對象信息獲取裝置和用于控制對象信息獲取裝置的方法
【專利摘要】一種對象信息獲取裝置和用于控制對象信息獲取裝置的方法。該對象信息獲取裝置包括：光照射單元，用脈沖光照射對象；探頭，把由于第一脈沖光而在對象中產(chǎn)生的聲學波轉(zhuǎn)換為聲學波信號；光檢測單元，把傳播通過對象的第二脈沖光轉(zhuǎn)換為光學信號；頻率分析單元，基于光學信號的預(yù)定頻率分量來獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)；光強度獲取單元，使用背景光學系數(shù)來獲取到達對象的內(nèi)部的第一脈沖光的光強度的分布；以及信息獲取單元，使用聲學波信號和光強度分布來獲取對象信息。
【專利說明】對象信息獲取裝置和用于控制對象信息獲取裝置的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的信息的對象信息獲取裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 已經(jīng)嘗試了使用光來無創(chuàng)地獲取關(guān)于活體的內(nèi)部的信息。例如，當用諸如脈沖激 光之類的測量光照射作為對象的活體時，當該測量光被對象中的生物組織吸收時，產(chǎn)生聲 學波?？蒞通過接收并分析聲學波（通常，超聲波）來獲取關(guān)于活體的內(nèi)部的信息。該樣 的技術(shù)被稱為光聲成像。
[0003] 光聲成像實現(xiàn)與相對于對象內(nèi)部的吸收系數(shù)相關(guān)的信息的成像。吸收系數(shù)是生物 組織吸收光能的速率。測量吸收系數(shù)允許獲取生物組織的成分的濃度。具體地，使用波長 有可能被血液中的血紅蛋白吸收的光允許確定氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的濃度比。該 允許計算生物組織的氧飽和度。如所知道的，如果腫瘤組織存在于活體中，則氧飽和度在相 應(yīng)的部位中降低。因此，預(yù)期能夠通過測量吸收系數(shù)來診斷腫瘤。
[0004] 現(xiàn)在，將描述用于基于所接收的聲學波計算相對于活體的內(nèi)部的吸收系數(shù)的方 法。首先，重構(gòu)所接收的聲學波W產(chǎn)生聲源的初始聲壓的分布?？蒞通過將到達目標區(qū)域 的光的強度、光的吸收系數(shù)和Grueneisen (格魯內(nèi)森）常數(shù)相乘來表達初始聲壓。目P，可W 通過將初始聲壓的分布除W Grueneisen常數(shù)和光強度的分布來獲得吸收系數(shù)的分布。
[0005] 當對象是活體時，因為Grueneisen常數(shù)被認為是已知的預(yù)定值，所W為了獲得吸 收系數(shù)，需要確定光強度的分布。可W基于生物組織的光學特性來計算光強度的分布。對 于光在被提供給對象之后并且在到達光吸收體之前通過的區(qū)域，生物組織具有兩個光學特 性：光吸收特性（在下文中，被稱為背景吸收系數(shù)）和光散射特性（背景散射系數(shù)）。該兩 個系數(shù)統(tǒng)稱為背景光學系數(shù)。背景光學系數(shù)顯著地影響吸收系數(shù)的計算，并且因此需要具 有精確的值。
[0006] 可W通過用測量光照射對象并且檢測傳播通過該對象的光來測量背景光學系數(shù)。 例如，日本專利申請公開No. 2002-139420和非專利文檔1描述了使用基于脈沖光的時間分 辨測量方法來測量背景光學系數(shù)的裝置。此外，日本專利申請公開No.冊7-159239描述了 使用基于強度調(diào)制光的相位調(diào)制測量方法來測量背景光學系數(shù)的裝置。
[0007] 非專利文獻 1 :"Quantitative measurement of optical parameters in normal breasts using time-resolved spectroscopy: in vivo results ofSOJapanese women (使 用時間分辨光譜學對正常乳房中的光學參數(shù)的定量測量：30個日本女人的活體結(jié) 果）"，Kazunori Suzuki M. D. ；Yutaka Yamashita ；Kazuyoshi Ohta ；Masao Kaneko ；Masayuki Yoshida M. D. ;Britton Chance, Journal of Biomedical Opticsl (03), pp. 330-334


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了允許測量特定對象的背景光學系數(shù)，需要用測量光照射對象。然而，用于光聲 成像的光源和用于測量背景光學系數(shù)的光源具有不同的期望特性。因此，對于光聲成像和 測量使用公共光源是困難的。
[0009] 例如，用于正常光聲成像的光源是脈寬為幾十納砂至幾百納砂的脈沖光。然而，女口 在日本專利申請公開No. 2002-139420中所描述的該樣的時間分辨測量需要脈寬為幾十皮 砂至幾百皮砂的光的照射。此外，如在日本專利申請公開No.冊7-159239中所描述的該樣 的相位調(diào)制測量需要強度調(diào)制光，而不是脈沖光的照射。因此，當試圖在光聲成像裝置中測 量背景光學系數(shù)時，該裝置需要具有不同的光源并且不利地被復(fù)雜化。
[0010] 鑒于常規(guī)技術(shù)的該些問題，本發(fā)明的目的是提供一種允許使用公共光源執(zhí)行光聲 測量和背景光學系數(shù)測量的對象信息獲取裝置。
[0011] 本發(fā)明在其一方面提供一種對象信息獲取裝置，其包括；光照射單元，用脈沖光照 射對象；聲學波探頭，被配置為把由于來自光照射單元的第一脈沖光而在對象中產(chǎn)生的聲 學波轉(zhuǎn)換為聲學波信號；光檢測單元，被配置為把來自光照射單元并且傳播通過對象的第 二脈沖光轉(zhuǎn)換為光學信號；頻率分析單元，被配置為基于光學信號的預(yù)定頻率分量來獲取 關(guān)于對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)；光強度獲取單元，被配置為基于背景光學系數(shù)來獲取光 強度分布，所述光強度分布是到達對象的內(nèi)部的第一脈沖光的強度的分布；W及信息獲取 單元，被配置為基于聲學波信號和光強度分布來獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的對象信息。
[0012] 本發(fā)明在其另一方面提供一種用于獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的信息的方法，所述方法 包括；用第一脈沖光照射對象的步驟；把由于第一脈沖光而在對象中產(chǎn)生的聲學波轉(zhuǎn)換為 聲學波信號的步驟；用第二脈沖光照射對象的步驟；把傳播通過對象的第二脈沖光轉(zhuǎn)換為 光學信號的步驟；基于光學信號的預(yù)定頻率分量來獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)的 步驟；基于背景光學系數(shù)來獲取光強度分布的光強度獲取步驟，所述光強度分布是到達對 象的內(nèi)部的第一脈沖光的強度的分布；W及基于聲學波信號和光強度分布來獲取關(guān)于對象 的內(nèi)部的對象信息的步驟。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，可W獲得能夠通過公共光源進行光聲測量和背景光學系數(shù)測量的對 象信息獲取裝置。
[0014] 從參照附圖對示例性實施例的W下描述，本發(fā)明的更多特征將變得清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是示出根據(jù)第一實施例的對象信息獲取裝置的配置的示圖；
