CN103079474A

CN103079474A - 被检体信息获取装置

Info

Publication number: CN103079474A
Application number: CN2011800432404A
Authority: CN
Inventors: 时田俊伸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: EP2615979A1; CN103079474B; WO2012036106A1; US9239316B2; JP5917039B2; JP2012081251A; US20130167648A1

Abstract

一种被检体信息获取装置具有：保持被检体的保持单元；通过保持单元接收在被检体中产生的声波并将声波转换成电信号的探测器；测量当被检体被保持单元保持时向被检体施加的力的力测量单元；通过使用由测量单元测量的力和被检体与保持单元之间的接触面积确定被检体中的声速的声速获取单元；和从关于通过声速获取单元确定的声速的信息和电信号产生被检体信息数据的产生单元。

Description

被检体信息获取装置

技术领域

本发明涉及创建在被检体中产生的声波的图像的被检体信息获取装置。

背景技术

在非专利文献1中已经描述了被开发用于乳腺癌检查的被检体信息获取装置（光声装置）。在非专利文献1中，被检体（***）被压在玻璃板与超声探测器之间，并且，使用Nd:YAG激光器作为光源的照射光（近红外光）通过玻璃板被辐照到***上。在被检体（***）内产生的光声波被超声探测器接收，并且，被检体（***）的内部组织（特别是乳腺癌中的新血管的产生）被重构为图像并被显示。当以这种方式实施图像重构时，在计算中使用被检体中的声速。一般认为***中的平均声速为1510m/s。以这种方式使用光声波来重构图像被称为PAT（光声层析成像）。

但是，在非专利文献1中的装置中，没有提到校正被检体（***）的声速的变化。因此，如果假定的声速与被检体中的声速不同，那么这导致分辨率下降。因此，希望校正声速的变化。专利文献1是这种类型的方法中的一种。

图5示出专利文献1的概略图，其中，提供了透过超声波的保持板502和反射超声波的压板503，并且，探测器501将超声射束传送到被检对象500上。透过保持板502并被压板503反射的回声信号被探测器501接收并被记录。设置有从该回声信号提取传播时间和/或振幅并通过将其与基准回声信号的传播时间和/或振幅相比较而对其进行评价的单元。在这种情况下，能够基于该传播时间和压板503与保持板502之间的间隔计算平均声速。

引文列表

专利文献

PTL1：日本专利No.2786334

非专利文献

NPL1：Srirang Manohar,et al.,The Twente photoacousticmammoscope:system overview and performance,Physics in Medicine andBiology50(2005)2543-2557。

发明内容

技术问题

但是，在常规的技术中存在以下类型的问题。

根据专利文献1，能够确定声速。但是，在计算过程中，除了保持板502以外，必须考虑例如超声回声传播通过接合介质504和探测器501的匹配层的传播时间。专利文献1没有讨论该问题，因此，不能精确地计算声速。并且，如果压板503与保持板502之间的距离增加，那么信号在被检体500内衰减，因此，被压板503反射的信号变小并且测量是困难的。换句话说，如果被检体500大，那么不能测量声速。此外，基于专利文献1的确定声速的方法只适用于平行平板挤压-保持方法（通过压板503和保持板502挤压被检体500的方法）。

