CN106659396A - 被检体信息获取装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种被检体信息获取装置，包括：支撑单元，被配置为能够保持液体声匹配构件；多个接收元件，每个接收元件被支撑在支撑单元上，以接收经由声匹配构件从被检体传播的声波并输出电信号；扫描单元，通过移动支撑单元来改变每个接收元件与被检体的相对位置；控制单元，控制由扫描单元进行的支撑单元的移动的速度；以及处理单元，基于电信号获取被检体内部的特定信息。扫描单元在具有不同曲率的部分的路径上移动支撑单元。

Description

被检体信息获取装置

技术领域

本发明涉及被检体信息获取装置。

背景技术

关于使用来自光源(诸如激光器)的光照射被检体(诸如生物体)以及使基于入射光获得的被检体内的信息成像的光学成像装置的研究在医疗领域中已经活跃。光声成像(PAI)是这样的光学成像技术中的一种。在光声成像中，使用从光源生成的脉冲光照射被检体，接收从已经吸收在被检体内传播/扩散的脉冲光的能量的被检体组织生成的声波(通常为超声波)，并且基于接收信号对被检体信息成像。

当用光照射被检体时，因为目标片段(诸如肿瘤)与其它组织之间光能吸收率的差异，已经吸收光能的被检体片段瞬间扩展并生成声波(称为光声波)。在光声成像中，使用探头(接收元件)接收由这种光声效应生成的光声波。

通过数学地进行接收信号的分析处理，可以获取被检体内的信息，特别是初始声压分布、光能吸收密度分布、吸收系数分布等。这样的信息还可以用于被检体内特定物质的定量测量(诸如血氧饱和度)。近年来，关于使用光声成像对小动物的血管图像的成像的临床前研究或者对将这个原理应用于乳腺癌等的诊断的临床研究已经活跃(NPL1)。

NPL 2描述了一种使用其中多个接收元件的接收表面布置在半球形支撑单元的内表面上的传感器来获取被检体的信息的测试装置。因为可以使用传感器以高灵敏度接收在特定区域中生成的光声波，所以该特定区域中的被检体信息的分辨率高。

在NPL 2中的测试装置中，半球形支撑单元的内部填充有由液体或凝胶形成的声匹配构件，用于将光声波传播到超声探头。表示具有高分辨率的被检体的信息是在宽范围内通过相对于浸入声匹配构件中的被检体在水平方向移动传感器的位置来获取的。

内部保持有液体声匹配构件的容器状传感器不仅可以用于光声成像，而且可以用于超声回波诊断。在使用这样的传感器的情况下，优选的是声匹配构件填充被检体和传感器之间的间隙并且传感器和被检体被声耦合。

[引文列表]

[非专利文献]

[NPL 1]

“Photoacoustic Tomography：In Vivo Imaging From Organelles to Organs”，Lihong V.Wang，Song Hu，Science 335，1458(2012)

[NPL 2]

“Dedicated 3D Photoacoustic Breast Imaging”，Robert A.Kruger,CherieM.Kuzmiak,Richard B.Lam,Daniel R.Reinecke,Stephen P.Del Rio and Doreen Steed，Medical Physics 40，113301(2013)

发明内容

[技术问题]

但是，在NPL 2中描述的测试装置中，在声波的清晰接收方面存在改进的空间。因而，本发明的一个目的是使得能够在其中保持声匹配构件的传感器被移动以从被检体接收声波的装置中清晰地接收声波。

[问题的解决方案]