[0016] 圖2A至2C是示出根據(jù)第一實施例的測量單元的配置的詳細示圖；
[0017] 圖3A和3B是示出根據(jù)第一實施例的測量單元的配置的詳細示圖；
[0018] 圖4A和4B是示出根據(jù)第一實施例的測量單元的配置的詳細示圖；
[0019] 圖5A和5B是示出使用時間分辨測量方法而獲得的時間波形的示圖；
[0020] 圖6是例示根據(jù)常規(guī)技術(shù)的背景光學系數(shù)的計算結(jié)果的示圖；
[0021] 圖7是示出由光源產(chǎn)生的脈沖光的時間波形的示圖；
[0022] 圖8是示出由根據(jù)第一實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理的流程的圖；
[0023] 圖9是例示背景光學系數(shù)的計算的結(jié)果的圖；
[0024] 圖10是示出根據(jù)第二實施例的對象信息獲取裝置的配置的圖；
[0025] 圖11是示出由根據(jù)第二實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理的流程的圖；
[0026] 圖12A至12C是示出根據(jù)第H實施例的對象信息獲取裝置的配置的圖擬及
[0027] 圖13是示出由根據(jù)第H實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理的流程的圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。相同的組件在原則上用相同的標號表 示，并且省略重復(fù)描述。實施例的描述中所使用的數(shù)值、材料等并非意圖限制本發(fā)明的范 圍。如本文中所使用的對象信息是指基于關(guān)于對象內(nèi)部的吸收系數(shù)的分布的信息。對象信 息包括吸收系數(shù)的分布、W及根據(jù)吸收系數(shù)確定的提供對象的物質(zhì)的濃度分布，諸如氧飽 和度的分布等。
[002引（第一實施例）
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光聲測量裝置是該樣的裝置，其用脈沖光照射對象， W分析由于脈沖光而在對象中產(chǎn)生的光聲波，從而允許使對作為對象的活體的內(nèi)部的吸收 系數(shù)的分布成像。此外，光聲測量裝置具有使用脈沖光測量對象的背景光學系數(shù)W便獲取 計算吸收系數(shù)所需的光強度的分布的功能。首先，將描述所述裝置的組件。然后，將描述由 該裝置執(zhí)行的處理方法。最后，將描述該裝置的效果。
[0031] <系統(tǒng)配置〉
[0032] 首先，參照圖1，將描述根據(jù)第一實施例的光聲測量裝置的配置。根據(jù)第一實施例 的光聲測量裝置包括光源103、導(dǎo)光單元104、測量單元105、重構(gòu)單元108、頻率分析單元 109、光強度獲取單元110、信息獲取單元111 W及顯示單元112。此外，測量單元105包括 聲學波探頭106和光檢測器107。在圖1中，作為對象的活體用標號101表示。用于光聲測 量的目標區(qū)域（在下文中，被稱為感興趣區(qū)域）用標號102表示。
[0033] << 光源 103〉〉
[0034] 光源103是產(chǎn)生脈沖光的裝置。光聲信號的強度與光的強度成比例，并因此光源 的功率優(yōu)選是高的。例如，高功率脈沖激光光源（諸如慘鐵藍寶石激光器或紫翠寶石激光 器）可W是適于使用的。此外，非相干光源（諸如發(fā)光二極管或閃光燈）可W用作光源103。 另外，由光源103產(chǎn)生的光優(yōu)選地具有大約400皮砂至650納砂的脈寬?？商娲?，由光源 103產(chǎn)生的光的脈寬可W落在從10納砂至650納砂的范圍內(nèi)，該范圍常用于光聲成像并且 不適于時間分辨測量。而且，由光源103產(chǎn)生的光的脈寬可W落在100納砂至650納砂的 范圍內(nèi)。
[00巧]光源103使得能夠產(chǎn)生用于光聲測量的第一脈沖光、W及用于背景光學系數(shù)測量 的第二脈沖光。由同一光源103產(chǎn)生的用于光聲測量的第一脈沖光和用于背景光學系數(shù)測 量的第二脈沖光具有基本上相同的波形。脈沖光的發(fā)射間隔可W優(yōu)選地針對光聲測量和針 對背景光學系數(shù)測量而不同地設(shè)置。
[0036] 用于光聲測量的脈沖光的發(fā)射間隔優(yōu)選地盡可能地短，但是需要比聲學波探頭至 少在單個脈沖光照射期間檢測聲學波所需的時間長。此外，用于背景光學系數(shù)測量的脈沖 光的發(fā)射間隔類似地優(yōu)選地盡可能地短，但是需要至少比脈寬和由對象的響應(yīng)引起的時間 波形的跨度的總和長。當對象101是活體時，可W假設(shè)時間波形的跨度約為10納砂。
[0037] << 導(dǎo)光單元 104〉〉
[0038] 導(dǎo)光單元104是將光源103產(chǎn)生的脈沖引導(dǎo)到測量單元105的單元。導(dǎo)光單元 104由諸如光學元件、光纖、反射鏡或棱鏡之類的光學構(gòu)件形成。當使用光纖引導(dǎo)光時，優(yōu)選 地使用提供大強度的光的傳輸和挽性兩者的束纖維。
[0039] << 測量單元 105〉〉
[0040] 測量單元105連接到導(dǎo)光單元104,并且包括聲學波探頭和光檢測器。由測量單元 105提供的脈沖光允許進行光聲測量和對象的背景光學系數(shù)測量。測量單元105在執(zhí)行光 聲測量時使用聲學波探頭106來接收聲學波，并在測量背景光學系數(shù)時使用光檢測器107 來檢測已傳播通過對象的脈沖光。
[0041] 光照射部分103、導(dǎo)光單元104和測量單元105的一部分提供根據(jù)本發(fā)明的光照射 單元。
[0042] 此外，測量單元105使得能夠在兩個階段中改變照射對象的脈沖光的照射面積。 對于光聲測量，測量單元105在大面積上提供光，W便允許在對象內(nèi)部的大面積上產(chǎn)生光 聲波。當測量背景光學系數(shù)時，測量單元105在小面積內(nèi)提供光，W便抑制所檢測到的脈沖 光的波形純化。
[0043] 將參照圖2A至2C描述用于改變脈沖光的照射面積的具體方法。圖2A和2B示出 使用光學光闊改變照射面積的例子。
[0044] 在圖2A和2B中，擴束器用標號201表示，并且是擴大由導(dǎo)光單元104發(fā)射的光的 光學構(gòu)件。光學光闊202對于光聲測量打開，而對于背景光學系數(shù)測量關(guān)閉。因此，可W在 適合于每次測量的面積上將脈沖光提供給對象101。光學光闊202可W位于導(dǎo)光單元104 與擴束器201中間。
[0045] 圖2C示出測量單元105遠離對象101的例子。由于與在小面積內(nèi)提供脈沖光相 同的原因，光檢測器203優(yōu)選地在小面積內(nèi)檢測光。因此，當測量單元遠離對象時，可W安 裝使光檢測器107和對象101的表面成光學共輛關(guān)系的透鏡203。該提供其中例如安置允 許保持對象101的保持構(gòu)件的空間。
[0046] 圖3A和3B示出使用可變擴束器（標號301)改變照射面積的例子?？勺償U束器 301通過如圖3A中所示那樣布置來切換脈沖光的照射面積W便接收光聲波，W及如圖3B中 所示那樣布置W便檢測傳播光。在圖3B中所示的例子中，光被聚焦并且每一面積的強度增 大，并因此在該裝置中插入中性濾光器302。該使得能夠抑制照射對象101的脈沖光的每一 面積的強度的增大。
[0047] 圖2A至2C W及圖3A和3B中所示的例子允許在不移動光軸的情況下切換脈沖光 的照射面積。該配置使得能夠縮小測量單元105的尺寸。
[0048] 圖4A和4B示出提供兩個光學系統(tǒng)并且使該兩個光學系統(tǒng)彼此切換W改變脈沖光 的照射面積的例子。圖4A示出光聲測量的情況，圖4B示出背景光學系數(shù)測量的情況。分 路單元401把由導(dǎo)光單元104發(fā)射的脈沖光劃分為兩個光束。分路單元401可W是光學元 件，諸如光纖或分束器等。