鉴于上述的问题设计了本发明，并且，本发明的一个目的是在被检体信息获取装置中提供适当地确定被检对象中的声速的技术。

问题的解决方案

为了解决上述的问题，本发明提供了一种被检体信息获取装置，该被检体信息获取装置包括：

保持被检体的保持单元；

经由保持单元接收在被检体中产生的声波并将声波转换成电信号的探测器；

测量当被检体被保持单元保持时向被检体施加的力的力测量单元；

通过使用由测量单元测量的力和被检体与保持单元之间的接触面积确定被检体中的声速的声速获取单元；和

从关于通过声速获取单元确定的声速的信息和该电信号产生被检体信息数据的产生单元。

本发明还提供一种被检体信息获取装置，该被检体信息获取装置包括：

保持被检体的保持单元；

通过使用光或声波确定被检体和保持单元之间的接触面积的面积测量单元；

通过使用由力测量单元测量的力和被检体与保持单元之间的接触面积计算被检体上的应力的处理单元。

本发明有利效果

根据本发明，能够在被检体信息获取装置中提供用于精确地确定被检体中的声速的技术。

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。

附图说明

图1A是描述例子1的装置构成的示图；

图1B是描述例子1中的挤压和保持的效果的示图；

图1C是描述例子1中的挤压和保持的效果的另一示图；

图2A是描述例子2的装置构成的示图；

图2B是描述例子2的装置构成的另一示图；

图3是描述例子3中的声波的折射的示图；

图4描述被检体信息获取装置的示图；以及

图5是描述背景技术的示图。

具体实施方式

被检体信息获取装置通过被检体保持板利用超声波探测器至少测量从至少被检体（***）产生的声波（典型地为超声波）。通过保持板保持被检体，测量向被检体施加的力和保持板与被检体之间的接触面积，并且，通过参照计算式或表从这些测量值确定被检体内的平均声速。从由探测器接收的超声波信号和确定的声速信息产生被检体信息数据。在以下给出的例子中，被检体是诸如***的活体，并且，描述活体信息获取装置，但是，测量的被检体不限于活体信息获取装置。本发明可被应用于供各种测量对象使用的被检体信息获取装置。并且，在本发明中，被检体中的声速指的是在被检体内传播的声波的传播速度。

被检体信息表示如下信息，该信息反映被检体的内部组织的声学阻抗的变化，声波产生源的分布、被检体内的初始声压分布或从初始声压分布导出的光能吸收密度分布、吸收系数分布和构成组织的物质的浓度分布。物质的浓度的分布为例如氧饱和度的分布和氧化/还原血红蛋白浓度分布等。被检体信息数据是基于这些被检体信息要素的数据：例如，它可以是各种类型的数值数据或者用于通过将上述的各种类型的数值数据可视化而产生被检体的图像的数据。

下面，作为活体信息获取装置（被检体信息获取装置）的一个例子，描述光声***照相术（以下，称为PAM）。

图4是光声层析成像（PAT）的原理被应用于***检查装置的PAM的示图。由于光声波可特异性地获取血液和血管的图像，因此，可以捕获由癌性血管新生而产生的血管的图像。图4表示该原理被应用于乳腺癌的诊断的构成的主要部分。

在图4中，探测器1用于接收从被检体（未示出）产生的光声波。保持板2用于保持被检体，并且，探测器1经由保持板2接收从被检体产生的光声波。希望保持板2的材料为PMP（聚甲基戊烯），但也可代以其它的树脂。压板3通过调整与保持板2的间隙来挤压和保持被检体。希望压板3的材料为诸如丙烯酸或聚碳酸酯的树脂或诸如石英的玻璃。照射光学***11辐射具有约650nm～1100nm的波长的脉冲光，并且，导致从被检体产生光声波。光源和照射光从光源到照射光学***11的路径没有被示出。探测器扫描单元12在保持板的平面方向上执行探测器1的扫描动作，并且，照射光扫描单元13在压板的平面方向上执行照射光光学***11的扫描动作。

以PAM为例子描述本发明，但是，本发明不限于此，并且，假定装置是通过保持板2由探测器1从被检体接收超声波的装置，则本发明也可被应用于超声回声装置或透射型超声装置。在超声回声装置中，通过探测器1传送和接收聚焦的超声波束，并且，在透射型超声装置的情况下，可以设置传送探测器以替代照射光学***11。

以下，在例子1中，描述用于在通过使用形成保持单元的两个平行板挤压和保持被检体的模式中确定声速的方法。在例子2中，描述用于在被检体被按压在保持板上的模式中确定声速的方法。在例子3中，描述用于通过使用确定的声速校正在保持板与被检体之间的界面出现的折射的方法。

