的光声波的接收信号的处理。
例如，在本实施例中，光学系数获取单元720获取与第一波长对应的光学系数信息。然后，初始声压获取单元730可基于与第一波长对应的声速信息和与第二波长对应的电信号获取与第二波长对应的初始声压分布。此外，声速获取单元740可通过使用基于与第一波长对应的电信号获取的光学系数信息，根据与第二波长对应的关系表或关系式，获取与第二波长对应的声速信息。
希望减小第一波长的光声波的测量与第二波长的光声波的测量之间的间隔。如果测量间隔增大，那么被检体更有可能移动。如果被检体移动，那么会在波长之间的图像中产生偏移，并且，与浓度有关的信息的获取精度会降低。因此，在通过使用第一波长的光执行S100中的步骤之后，可在执行其它步骤之前通过使用第二波长的光执行S100中的步骤。
其它实施例
也可通过读出并执行记录于存储介质(也可被更完整地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或更多个程序)以执行上述实施例中的一个或更多个的功能并且/或者包含用于执行上述实施例中的一个或更多个的功能的一个或更多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机，或者，通过由系统或装置的计算机通过例如读出并执行来自存储介质的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并且/或者控制一个或更多个电路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，实现本发明的实施例。计算机可包括一个或更多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并且可包含单独的计算机或单独的处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可例如从网络或存储介质被提供给计算机。存储介质可包含例如硬盘、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(诸如紧致盘(CD)、数字万用盘(DVD)或蓝光盘(BD)TM)、快擦写存储器设备和记忆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。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。
Claims (14)
1.一种光声装置，包括：
被配置为用光照射被检体的光照射单元；
被配置为将从被来自光照射单元的光照射的被检体产生的光声波转换成电信号的接收单元；
被配置为获取被检体的光学系数信息的光学系数获取单元；
被配置为通过使用由光学系数获取单元获取的光学系数信息获取被检体的声速信息的声速获取单元；以及
被配置为通过使用电信号和声速信息获取被检体信息的被检体信息获取单元。
2.根据权利要求1所述的光声装置，
其中，光学系数获取单元通过使用电信号获取光学系数信息，以及
其中，声速获取单元通过使用通过使用电信号获取的光学系数信息获取声速信息。
3.根据权利要求1所述的光声装置，其中，光学系数获取单元获取被检体的光学系数的代表值作为光学系数信息。
4.根据权利要求3所述的光声装置，其中，声速获取单元通过使用被检体的光学系数的代表值获取被检体的声速的代表值作为声速信息。
5.根据权利要求1所述的光声装置，
其中，光学系数获取单元获取被检体的各位置处的光学系数作为光学系数信息，以及
其中，声速获取单元通过使用被检体的对应位置处的光学系数获取被检体的各位置处的声速的值作为声速信息。
6.根据权利要求1所述的光声装置，其中，被检体信息获取单元通过使用电信号、声速信息和光学系数信息获取被检体信息。
7.根据权利要求5所述的光声装置，其中，
被检体信息获取单元
通过使用电信号和声速信息获取被检体中的初始声压分布，
通过使用光学系数信息获取被检体中的光能量密度分布，以及
通过使用初始声压分布和光能量密度分布获取与被检体中的光吸收系数分布有关的被检体信息。
8.根据权利要求1所述的光声装置，还包括：
存储声速信息和光学系数信息之间的关系表或关系式的存储器，
其中，声速获取单元通过使用存储于存储器中的关系表或关系式获取与通过光学系数获取单元获取的光学系数信息对应的声速信息。
9.根据权利要求8所述的光声装置，
其中，存储器存储与和不同的乳腺密度有关的信息对应的多个关系表或多个关系式，以及
其中，声速获取单元通过使用与和被检体的乳腺密度有关的信息对应的关系表或关系式获取声速信息。
10.根据权利要求1所述的光声装置，
其中，光照射单元用具有多个相互不同的波长的光照射被检体，
其中，接收单元将从被用来自光照射单元的多个波长的光照射的被检体产生的光声波转换成分别与多个波长对应的电信号，
其中，光学系数获取单元获取与多个波长的部分波长对应的光学系数信息，
其中，声速获取单元通过使用与所述部分波长对应的光学系数信息获取声速信息，以及
其中，被检体信息获取单元通过使用通过使用与所述部分波长对应的光学系数信息获取的声速信息和分别与多个波长对应的电信号，获取分别与多个波长对应的被检体信息。
11.根据权利要求10所述的光声装置，
其中，被检体信息获取单元通过使用通过使用与所述部分波长对应的光学系数信息获取的声速信息和分别与多个波长对应的电信号，获取分别与多个波长对应的初始声压分布，
其中，光学系数获取单元获取分别与多个波长对应的光学系数信息，
其中，被检体信息获取单元通过使用分别与多个波长对应的光学系数信息获取分别与多个波长对应的光能量密度分布，以及
其中，被检体信息获取单元通过使用分别与多个波长对应的初始声压分布和分别与多个波长对应的光能量密度分布，获取被检体信息。
12.一种信息获取装置，包括：
存储声速信息与光学系数信息之间的关系表或关系式的存储器；
被配置为获取被检体的光学系数信息的光学系数获取单元；以及
被配置为根据存储于存储器中的关系表或关系式，基于通过光学系数获取单元获取的被检体的光学系数信息，获取被检体的声速信息的声速获取单元。
13.一种信息获取方法，包括：
获取被检体的光学系数信息；以及
根据存储于声速信息与光学系数信息之间的关系表或关系式，基于被检体的光学系数信息，获取被检体的声速信息。
14.根据权利要求13所述的信息获取方法，还包括：
将从被用光照射的被检体产生的光声波转换成电信号；
其中，获取光学系数信息包含通过使用电信号获取光学系数信息。
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