[0049] 由分路得到的光束之一經(jīng)由第一照射單元402在大面積上提供給對象101。另一 個光束經(jīng)由第二照射單元402在小面積內(nèi)提供給對象101。第一照射單元402和第二照射 單元403分別具有第一遮蔽單元404和第二遮蔽單元405。當?shù)谝徽丈鋯卧?02和第二照 射單元403中的一個打開時，另一個關(guān)閉。因此，可W防止來自第一照射單元402和第二照 射單元403的照射光束互相影響測量。
[0050] <<聲學波探頭106〉〉
[0051] 聲學波探頭106是將在對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲學波轉(zhuǎn)換為模擬電信號的單元。聲學波 探頭106將聲學波轉(zhuǎn)換成為的模擬電信號在下文中被稱為聲學波信號。聲學波探頭也被簡 單地稱為探頭或聲學波檢測器或換能器。如本文中所使用的聲學波通常是超聲波并且包括 彈性波，該些彈性波被稱為音波、超聲波、光聲波和光感應(yīng)超聲波。聲學波探頭106可W包 括單個聲學波探頭或多個聲學波探頭。此外，聲學波探頭106可W位于測量單元105的內(nèi) 部，或者如圖2C中所示位于測量單元105的外部。
[0052] 此外，期望地，聲學波探頭106是靈敏的，并且具有很寬的頻帶。具體地，聲學波探 頭106可W是壓電陶瓷（PZT)、二氣化樹脂（PVD巧、電容微型機加工超聲換能器（CMUT)或 F油ry-Perot干涉儀。然而，本發(fā)明不限于該些聲學波探頭，而是可W使用任何聲學波探頭， 前提條件是該聲學波探頭實現(xiàn)探頭的功能。
[0053] 另外，聲學波探頭106可W包括多個一維或二維布置的接收元件。多維布置元件 的使用允許同時在多個位置處接收聲學波。該使得能夠縮短測量時間并且降低不利影響， 諸如對象的振動。當探頭小于對象時，可W使探頭掃描W在多個位置處接收聲學波。
[0054] << 光檢測器 107〉〉
[00巧]光檢測器107是檢測由測量單元105發(fā)射的并且傳播通過對象101的脈沖光W產(chǎn) 生光學信號的單元。光學信號是W時序方式表示所檢測的光的強度的轉(zhuǎn)變的電信號。所獲 取的信號本身在下文中被稱為光學信號，該光學信號所表示的波形在下文中被稱為時間波 形。
[0056] 光檢測器107可W是光電倍增管（PMT)、雪崩光電二極管（APD)、光電二極管（PD) 等。所產(chǎn)生的光學信號被輸出到頻率分析單元109。
[0057] << 重構(gòu)單元 108〉〉
[0058] 重構(gòu)單元108是該樣的單元，其基于由聲學波探頭106產(chǎn)生的聲學波信號執(zhí)行圖 像重構(gòu)處理，W在感興趣區(qū)域102中產(chǎn)生初始聲壓的分布。
[0059] 具體地，重構(gòu)單元108放大由聲學波探頭106產(chǎn)生的聲學波信號，并將該聲學波信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并然后執(zhí)行圖像重構(gòu)處理。下面的已知處理方法中的任何一種可W用 作圖像重構(gòu)方法：在時域中反向投影的方法、基于時間反演的重構(gòu)方法、在傅立葉域中重構(gòu) 的方法、W及基于模型的重構(gòu)方法。所產(chǎn)生的初始聲壓分布被輸出到信息獲取單元111。
[0060] <<頻率分析單元109〉〉
[0061] 頻率分析單元109是該樣的單元，其把由光檢測器107產(chǎn)生的光學信號轉(zhuǎn)換為預(yù) 定頻率分量，并且使用該頻率分量的振幅衰減和相位差來計算對象的背景光學系數(shù)，即，背 景吸收系數(shù)和背景散射系數(shù)。
[0062] 具體地，頻率分析單元109使用傅立葉變換將光學信號轉(zhuǎn)換到頻域中W提取預(yù)定 頻率分量。所述預(yù)定頻率期望地是該樣的頻率，在該頻率處，作為由光源103產(chǎn)生的光的時 間波形的傅立葉變換的結(jié)果，振幅值或功率最大化。例如，該頻率可W基于由光源103產(chǎn)生 的光的脈寬。該樣的頻率的例子是其半周期或四分之一周期等于脈沖的半寬的頻率、接近 于該頻率的頻率、或其諧波頻率。本發(fā)明不限于該些頻率，而是可W使用任何頻率，前提條 件是該頻率確保足夠的SN比。此外，背景光學系數(shù)是使用相位調(diào)制測量方法的逆問題計算 而被計算出的。下面將詳細描述該方法。計算結(jié)果被輸出到光強度獲取單元110。
[0063] <<光強度獲取單元110〉〉
[0064] 光強度獲取單元110是該樣的單元，其使用所計算出的背景光學系數(shù)來計算在光 聲測量期間的感興趣區(qū)域102中的光強度的分布（光強度分布）?？蒞使用例如下列的方 法來計算光強度；根據(jù)有限元方法、差分方法等對描述光學能量的行為的方程（例如，漫射 方程或傳輸方程）進行求解的方法、或通過將光學能量的行為考慮為光子的統(tǒng)計行為來執(zhí) 行計算的Monte Carlo方法。下面將詳細描述該方法。所計算的光強度分布被輸出到信息 獲取單元111。
[0065] <<信息獲取單元111〉〉
[0066] 信息獲取單元111是該樣的單元，其基于感興趣區(qū)域102中的初始聲壓分布和光 強度分布來獲取感興趣區(qū)域102中的吸收系數(shù)分布。下面將詳細描述該方法。
[0067] 工作站通常可W用于重構(gòu)單元108、頻率分析單元109、光強度獲取單元110和信 息獲取單元111。然而，該些單元可W使用W專用方式設(shè)計的硬件來實現(xiàn)。當使用諸如工作 站之類的計算機時，上述單元中的每個的處理由預(yù)先編程的軟件執(zhí)行。
[0068] << 顯示單元 112〉〉
[0069] 顯示單元112是向測量者呈現(xiàn)吸收系數(shù)分布的單元。例如，吸收系數(shù)可W直接顯 示為數(shù)值，或者W二維圖像或體積繪制圖像的形式顯示。而且，組織的成分比率或濃度可W 基于吸收系數(shù)而被計算并顯示。例如，可W顯示氧飽和度。
[0070] << 對象 101〉〉
[0071] 對象101不提供本發(fā)明，但是下面將對其進行描述。
[0072] 對象101是測量對象。對象101通常是活體，但是可W是模擬活體的聲學和光學 特性的模型。光聲測量裝置可W使存在于對象101內(nèi)部的吸收系數(shù)大的光吸收體成像。當 對象是活體時，成像目標是血紅蛋白、水、黑色素、膠原蛋白、脂質(zhì)等。
[0073] <用于計算吸收系數(shù)的方法〉
[0074] 現(xiàn)在，將描述用于確定感興趣區(qū)域的吸收系數(shù)的方法?？蒞使用公式1來表達關(guān) 于對象內(nèi)部的吸收系數(shù)。在對象中產(chǎn)生的聲學波的初始聲壓用P。表示。Grueneisen常數(shù) 用「.表示。此外，到達對象中的感興趣區(qū)域的光的強度用4表示。吸收系數(shù)用表示。 [00巧]通過將對象的體積膨脹系數(shù)和聲速的平方的乘積除故直壓比熱來獲得Gruenisen 常數(shù)。如上所述，當對象是活體時，可W認為Gruenisen常數(shù)是恒定值。目P，當可W獲取感 興趣區(qū)域中的初始聲壓分布和光強度分布時，可W獲得吸收系數(shù)的目標分布。
[007引[數(shù)學式U
[0077] Po =「?片a_i ?傘…公式 1
[0078] 現(xiàn)在，將描述用于獲取感興趣區(qū)域中的光強度分布的方法?？蒞使用獨立于時間 的漫射方程（例如，公式2)來表示感興趣區(qū)域中的光強度分布。