例子1

图1A是示出基于平行平板***的装置构成的示图。在该***中，被检体（***）100被***并被夹在保持板2和压板3之间，并且通过使用超声波被测量。探测器1能够至少接收从被检体100产生的超声波。保持板2用于保持被检体100。探测器1具有分别通过保持板2接收从被检体100产生的超声波并将超声波转换成电信号（接收信号）的多个元件。接收的已被转换的信号Sig被发送到在后面描述的处理单元7。探测器1还被安装在未示出的探测器扫描单元上。压板3相对于保持板2将被检体100夹在中间，并且，通过压板3的操作，挤压被检体100或者解除其挤压。

线性标尺4是测量保持板2与压板3之间的距离L的距离测量单元。在本例子中，线性标尺4被用作距离测量单元，但也能够使用其它的传感器。载荷单元5是测量当被检体100被保持和挤压时向被检体施加的力（在例子1中为挤压力F）的力测量单元。在本例子中，使用测量当被检体被挤压时来自被检体的反作用力的载荷单元5作为力测量单元，但是，本发明不限于此，并且，也能够使用其它的传感器。此外，作为向被检体施加的力，压力测量单元也可测量通过压板实际向被检体施加的力而不是仅仅是当被检体被挤压时来自被检体的反作用力。

图1C示出通过图1A中的装置逐渐挤压并保持被检体100的情况的曲线图，其中，在横轴上绘制经过时间，在纵轴上绘制挤压距离和挤压力。图1B表示分别在横轴和纵轴上绘制的挤压操作中的挤压距离和挤压力。图1B中的线的梯度表示弹性模量（杨氏模量），并且，曲线上的数值是弹性模量值。在计算中使用下式（1）～（3）。

虎克定律σ＝Eε（σ：应力；ε：应变；E：杨氏模量）…（1）

σ＝F/A（F：挤压力；A：挤压表面积）…（2）

ε＝ΔL/L（L：挤压前（F＝0）的长度；ΔL：挤压前后的位移量）…（3）

从图1B可以看出，通过挤压和保持动作，换句话说，随着挤压距离变得越小，挤压力的变化关于挤压距离的变化变得越大。换句话说，弹性模量逐渐增加。具体而言，假定应力σ和应变ε可被确定，那么也能够计算杨氏模量E。通过用线性标尺4测量变形前后的板之间的距离，确定应变ε。并且，可从由载荷单元5确定的挤压力F和挤压表面积A计算应力σ。挤压表面积A是被检体与保持板之间（或被检体与压板之间）的接触面积，并且，通过表面积测量单元被测量。如图1A所示，希望安装照相机6并从捕获的图像数据计算挤压表面积A。在这种情况下，捕获图像的照相机和执行计算的处理单元用作用于确定挤压表面积A的表面积测量单元，并且通过使用光计算挤压表面积。

挤压表面积的测量不限于基于照相机6和图像数据计算挤压表面积A的方法。例如，在用探测器扫描单元（未示出）扫描探测器1的同时传送和接收超声波，并且，如果接收的信号穿过被检体100并且可以接收到从压板3反射的信号，那么判断存在被检体100。如果只存在从保持板2反射的信号，那么判断不存在被检体100。这样，还能够采用通过与探测器扫描单元的位置信息比较从反射时间判断被检体100的有无并且确定挤压表面积A的方法。此外，还能够使用光学传感器等。

如上所述，在本发明中，通过光学测量或者声学测量获得被检体与保持单元之间的接触面积。在本发明中采用这种测量方法的原因在于，当在本发明中获取被检体信息时，由于通过保持单元接收声波并然后获取被检体信息，因此，不能通过在保持单元的整个面上布置压力传感器以用于测量接触面积来适当地接收声波。因此，在本发明中，优选通过使用从照相机或光学传感器获得的光信息或者通过使用通过传送和接收超声波（声波）获得的接收信号通过处理单元计算接触面积。并且，能够通过使用从被光辐射的被检体产生的光声波的接收信号通过处理单元计算接触面积。