[0079] 在公式2中，表示對象中的位置的位置矢量用r表示，r處的光強度用Mr)表示。 此外，對象的背景散射系數(shù)用U ' (r)表示，W及對象的背景吸收系數(shù)用Ug b(r)表示。 光源項用q(r)表示。需要確定背景散射系數(shù)和背景吸收系數(shù)，W便獲得到達感興趣區(qū)域的 光強度。使用僅包括y ' 勺第一項、僅包括y ajJ勺第二項、W及既不包括y ' 又不 包括y 的第H項的總和來描述公式2。因此，為了對公式2進行求解，需要獲取背景散射 系數(shù)y ' 和背景吸收系數(shù)y
[0080] [數(shù)學式2]
[0081] V-S -￥瘋"！―與，'.（》-)'#(r)卡"(r) = 0......公式 2
[-，片，i'Oi I
[0082] <<時間分辨測量方法和相位調(diào)制測量方法的摘要〉〉
[0083] 為了獲取兩個背景光學系數(shù)中的每個，有必要測量透射通過對象的光的強度并且 使用時間分辨測量方法或相位調(diào)制測量方法來估計背景光學系數(shù)。
[0084] 首先，將描述時間分辨測量方法。在時間分辨測量方法中，用具有幾百皮砂的短脈 寬或更短脈寬的光照射對象，并且檢測傳播通過對象的光W獲取光強度的時間波形。然后， 接著使用背景光學系數(shù)U 和U ' 來把W下擬合到所獲取的時間波形：指示光散射對 象中的光強度的解析解（散射方程等的解析解）、或數(shù)值計算出的時間波形（其使用漫射方 程數(shù)值解或Monte Carlo方法而獲得）。最后，在兩個波形彼此足夠匹配時所獲得的背景光 學系數(shù)被確定為對象的背景光學系數(shù)。該對應(yīng)于逆問題的解。
[00財圖5A示意性地示出時間波形。傳播通過對象的光已經(jīng)通過各種散射路徑，因此被 觀察為時間加寬波形。對于普通活體的背景光學系數(shù)，時間波形的跨度約為幾納砂。當光 源的脈寬相對于該跨度足夠短時，所檢測的時間波形在初始階段中的上升部分主要具有關(guān) 于背景散射系數(shù)U ' 勺信息，并且該時間波形的后面的松弛部分主要具有關(guān)于背景吸 收系數(shù)U g b的信息。
[0086] 因此，當使用具有幾百皮砂的短脈寬的光源來執(zhí)行時間分辨測量方法時，從所測 量的時間波形來唯一地確定和y ' 結(jié)果，可W精確地獲取兩個背景光學系數(shù)中的 每一個。
[0087] 如果照射光具有較長的脈寬，則背景光學系數(shù)中固有的時間波形的跨度被包括在 光源的脈寬中。對于具有無限脈寬的穩(wěn)態(tài)光，時間波形的跨度完全丟失，從而允許僅可W獲 得關(guān)于光強度的信息。因此，在僅一個信息集（光強度）可W與兩個變量一和y ' b-相關(guān)地獲得的情況下，滿足所檢測的光強度的和y ' 勺無數(shù)組合存在，從而使 得y O和y ' O的確定困難。
[0088] 非專利文檔1描述了使用脈寬為140皮砂或更短的光源測量30個對象的正常乳 房的背景光學系數(shù)的實施例。
[0089] 參照非專利文檔1中所描述的實施例，使用30個光學系數(shù)U a b和30個光學系數(shù) y ' 勺組合中的導(dǎo)致來自活體的最短跨度的時間波形的一種組合來計算脈寬為零的理 想脈沖光源的檢測時間波形。
[0090] 該種情況下所使用的背景光學系數(shù)是y , b的最大值0. 0078 [/mm] W及y ' , b的 最小值0. 63[/mm]。在時間波形上后來檢測到的光已經(jīng)嚴重散射，并因此具有大的光路長 度。因此，光已經(jīng)更明顯地被吸收，并且強度降低。背景吸收系數(shù)越大，時間波形的后一部 分中的光的衰減與時間波形的前一部分中的光相比將變得越大。因此，時間波形的跨度隨 著背景吸收系數(shù)而減小。此外，散射系數(shù)越小，光行進通過各個散射路徑的可能性將變得越 低。因此，由光路長度不同而導(dǎo)致的時間波形的跨度與散射系數(shù)一致地減小。
[0091] 圖5B示出使用背景光學系數(shù)計算時間波形的跨度的結(jié)果。所計算的時間波形的 跨度是400皮砂，表明光源的脈寬140皮砂比該跨度短。
[0092] 如上所述，時間分辨測量允許使用具有比來自對象的時間波形的跨度短的脈寬的 光源來獨立地、精確地測量和y'
[0093] 現(xiàn)在，將描述相位調(diào)制測量方法。相位調(diào)制測量方法是該樣的方法，其用使用數(shù)量 級為兆赫茲或G赫茲的頻率調(diào)制的光（強度調(diào)制光）照射對象，并且測量傳播通過對象的 光的振幅衰減和相位差。振幅衰減是指所檢測的光的振幅相對于由光源產(chǎn)生的光的振幅的 比率。相位差是指所檢測的光的相位相對于由光源產(chǎn)生的光的相位的遲滯。
[0094] 在相位調(diào)制測量方法中，對使用解析解或數(shù)值計算而計算的振幅衰減和相位差進 行優(yōu)化，W便通過使用和U ' 乍為變量來使振幅衰減和相位差變?yōu)榈扔谒鶞y量的 振幅衰減和相位差。然后，把當該些值變?yōu)橄嗟葧r所獲得的背景光學系數(shù)確定為對象的背 景光學系數(shù)。如時間分辨測量方法的情況那樣，該方法也對應(yīng)于逆問題計算。
[0095] 現(xiàn)在，將給出與當使用時間分辨測量方法測量背景光學系數(shù)時使用用于正常光聲 成像的脈沖光源，而不是短脈沖光源的效果相關(guān)的描述。
[0096] 用于光聲成像的光的脈寬需要滿足有效率地從存在于感興趣區(qū)域中的光吸收體 產(chǎn)生聲學波的條件（應(yīng)力約束條件）。應(yīng)力約束條件用公式3表達。
[0097] [數(shù)學式引
[009引 ! irradi泌細《《了S， ~ 公式3 V,
[009引在公式3中，光照射時間用表示，應(yīng)力松弛時間用T ,表示。感興趣區(qū)域 中的光吸收體的大小用屯表示，W及對象中的聲速用V,表示。公式3表明，如果光照射時 間遠短于應(yīng)力松弛時間，則可W忽略照射期間的彈性波的傳播，從而允許產(chǎn)生光聲波。當感 興趣區(qū)域中的光吸收體的大小為1 [mm]并且聲速為1540虹/s]時，T S約為650 [ns]。光聲 成像裝置需要將脈寬設(shè)置為等于或小于T ,，并且因此，通常使用具有幾納砂至幾百納砂的 脈寬的光源。
[0100] 脈寬比適合于時間分辨測量方法的脈寬長得多。
[0101] 用于光聲成像的光的脈寬在適合于時間分辨測量方法的脈寬（幾百皮砂或更 短）與穩(wěn)態(tài)光的無限脈寬之間。因此，所測量的時間波形和所計算的時間波形涉及和 y' 勺多種組合，從而阻止唯一地確定該些系數(shù)。該還從下述事實預(yù)料到：一般的時間 分辨測量方法允許確定U 和U ' 則隹一組合，而穩(wěn)態(tài)光涉及U 和U ' 勺無數(shù) 組合。目P，用于時間分辨測量的納砂數(shù)量級的脈沖光的使用阻止確定背景光學系數(shù)，從而降 低了測量精度。
[0102] 圖6示出通過使用Monte Carlo方法并且分別將y a b和y ' O設(shè)置為0. 005 [/ mm]和0.995 [/mm]而計算出的所檢測的時間波形、W及通過使用漫射方程的解析解并且分 別將Usb和y ' , b設(shè)置為不同值而計算出的所檢測的時間波形的均方殘差。如圖7中所 示，光源的波形為半高全寬為100納砂的波形。
[0103] 在圖6中，兩個橫軸分別指示Uab和縱軸指示均方殘差。在圖6中，除了 由虛線箭頭所示的y = 0. 〇〇5[/mm]和y。> b = 0. 995[/mm]之外，由實線箭頭所示的殘 差的多個最小值存在。該表明，和UgijJ勺多種組合存在。
[0104] 當為了獲得使用y , b = 0. 005[/mm]和y ,，b = 0. 995計算出的時間波形而求解出 逆問題計算時，該計算導(dǎo)致與顯著誤差相應(yīng)的y = 0. Oll [/mm]和y S，= 0. 639 [/mm]。 逆問題計算使用全局搜索圖6中的整個區(qū)域的方法，并因此被阻止得出局部解。