此外，如图1C所示，在挤压和保持过程中，在完成挤压和保持动作之后，挤压力随时间消失。因此，希望从产生被检体信息数据时使用的声波接收期间的挤压力计算声速。

下面将描述从弹性模量（杨氏模量）计算声速的方法。在图1A中，处理单元7从线性标尺4接收挤压距离信息（关于两个板之间的距离的信息），从载荷单元5接收挤压力信息（F），并从照相机6接收图像数据。此时，挤压表面积（A）可在照相机侧被确定，并被发送到处理单元，并且，可以在处理单元中实施图像处理以确定挤压表面积。计算被检体100的弹性模量和被检体内的平均声速。通过使用下式（4）计算平均声速。

[数学1]

c = \sqrt{\frac{1 - v}{(1 + v) (1 - 2 v)}} \sqrt{\frac{E}{ρ}} \cdot \cdot \cdot (4)

这里，c是平均声速，E是杨氏模量，ρ是密度，例如，1020kg/m³。ν是泊松比，它的值接近0.5。

此外，如果计算弹性模量，那么可通过将相对于标准弹性率的变化率的平方根乘以标准声速，作为弹性模量的函数c（E）计算平均声速。例如，如果被检体100是***，那么标准平均声速为1510m/s，并且标准弹性模量为10kPa。因此，能够通过从计算的弹性模量减去标准弹性模量10kPa并将其平方根乘以标准平均声速（1510m/s）计算平均声速。

并且，处理单元7可使用如下方法，该方法事先准备存储器以存储包含作为变量的挤压距离、挤压力和挤压表面积的表并且通过参照该表从测量结果确定声速。此外，由于在应力和声速之间存在相关性，因此，可以准备存储器以存储包含作为变量的应力的表，并且可通过基于测量的挤压表面积和测量的挤压力参照该表确定声速。

然后，处理单元7接收来自探测器1的电信号（Sig），并且基于该电信号和确定的平均声速信息产生被检体信息数据。然后在监视器8上示出该数据。

在本例子中，保持板和压板与本发明的保持单元对应。通过保持单元由探测器接收声波。载荷单元与力测量单元对应。线性标尺与距离测量单元对应。照相机与表面积测量单元对应。处理单元与确定声速的声速获取单元对应，并与产生被检体信息数据的产生单元对应。

以这种方式，根据例子1，即使在被检体100大并且保持板2与压板3之间的距离大的情况下，也能够以高的精度确定平均声速。因此，能够提高在处理单元7中基于接收信号实施的成像的分辨率。

并且，在本发明中，通过使用被检体与保持板之间的接触面积和挤压力获得的应力的信息可被用于声速计算以外的用途。

例子2

在例子1中，描述了平行平板挤压和保持方法。例子2描述基于向着保持板2按压被检体100的保持方法的测量。

在图2A中，被检体100通过向着作为保持单元的保持板2被按压被保持。在图2A中，被检体100被示为从上面向着保持板2被按压，但是，方向不限于此。并且，保持板2被示为平坦表面部件，但不限于此，并且也可以是具有例如杯形的部件。

然后，安装于探测器扫描单元（未示出）上的探测器1通过保持板2接收从被检体100产生的超声波。接收信号被转换成电信号（Sig），该电信号然后被发送到处理单元7（后面描述）。载荷单元5形成力测量单元，该力测量单元测量当向着保持板2按压被检体100时向被检体施加的力（F）。照相机6用作用于确定按压被检体100时的被检体与保持板之间的接触面积（A）的表面积测量单元。

在图2A所示的被检体保持方法的情况下，不可能为了计算在例子1中描述的弹性模量（杨氏模量）而测量与挤压距离对应的距离，因此，不能直接计算弹性模量并由此不能直接计算平均声速。但是，在弹性模量与基于按压力（向被检体施加的力）和按压表面积（保持板与被检体之间的接触面积）确定的应力σ之间存在相关性。因此，在应力与平均声速之间存在相关性。作为其结果，以表7a或数学式的形式，事先建立该相关性。该表或式被保存于存储器中。