[0105] 如上所述，當使用用于光聲成像的光源來測量對象的背景光學系數(shù)時，與實際背 景光學系數(shù)不同的和勺組合可能被選擇，導(dǎo)致測量精度降低。
[0106] 光聲成像裝置通常使用滿足應(yīng)力約束條件的具有幾納砂至幾百納砂的脈寬的光 源。然而，對于時間分辨測量，需要使用脈寬為皮砂數(shù)量級的光源。因此，需要單獨提供用 于時間分辨測量的光源，導(dǎo)致成本增加。
[0107] 相反，本發(fā)明提出一種允許使用常用于光聲成像的光源來測量背景光學系數(shù)的方 法。
[010引 《用于測量背景光學系數(shù)的方法〉〉
[0109] 將描述用于測量背景光學系數(shù)的具體方法。
[0110] 由時間分辨測量方法中的時間波形的傅立葉變換導(dǎo)致的振幅衰減和相位差等于 時間分辨測量方法中的振幅衰減和相位差。目P，相位調(diào)制測量方法和時間分辨測量方法為 等效關(guān)系。因此，在使用相位調(diào)制測量方法測量振幅衰減和相位差的情況下，如時間分辨測 量方法的情況那樣，可W唯一地確定U 和U ' (等同于時間分辨測量方法）。
[0111] 由光源103產(chǎn)生的光是具有幾納砂至幾百納砂的脈寬的光。脈寬的倒數(shù)是幾兆赫 茲至幾百兆赫茲。目P，由光源103產(chǎn)生的脈沖光具有兆赫茲數(shù)量級的頻率分量。為了獲取頻 率分量，可W將光學信號轉(zhuǎn)換到頻域中并且獲取相應(yīng)的頻率分量。因此，當所獲取的光學信 號被轉(zhuǎn)換為頻率分量時，可W在不改變照射光的脈寬的情況下實現(xiàn)相位調(diào)制測量方法。例 女口，可W將照射光的脈寬設(shè)置在10納砂至650納砂的范圍內(nèi)，該范圍常用于光聲成像并且 不適于時間分辨測量方法。而且，可W將照射光的脈寬設(shè)置在100納砂至650納砂的范圍 內(nèi)。
[0112] 具體地，頻率分析單元109獲取所獲得的頻率分量的振幅衰減和相位差，并執(zhí)行 相位調(diào)制測量的逆問題計算W獨立地獲取和U ' 因為時間分辨測量等效于相位 調(diào)制測量方法，所W所獲取的和具有唯一的值。
[0113] 獲取其頻率分量的頻率是該樣的頻率，在該頻率，作為由光源103產(chǎn)生的光的時 間波形的傅立葉變換的結(jié)果，振幅值或功率最大化。例如，可W使用半周期等于脈沖光的半 寬的頻率（1/(( 一半脈寬）[S] X2)出Z])、或四分之一周期等于脈沖光的半寬的頻率（1/ ((一半脈寬）[S] X4)出Z])。本發(fā)明不限于該些頻率并且可W使用任何頻率，前提條件是 該頻率確保足夠的SN比。此外，可W通過確定多個其他頻率的分量來提高計算精度。
[0114] <<處理流程圖〉〉
[0115] 現(xiàn)在，將參照圖8描述根據(jù)第一實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理方法。
[0116] 步驟SlOl是用用于光聲測量的脈沖光照射對象的步驟。用于光聲成像的脈沖光 在下文中被稱為第一脈沖光。
[0117] 在步驟SlOl中，首先，將測量單元105移動到適于測量感興趣區(qū)域102的位置。光 學系統(tǒng)被設(shè)置為使得在大的照射面積上將脈沖光提供給對象101。此外，將脈沖光的照射間 隔設(shè)置為適于接收光聲波的時間。該些設(shè)置期望地由裝置自動地執(zhí)行，但是可W由測量者 實現(xiàn)。
[0118] 然后，光源103產(chǎn)生脈沖光，并經(jīng)由測量單元105將該脈沖光提供給對象101。
[0119] 步驟S102是接收在對象中產(chǎn)生的光聲波的步驟。
[0120] 在步驟S102中，聲學波探頭106接收作為用第一脈沖光照射的結(jié)果而在感興趣區(qū) 域102中產(chǎn)生的光聲波，并將該光聲波轉(zhuǎn)換為聲學波信號。在該種情況下，重復(fù)地接收光聲 波W將信號一起積分，直到該些信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步驟S102A)。
[0121] 步驟S103是獲取感興趣區(qū)域中的初始聲壓分布的步驟。
[0122] 在步驟S103中，重構(gòu)單元108重構(gòu)在步驟S102中獲取的信號W獲取感興趣區(qū)域 102中的初始聲壓分布。
[0123] 步驟S104是用用于測量背景光學系數(shù)的脈沖光照射對象的步驟。用于測量背景 光學系數(shù)的脈沖光在下文中被稱為第二脈沖光。
[0124] 在步驟S104中，光學系統(tǒng)被設(shè)置為使得在小的照射面積上將脈沖光提供給對象 101。此外，將脈沖光的照射間隔設(shè)置為適于檢測傳播光的時間。該些設(shè)置期望地由裝置自 動地執(zhí)行但是可W由測量者執(zhí)行。
[0125] 然后，光源103產(chǎn)生脈沖光，并經(jīng)由測量單元105將該脈沖光提供給對象101。
[0126] 步驟105是檢測用于測量背景光學系數(shù)的脈沖光的步驟。
[0127] 在步驟S105中，光檢測器107檢測提供給對象101并且傳播通過對象101的脈沖 光，W產(chǎn)生指示所檢測的光的強度的轉(zhuǎn)變的光學信號。在該種情況下，重復(fù)地檢測脈沖光W 將光學信號一起積分，直到該些光學信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步驟S105A)。
[012引步驟S106是將所產(chǎn)生的光學信號轉(zhuǎn)換為預(yù)定頻率分量的步驟。
[0129] 在步驟S106中，頻率分析單元109將光學信號轉(zhuǎn)換到頻域中，并獲取預(yù)定頻率分 量。然后，使用所獲取的頻率分量的振幅和預(yù)先獲取的脈沖光的頻率分量的振幅來獲取振 幅衰減。此外，使用所獲取的頻率分量的相位和脈沖光的頻率分量的相位來獲取相位差。
[0130] 步驟S107是計算對象的背景光學系數(shù)的步驟。
[0131] 在步驟S107中，頻率分析單元109使用在步驟106中獲取的振幅衰減和相位差根 據(jù)相位調(diào)制測量方法來計算對象101的背景光學系數(shù)。
[0132] 步驟S108是獲取感興趣區(qū)域中的光強度分布的步驟。
[0133] 在該個步驟中，光強度獲取單元110使用在步驟S107中獲得的背景光學系數(shù)來獲 取感興趣區(qū)域102中的光強度分布。
[0134] 步驟S109是獲取感興趣區(qū)域中的吸收系數(shù)分布的步驟。
[0135] 在步驟S109中，信息獲取單元111使用在步驟S103中獲取的初始聲壓分布和在 步驟S109中獲取的光強度分布來獲取感興趣區(qū)域中的吸收系數(shù)分布。通過顯示單元112 向測量者呈現(xiàn)所獲取的吸收系數(shù)分布。
[0136] 步驟S103期望地與步驟S104至S108并行地執(zhí)行。因為步驟S104至S108是在 正在執(zhí)行耗時的圖像重構(gòu)處理（步驟S103)的同時執(zhí)行的，所W與順序處理相比，該并行處 理使得能夠縮短總測量時間。
[0137] (例子 1)
[0138] 將參照圖9描述本發(fā)明的效果。首先，將如圖7中所示的來自光源103的波形 轉(zhuǎn)換到頻域中，并且在考慮半周期為l〇〇[ns](其等于脈沖光的半寬）的情況下，獲取1/ (100 [ns] X 2) = 5 [MHz]的頻率分量的振幅和相位。然后，準備背景光學系數(shù)y a b和y ' b分別為0. 005 [/mm]和0. 995 [/mm]的對象，并且獲取作為具有圖7中所示的波形的光入射 的結(jié)果而檢測到的光學信號。將該光學信號轉(zhuǎn)換到頻域中，并且計算5[MHz]分量的振幅和 相位。
[0139] 將光學信號的振幅與光源的振幅的比率確定為振幅衰減。將光學信號的相位相對 于光源的遲滯確定為相位差。在U 和U 的值改變的情況下執(zhí)行該些計算，W計算U b = 0. 005[/mm]并且U ,，b = 0. 995[/mm]時的振幅衰減和相位差的均方殘差。在圖9中， 兩個橫軸分別指示和y,W及縱軸指示均方殘差。
[0140] 圖9表明，在U。b = 0. 〇〇5[/mm]并且U ,，b = 0. 995[/mm]的點處，均方殘差表現(xiàn) 出唯一的最小值。當為了獲得U O = 0. 005 [/mm]并且y ,，= 0. 995 [/mm]處的振幅衰減 和相位差而執(zhí)行逆問題計算時，該計算導(dǎo)致接近于實際值的U = 0. 0051 [/mm] W及y b = 0. 980 [/mm] 〇
[0141] 如上所述，如果使用由光源103產(chǎn)生的脈沖光（沒有任何修改）來執(zhí)行時間分辨 測量方法，則不能如圖6中所示那樣唯一地確定逆問題的解。相反，根據(jù)第一實施例的光 聲測量裝置已經(jīng)證明允許唯一地確定逆問題的解，使得能夠精確地確定對象的背景光學系 數(shù)。
[0142] 第一實施例將對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)看作一致的值。當背景光學系數(shù)具有一 致的值時，可W將公式2中的U ' ,b(r)和Uaj^(r)描述為獨立于位置r的常數(shù)，從而允許 像公式4那樣描述公式2。例如，對于諸如乳房等的對象，除了作為光吸收體的腫瘤之外的 整個區(qū)域具有基本上同質(zhì)的成分，并且腫瘤與整個對象相比十分小。因此，可W沒有任何問 題地認為整個對象的光學特性是一致的。
[0143] 此外，因為光源103的脈寬遠大于時間波形的上述跨度，所W漫射方程允許將脈 沖光看作連續(xù)波（CW)光。該使得能夠使用獨立于時間的漫射方程。
[0144] [數(shù)學式句
[014引 子4^ ^-[\7#(廠)!^化,,.挪廠）牛與0-) = 0......公式4
[0146] (第二實施例）
[0147] 在第一實施例中，測量單元中的光學系統(tǒng)個別地切換到彼此，W改變脈沖光對對 象的照射面積。相反，第二實施例是其中提供多個測量單元W允許并行地執(zhí)行光聲測量和 背景光學系數(shù)測量的實施例。
[014引將參照圖10描述根據(jù)第二實施例的光聲測量裝置的裝置配置。第二實施例的與 第一實施例的相應(yīng)組件相同的組件用相同的標號表示，并且在下面將不對其進行描述。此 夕F，沒有例示與實施例的描述沒有直接關(guān)系的組件。
[0149] 第二實施例包括用于光聲測量的第一測量單元1001和用于背景光學系數(shù)測量的 第二測量單元1002。測量單元彼此獨立，并且被定位為防止來自測量單元之一的照射光影 響由另一個測量單元執(zhí)行的測量。例如，如圖10中所示，測量單元被布置在對象上的相對 表面上。
[0150] 該布置使得由測量單元之一提供的脈沖光可W在由于光在對象內(nèi)部的吸收和散 射而顯著衰減之后到達另一個測量單元。該使得能夠減小脈沖光對由另一個測量單元執(zhí)行 的測量的不利影響。
[0151] 類似于第一實施例，根據(jù)第二實施例的光聲測量裝置具有光源103、導(dǎo)光單元 104、聲學波探頭106、光檢測器107、重構(gòu)單元108、頻率分析單元109、光強度獲取單元110、 信息獲取單元111 W及顯示單元112。此外，根據(jù)第二實施例的光聲測量裝置具有作為專用 于第二實施例的組件的第一測量單元1001、第二測量單元1002、分束器1003 W及第二導(dǎo)光 單元1004。
[0152] 分束器1003是把由光源103產(chǎn)生的脈沖光劃分為兩個路徑的單元。由脈沖光的 劃分得到的光束分別進入導(dǎo)光單元104和第二導(dǎo)光單元1004。分束器可W是例如把光劃分 為透射光束和反射光束的介電膜分束器或偏振分束器、或分割束斑形狀的棱鏡。
[0153] 第二導(dǎo)光單元1004是把由分束器1003執(zhí)行的劃分而得到的一部分脈沖光引導(dǎo)到 測量單元1001的單元。像導(dǎo)光單元104那樣，第二導(dǎo)光單元1004可W是諸如反射鏡或棱 鏡、光纖等的光學構(gòu)件。當光纖用作第二導(dǎo)光單元1004時，可W將禪合光學系統(tǒng)安置在分 束器1003與第二導(dǎo)光單元1004之間，W便有效率地透射光。
[0154] 第一測量單元1001是用由導(dǎo)光單元104發(fā)射的脈沖光照射對象101并且接收光 聲波的單元。第一測量單元1001包括擴束器201，并且在大的面積上將脈沖光提供給對象。 [0巧5] 此外，第二測量單元1002是用由第二導(dǎo)光單元1004發(fā)射的脈沖光照射對象101 并且檢測傳播通過對象的光的單元。透射經(jīng)過第二測量單元1002的脈沖光在小的面積內(nèi) 提供給對象。例如，當?shù)诙?dǎo)光單元1004是光纖時，光纖的出射端可W與對象接觸。另外， 可W在第二導(dǎo)光單元1004與對象101之間提供適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)。
[0156] 現(xiàn)在，將參照圖11描述根據(jù)第二實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理的流程。 圖11中的步驟S204、S205、S206、S207和S208與根據(jù)第一實施例的步驟S103、S106、S107、 S108和S109相同，并且因此在下面將不對其進行描述。
[0157] 步驟S201是用用于光聲測量的脈沖光（第一脈沖光）照射對象的步驟。
[015引在步驟S201中，首先，將第一測量單元1001移動到適于測量感興趣區(qū)域102的位 置。將第二測量單元1002放置在使由第一測量單元1001提供的脈沖光充分衰減的位置 處。優(yōu)選地，可W把在第二測量單元1002中包括的光檢測器放置在離被來自第一測量單元 1001的光照射的位置的直線距離為7cm或更遠處。
[0159] 然后，把由光源103產(chǎn)生的脈沖光的發(fā)射間隔設(shè)置為在適于接收光聲波的時間或 適于檢測傳播光的時間中的較長者。該設(shè)置期望地由裝置自動地執(zhí)行，但是可W由測量者 執(zhí)行。然后，光源103產(chǎn)生脈沖光，并經(jīng)由每個測量單元將該脈沖光提供給對象101。
[0160] 步驟S202是接收在對象中產(chǎn)生的光聲波的步驟。
[0161] 在步驟S202中，聲學波探頭106接收作為用第一脈沖光照射的結(jié)果而在感興趣區(qū) 域102中產(chǎn)生的光聲波，并將該光聲波轉(zhuǎn)換為光聲波信號。在該種情況下，重復(fù)地接收光聲 波W將該些信號一起積分，直到該些信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步驟S202A)。
[0162] 步驟S203是檢測用于測量背景光學系數(shù)的脈沖光的步驟。
[0163] 在步驟S203中，光檢測器107檢測提供給對象101并且傳播通過對象101的脈沖 光，W產(chǎn)生指示所檢測的光的強度的轉(zhuǎn)變的光學信號。在該種情況下，重復(fù)地檢測脈沖光W 將光學信號一起積分，直到該些光學信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步驟S203A)。
[0164] 步驟S202和S203被同步地執(zhí)行。然而，該些步驟中首先達到所需積分次數(shù)的一 個步驟可W進入下一步驟，即使在正在執(zhí)行另一個步驟的同時。
[0165] 除了所描述的步驟之外的步驟類似于根據(jù)第一實施例的相應(yīng)步驟。
[0166] 第二實施例允許如上所述那樣同時執(zhí)行光聲測量和背景光學系數(shù)測量。該使得能 夠縮短測量所需的時間。