处理单元7从来自照相机6的捕获图像数据确定被检体100的按压表面积A，或者接收已在照相机中计算的按压表面A。通过使用按压表面积和来自作为力测量单元的载荷单元5的按压力计算应力σ，并且，通过参照表7a确定平均声速。处理单元7然后通过使用确定的平均声速和接收信号产生示出被检体信息的图像数据，并且在监视器8上显示图像。

此外，该方法也可被应用于图2B所示的手持探测器的情况。在图2B中，同样，采用通过保持板2由探测器元件1a接收从被检体100产生的超声波的构成。接收信号被转换成电信号，该电信号然后被发送到处理单元7（Sig）。探测器元件1a容纳于外壳9内，并且，保持板2被设置在外壳9的接触被检体100的部分中。用于测量向着被检体100按压保持板2的力的应变计10被附接于保持板2或外壳9。

在图2B的情况下，保持板2按压被检体100的表面积A（接触面积）是保持板2的表面积，因此，它可被视为已知的值。处理单元7以表7a的形式准备按压力与弹性模量之间的相关性或按压力与声速之间的相关性。因此，从与由应力计10计算的应变对应的电信号转换按压力F（向被检体施加的力），并且，通过基于由此确定的按压力参照该表确定平均声速。并且，可从确定的按压力和已知的接触面积导出应力σ，并且，可通过参照表示应力与声速之间的相关性的表7a，确定平均声速。处理单元7然后从确定的平均声速和接收信号产生图像，并且在监视器8上显示图像。

为了将图2A和图2B所示的方法应用于PAM，应从探测器1辐射照射光。

以这种方式，根据例子2，即使在基于平行平板挤压和保持***的类型以外的各种类型的活体信息获取装置中，也能够安装用于确定被检体中的平均声速的机构。

例子3

例子3参照图3描述保持板2中的声速（保持单元内的声速）与被检体100内的声速不同的情况。如果声速在保持板2和被检体100中不同，那么超声波被衍射。如果出现超声波的折射，那么从超声波产生源到探测器元件的距离和角度存在变化。因此，除非校正图像以应对折射，否则分辨率将下降。在此校正中，为了选择来自产生图像的目标的适当的数据，必须规定确定的超声波产生源的（表观）位置和超声波产生源的实际位置之间的关系。此外，必须规定基于折射角度的超声波产生源的正确的位置与超声波的行进时间之间的关系。

希望保持板2由聚甲基戊烯（PMP）制成，并且其中的声速为约2200m/s。在不施加挤压力（按压力）的被检体100中（在***的情况下），声速为约1510m/s，因此，如图3所示，超声波被衍射。如下面表示的那样，该折射应基于斯涅尔定律被校正。

在下面给出的式中，τ是从超声波产生源到探测器元件1的超声波的行进时间，R是此情况中的行进距离。c是平均声速，z是深度（厚度），x是表面方向上的距离，并且θ是折射角度。并且，后缀字母B和P分别表示被检体100和保持板2。例如，c_B是被检体中的平均声速，c_P是保持板中的平均声速。取决于材料，已知保持板2中的声速c_P和保持板2的厚度z_P为均一值。

关于折射角度和深度表达超声波从超声波产生源到探测器1a的行进时间τ。τ是超声波从超声波产生源到折射表面的行进时间和超声波从折射表面到探测器元件的行进时间的总和，并因此如式（5）所示的那样被表达。

[数学2]

τ = \frac{z_{B}}{c_{B}} \frac{1}{\cos θ_{B}} + \frac{z_{P}}{c_{P}} \frac{1}{\cos θ_{P}} \cdot \cdot \cdot (5)

这里，从斯涅尔定律建立式（6）。

[数学3]

\frac{c_{B}}{c_{P}} = \frac{\sin θ_{B}}{\sin θ_{P}} \cdot \cdot \cdot (6)

并且，通过以下的式（7）和（8）表达折射角度。

[数学4]

θ_{P} = \tan^{- 1} \frac{x_{P}}{z_{P}} \cdot \cdot \cdot (7)

θ_{B} = \tan^{- 1} \frac{x_{B}}{z_{B}} \cdot \cdot \cdot (8)

因此，探测器元件与超声波产生源的实际位置之间的位置关系如式（9）所示的那样被表达。

[数学5]

x_P+x_B＝Rcosθ···（9）

如果使用上述的关系，那么能够通过确定被检体中的实际位置和产生到达探测器元件的超声波的实际时间来校正数据。因此，当产生图像时，能够选择与目标对应的精确的数据。

如在例子1和例子2中描述的那样，当向被检体100施加挤压力（按压力）时，被检体100中的平均声速c_B改变。因此，不是将被检体100中的声速计算为1510m/s，而是能够通过在例子1或例子2中描述的方法确定平均声速，并应用该声速值作为上式中c_B的值。这样，能够更精确地校正折射，从提高分辨率的观点看，这是所希望的。

以这种方式，根据例子3，能够校正作为保持板2与被检体100中的声速的差异的结果产生的超声波的折射，并因此提高成像过程的分辨率。

作为用于实现这一点的另一方法，如果被检体100上的挤压力（按压力）增加，直到被检体100中的平均声速变得基本上等于保持板2的声速，那么，当产生图像时，能够计算声速为聚甲基戊烯中的2200m/s的值。因此，不降低分辨率，不必校正超声波的折射，因此，可以缩短计算处理时间。

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。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式及等同的结构和功能。

本申请要求在2010年9月13日提交的日本专利申请No.2010-204380和在2011年8月5日提交的日本专利申请No.2011-171913的权益，通过引用将它们全文并入此。

Claims

1.一种被检体信息获取装置，包括：

保持单元，其保持被检体；

探测器，其通过保持单元接收在被检体中产生的声波并将声波转换成电信号；

力测量单元，其测量当被检体被保持单元保持时向被检体施加的力；

声速获取单元，其通过使用由力测量单元测量的力和被检体与保持单元之间的接触面积确定被检体中的声速；以及

产生单元，其从关于通过声速获取单元确定的声速的信息和所述电信号产生被检体信息数据。

2.根据权利要求1的被检体信息获取装置，还包括确定所述接触面积的面积测量单元。

3.根据权利要求1或2的被检体信息获取装置，其中，声速获取单元从由力测量单元测量的力和所述接触面积确定应力，并且使用所述应力以确定被检体中的声速。

4.根据权利要求1～3中的任一项的被检体信息获取装置，其中，保持单元通过两个板挤压和保持被检体。

5.根据权利要求1～3中的任一项的被检体信息获取装置，其中，保持单元是向着被检体按压的部件。

6.根据权利要求1～3中的任一项的被检体信息获取装置，还包括容纳探测器的外壳，其中，

保持单元是被设置在外壳与被检体接触的位置处的板。

7.根据权利要求3的被检体信息获取装置，还包括存储器，其被事先准备以保存表达被检体中的应力和被检体中的声速之间的关系的表或式子，其中，

声速获取单元通过参照所述存储器中的所述表或式子基于应力确定被检体中的声速。

8.根据权利要求4的被检体信息获取装置，还包括距离测量单元，其测量保持单元的两个板之间的距离，其中，

声速获取单元通过使用由距离测量单元测量的在保持单元挤压被检体之前和之后两个板之间的距离、由力测量单元测量的力和所述接触面积确定被检体中的声速。

9.根据权利要求1～8中的任一项的被检体信息获取装置，其中，

保持单元中的声速与被检体中的声速不同，并且，

在产生被检体信息数据时，所述产生单元通过使用由声速获取单元确定的被检体中的声速和保持单元中的声速校正所述电信号。

10.根据权利要求1～9中的任一项的被检体信息获取装置，其中，声波是在被光照射的被检体中产生的声波。

11.根据权利要求1～9中的任一项的被检体信息获取装置，其中，所述声波是传送到被检体并被反射的超声波。

12.一种被检体信息获取装置，包括：

保持单元，其保持被检体；

面积测量单元，其通过使用光或声波确定被检体和保持单元之间的接触面积；以及

处理单元，其通过使用由力测量单元测量的力和被检体与保持单元之间的接触面积计算被检体上的应力。