[0167](第H實施例）
[016引根據(jù)第一實施例和第二實施例，認為對象的每個背景光學系數(shù)是基本上一致的， 并且因此，對于背景光學系數(shù)計算單個值。相反，根據(jù)第H實施例，在對象上的多個位置處 測量背景光學系數(shù)，W產(chǎn)生背景光學系數(shù)分布。
[0169] 將參照圖12A至12C描述根據(jù)第H實施例的光聲測量裝置的裝置配置。第H實 施例的與第一實施例的相應(yīng)組件相同的組件用相同的標號表示，并在下面將不對其進行描 述。此外，沒有例示與實施例的描述沒有直接關(guān)系的組件。
[0170] 根據(jù)第H實施例，在對象上的多個位置處檢測脈沖光，使用所獲取的多個光學信 號來計算每個背景光學系數(shù)的空間分布（每個背景光學系數(shù)的分布）。可W通過使用每個 背景光學系數(shù)的分布計算光強度分布來更精確地確定感興趣區(qū)域中的吸收系數(shù)分布。
[0171] 如第一實施例的情況那樣，根據(jù)第H實施例的光聲測量裝置包括光源103、導(dǎo)光單 元104、測量單元105、信息獲取單元111 W及顯示單元112。而且，測量單元105包括聲學 波探頭106和光檢測器107。
[0172] 此外，根據(jù)第H實施例的光聲測量裝置具有作為專用于第H實施例的組件的移動 單元1202、光檢測器1201、頻率分析單元1203、光強度獲取單元1204 W及重構(gòu)單元1205。
[0173] 光檢測器1201具有與光檢測器107的功能相同的功能，但是被安裝在與安裝光檢 測器107的位置不同的位置處。光檢測器1201因此可W檢測已行進通過與由光檢測器107 檢測的光的散射路徑不同的散射路徑的光。
[0174] 移動單元1202是移動測量單元105的單元。圖12A至12C示出移動單元1202將 測量單元105移動到H個不同位置的情況。
[01巧]重構(gòu)單元1205與根據(jù)第一實施例的重構(gòu)單元的不同之處在于，重構(gòu)單元1205基 于在不同位置處接收的多個聲學波來執(zhí)行圖像重構(gòu)處理。將在多個位置處接收的信號合成 為一個圖像的重構(gòu)處理的例子包括在時域中逆投影的方法、基于時間反演的重構(gòu)方法、在 傅立葉域中重構(gòu)的方法、W及基于模型的重構(gòu)方法。所產(chǎn)生的初始聲壓分布被輸出到信息 獲取單元111。
[0176] 頻率分析單元1203是該樣的單元，其把由光檢測器107和光檢測器1201獲取 的多個光學信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的預(yù)定頻率分量并且對該些位置中的每個計算振幅衰減和相 位差。頻率分析單元1203然后計算背景吸收系數(shù)的分布Uab(r)和背景散射系數(shù)的分布 y' (r)。使用公式5中所示的用于頻域的漫射方程來計算每個背景光學系數(shù)的分布。
[0177] [數(shù)學式引 i I f ^ \
[0178] V-I；.........................V(p(r) '''''.i /I, '皆J 漸/.)卡巧叫=0......公式 5 pA /心-) I ?' /
[0179] 在公式5中，角頻率[rad]用《表示，S(r)表示強度基于角頻率《進行調(diào)制的 光源項。此外，4 (r) = A (r) exp Qk I r I)，位置r處的光強度的振幅用A (r)表示，位置r處 的相位差用exp ak|r I)表示（傳播通過對象101的其強度被調(diào)制的光的波數(shù)用k表示）。
[0180] 首先，對于S(r)設(shè)置圖12A中的光照射位置，并計算光檢測器107和120中的每 個的A(r)和expakirl)。對圖12B和12C中的位置執(zhí)行類似的計算。對背景吸收系數(shù)的 分布U 和背景散射系數(shù)的分布U ' , b(r)進行優(yōu)化，W使得對于所有的振幅衰減和 相位差，計算值與測量值匹配。
[0181] 都由上述計算得到的背景吸收系數(shù)的分布U aj(r)和背景散射系數(shù)的分布U ', b(r)對應(yīng)于對象101的背景光學系數(shù)的分布。
[0182] 光強度獲取單元1204是使用由頻率分析單元1203獲取的每個背景光學系數(shù)的分 布來獲取感興趣區(qū)域102中的光強度分布的單元。可W使用與根據(jù)第一實施例的方法類似 的方法來計算光的強度。例如，當使用漫射方程時，可W通過把由頻率分析單元1203確定 的背景光學系數(shù)的分布代入公式2中的y。b(r)和y ' , b(r)來對該方程進行求解。
[0183] 現(xiàn)在，將描述根據(jù)第H實施例的對象信息獲取裝置執(zhí)行的處理的流程。圖13中的 步驟S301和S303與根據(jù)第一實施例的步驟SlOl和S104相同，并且因此在下面將不對其 進行描述。
[0184] 步驟S302是接收在對象中產(chǎn)生的光聲波的步驟。
[0185] 在步驟S302中，聲學波探頭106接收作為用第一脈沖光照射的結(jié)果而在感興趣區(qū) 域102中產(chǎn)生的光聲波，并將該光聲波轉(zhuǎn)換為光聲波信號。在該種情況下，重復(fù)地接收光聲 波W將信號一起積分，直到該些信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步驟S302A)。
[0186] 由積分導(dǎo)致的最終值與測量位置相關(guān)聯(lián)，并且然后，將所得的信號發(fā)送到重構(gòu)單 元 1205。
[0187] 步驟S304是檢測用于背景光學系數(shù)測量的脈沖光的步驟。
[018引在步驟S304中，光檢測器107和光檢測器1201檢測被提供給對象101并且傳播通 過對象101的脈沖光，W產(chǎn)生指示所檢測的光的強度的轉(zhuǎn)變的光學信號。在該種情況下，重 復(fù)地檢測脈沖光W將光學信號一起積分，直到該些光學信號表現(xiàn)出足夠的SN比值為止（步 驟 S304A)。
[0189] 由積分得出的最終信號與測量位置和識別光檢測單元的信息相關(guān)聯(lián)，然后，將所 得的信號發(fā)送到頻率分析單元1203。
[0190] 步驟S305是將所產(chǎn)生的光學信號轉(zhuǎn)換為預(yù)定頻率分量的步驟。
[0191] 在步驟S305中，頻率分析單元1203將光學信號轉(zhuǎn)換到頻域中W獲取預(yù)定頻率分 量。然后，使用所獲取的頻率分量的振幅和預(yù)先獲取的脈沖光的頻率分量的振幅來獲取振 幅衰減。此外，使用所獲取的頻率分量的相位和脈沖光的頻率分量的相位來獲取相位差。
[0192] 另外，頻率分析單元與測量位置和識別光檢測單元的信息相關(guān)聯(lián)地存儲所獲取的 振幅衰減和相位差。存儲所獲取的振幅衰減和相位差允許比存儲時間波形本身節(jié)省更大的 存儲容量。
[0193] 步驟S306是移動測量位置的步驟。
[0194] 在步驟S306中，移動單元1202將測量單元105移動到下一測量位置。然后，在所 有的測量位置處，執(zhí)行步驟S301至S305 (步驟S306A)。
[0195] 步驟S307是計算對象的背景光學系數(shù)的步驟。
[0196] 在步驟S307中，頻率分析單元1203使用在步驟S305中獲取的測量位置W及對于 每個光檢測單元的振幅衰減和相位差、根據(jù)相位調(diào)制測量方法來計算對象101的背景光學 系數(shù)的分布。
[0197] 步驟S308是獲取感興趣區(qū)域中的光強度分布的步驟。
[019引在步驟S308中，光強度獲取單元1204使用在步驟S307中獲取的背景光學系數(shù)分 布來獲取感興趣區(qū)域102中的光強度分布。
[0199] 步驟S309是獲取感興趣區(qū)域中的初始聲壓分布的步驟。
[0200] 在步驟S309中，重構(gòu)單元1205重構(gòu)在步驟S302中獲取的每個測量位置處的信 號，W獲取感興趣區(qū)域102中的初始聲壓分布。
[0201] 除了上述步驟之外的所有步驟都類似于根據(jù)第一實施例的對應(yīng)步驟。
[0202] 根據(jù)第H實施例，W分布的形式獲得對象101的背景光學系數(shù)允許比使用平均值 更精確地確定感興趣區(qū)域102中的光強度分布。該允許更精確地確定吸收系數(shù)U
[0203] 第H實施例例示了具有兩個光檢測單元和H個測量位置的情況。然而，本發(fā)明不 限于該些數(shù)量，可W增加光檢測單元或測量位置的數(shù)量。該允許更精確地確定每個背景光 學系數(shù)的分布（特別是對于空間分辨率）。此外，可W在使用單個測量位置的情況下增加光 檢測器的數(shù)量，或者可W在增加測量位置的數(shù)量的情況下使用單個光檢測器。
[0204] (變型）
[0205] 可W使用與所例示的傅立葉變換不同的任何方法，前提條件是例如該方法允許從 所獲取的光學信號提取預(yù)定頻率分量。
[0206] 實施例的描述僅僅是用于描述本發(fā)明的例子，并且在不脫離本發(fā)明的真實精神的 情況下，可W進行本發(fā)明的各種改變及其組合。本發(fā)明還可W實現(xiàn)為用于對象信息獲取裝 置的、包括W上所提及的處理的至少一部分的控制方法。W上提及的處理和裝置可W自由 地組合來實現(xiàn)本發(fā)明，只要不產(chǎn)生技術(shù)不一致即可。
[0207] 本發(fā)明的實施例還可W由系統(tǒng)或裝置的計算機實現(xiàn)，該計算機讀取并執(zhí)行記錄在 存儲介質(zhì)（例如，非暫時性計算機可讀存儲介質(zhì)）上的、用來執(zhí)行本發(fā)明的上述實施例中的 一個或更多個的功能的計算機可執(zhí)行指令，并且本發(fā)明的實施例還可W由系統(tǒng)或裝置的計 算機通過例如從存儲介質(zhì)讀出用來執(zhí)行上述實施例中的一個或更多個的功能的計算機可 執(zhí)行指令并執(zhí)行該些計算機可執(zhí)行指令來實現(xiàn)。所述計算機可W包括中央處理單元（CPU)、 微處理單元（MPU)或其他電路系統(tǒng)中的一個或更多個，并且可W包括獨立算機或獨立計算 機處理器的網(wǎng)絡(luò)。計算機可執(zhí)行指令可W例如從網(wǎng)絡(luò)或存儲介質(zhì)提供給計算機。該存儲介 質(zhì)可W包括，例如，下列存儲介質(zhì)中的一個或更多個：硬盤、隨機存取存儲器（RAM)、只讀存 儲器（ROM)、分布式計算系統(tǒng)的存儲器、光盤（諸如緊湊盤（CD)、數(shù)字多功能盤值VD)或藍 光盤（炬D)?))、閃存裝置、存儲卡等。
[020引盡管已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明不限于所公開的示 例性實施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最廣泛的解釋，W便包含所有該樣的修改W及 等同的結(jié)構(gòu)和功能。
【權(quán)利要求】
1. 一種對象信息獲取裝置，包括： 光照射單元，所述光照射單元用脈沖光照射對象； 聲學波探頭，被配置為把由于來自所述光照射單元的第一脈沖光而在所述對象中產(chǎn)生 的聲學波轉(zhuǎn)換為聲學波信號； 光檢測單元，被配置為把來自所述光照射單元并且傳播通過所述對象的第二脈沖光轉(zhuǎn) 換為光學信號； 頻率分析單元，被配置為基于所述光學信號的預(yù)定頻率分量來獲取關(guān)于所述對象的內(nèi) 部的背景光學系數(shù)； 光強度獲取單元，被配置為基于所述背景光學系數(shù)來獲取光強度分布，所述光強度分 布是到達所述對象的內(nèi)部的第一脈沖光的強度的分布；以及 信息獲取單元，被配置為基于所述聲學波信號和所述光強度分布來獲取關(guān)于所述對象 的內(nèi)部的對象信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述頻率分析單元被配置為：基于 所述預(yù)定頻率分量與所述第二脈沖光的振幅比率、以及所述預(yù)定頻率分量與所述第二脈沖 光之間的相位差來獲取關(guān)于所述對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述預(yù)定頻率分量基于以下頻率： 在該頻率處，構(gòu)成所述第二脈沖光的頻率分量的振幅或功率最大化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述預(yù)定頻率分量基于與所述第 二脈沖光的脈寬的倒數(shù)相對應(yīng)的頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述光檢測單元被配置為把在所 述對象上的多個不同位置處傳播通過所述對象的第二脈沖光轉(zhuǎn)換為多個光學信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的對象信息獲取裝置，其中， 所述頻率分析單元基于所述多個光學信號來獲取所述背景光學系數(shù)的空間分布，并且 所述光強度獲取單元被配置為基于所述背景光學系數(shù)的空間分布來獲取所述光強度 分布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的對象信息獲取裝置，其中， 所述光照射單元被配置為用照射面積比所述第一脈沖光的照射面積小的第二脈沖光 照射所述對象。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述光照射單元包括多個光學構(gòu) 件并且被配置為在所述多個光學構(gòu)件之中切換以單獨地照射第一脈沖光和第二脈沖光。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，所述光照射單元被配置為并行地 用所述第一脈沖光和所述第二脈沖光照射所述對象。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，脈沖光的脈寬在半高全寬為10納 秒至650納秒的范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，其中，脈沖光的脈寬在半高全寬為100 納秒至650納秒的范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對象信息獲取裝置，還包括重構(gòu)單元，所述重構(gòu)單元被配置 為基于所述聲學波信號來獲取所述聲學波的初始聲壓分布，并且 所述信息獲取單元被配置為基于所述初始聲壓分布和所述光強度分布來獲取關(guān)于所 述對象的內(nèi)部的對象信息。
13. -種用于獲取關(guān)于對象的內(nèi)部的信息的方法， 所述方法包括： 用第一脈沖光照射對象的步驟； 把由于所述第一脈沖光而在所述對象中產(chǎn)生的聲學波轉(zhuǎn)換為聲學波信號的步驟； 用第二脈沖光照射所述對象的步驟； 把傳播通過所述對象的第二脈沖光轉(zhuǎn)換為光學信號的步驟； 基于所述光學信號的預(yù)定頻率分量來獲取關(guān)于所述對象的內(nèi)部的背景光學系數(shù)的步 驟； 基于所述背景光學系數(shù)來獲取光強度分布的光強度獲取步驟，所述光強度分布是到達 所述對象的內(nèi)部的第一脈沖光的強度的分布；以及 基于所述聲學波信號和所述光強度分布來獲取關(guān)于所述對象的內(nèi)部的對象信息的步 驟。
【文檔編號】A61B5/00GK104224113SQ201410279140
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】七海隆一 申請人:佳能株式會社