本发明提供了一种被检体信息获取装置，包括：

支撑单元，被配置为能够保持液体声匹配构件；

多个接收元件，每个接收元件被支撑在支撑单元上，以接收经由声匹配构件从被检体传播的声波，并输出电信号；

扫描单元，通过移动支撑单元来改变多个接收元件与被检体的相对位置；

控制单元，控制由扫描单元进行的支撑单元的移动的速度；及

处理单元，基于电信号获取被检体内部的特定信息，

其中扫描单元在具有不同曲率的部分的路径上移动支撑单元，及

控制单元根据曲率的量值来控制移动速度。

本发明还提供了一种被检体信息获取装置，包括：

支撑单元，被配置为能够保持液体声匹配构件；

多个超声波接收元件，每个超声波接收元件被支撑在支撑单元上，以接收经由声匹配构件从被检体传播的声波；

扫描单元，通过移动支撑单元来改变支撑单元与被检体的相对位置；以及

控制单元，控制由扫描单元进行的支撑单元的移动的速度，

其中扫描单元在包括具有第一曲率半径的第一部分和具有小于第一曲率半径的第二曲率半径的第二部分的路径上移动支撑单元，及

控制单元控制支撑单元的移动速度，使得当在第二部分中移动时支撑单元的速度变得低于当在第一部分中移动时支撑单元的速度。

发明的有利效果

使用本发明，在其中保持声匹配构件的传感器被移动以从被检体接收声波的装置中，声波的清晰接收是可能的。

从下面参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1A至1C是表示装置的配置和行为的图。

图2A至2C是表示装置的配置和行为的修改示例的图。

图3是表示声波接收元件的灵敏度特性的图。

图4是示出计算机及其***装备的连接的图。

图5是用于示出支撑单元的移动区域的图。

图6是表示声匹配构件的液面的倾斜角的图。

图7是表示支撑单元的移动区域的修改示例的图。

图8是示出速度控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的优选实施例。应该注意，下面描述的部件的尺寸(dimension)、材料和形状及其相对布置等应该依赖于本发明适用的装置的配置或各种条件而适当地改变，并且不意图将本发明的范围限制为下面的描述。

本发明涉及一种技术，其中检测从被检体传播的声波，并且生成和获取被检体内部的特定信息。因而，本发明可以被理解为被检体信息获取装置、控制被检体信息获取装置的方法、被检体信息获取方法或者信号处理方法。本发明还可以被理解为使得包括硬件资源(诸如CPU)的信息处理装置进行这些方法的程序或者存储该程序的存储介质。本发明还可以被理解为声波测量装置或控制声波测量装置的方法。

本发明可以应用到使用光声层析成像技术的被检体信息获取装置，该装置使用光(电磁波)照射被检体并接收(检测)根据光声效应从被检体内或被检体表面上的特定位置处生成并传播的声波。因为可以基于光声测量以图像数据、特性分布信息等形式获得被检体内部的特定信息，所以这样的装置也可以被称为光声成像装置、光声图像形成装置或简单地称为光声装置。可替代地，本发明的装置测试被检体的内部，并且因此可以被称为测试装置。

光声装置中的特定信息是由光照射引起的声波的生成源分布、被检体内的初始声压分布、从初始声压分布得出的光能吸收密度分布或吸收系数分布、形成组织的物质的浓度分布等。物质的浓度是氧饱和度、氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度等。总血红蛋白浓度是氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度的总和。还包括脂肪、胶原蛋白或水分的分布等。特定信息可以不作为数值数据而是作为被检体内每个位置的分布信息获得。即，吸收系数分布、氧饱和度分布等的分布信息可以是被检体信息。

本发明可以应用到使用超声回波技术的装置，其中超声波被发送到被检体，在被检体内反射的反射波(回波)被接收，并且被检体信息作为图像数据被获取。在使用超声回波技术的装置的情况下，获取的被检体信息是反映被检体内组织的声阻抗差异的信息。

本发明中提到的声波通常是超声波，并且包括被称为音波(sound wave)或声波(acoustic wave)的弹性波。由光声效应生成的声波被称为光声波或光诱导超声波。由探头从声波转换的电信号也被称为声信号，并且源自光声波的声信号特别地被称为光声信号。

作为本发明的目的，可以预期生物体的***。应该注意，被检体不限于此，并且有可能测试非生物材料或生物体的其它片段。因而，本发明也可以被理解为被检体信息获取装置或控制被检体信息获取装置的方法。

根据发明人的研究，在根据NPL 2的被检体信息获取装置中，当填充有声匹配构件的传感器的位置在水平方向移动时，惯性力作用于声匹配构件上并且液面振荡。当液面的振荡增大时，存在被检体与传感器之间形成没有填充声匹配构件的空气层的情况，使得接收元件不能接收声波。因而，在下面的实施例中，将描述减小液面的这种振荡的影响的装置配置和行为。

(本发明的概要)

本发明的被检体信息获取装置包括多个声波接收元件和支撑声匹配构件的支撑单元，以将从被检体生成的声波传播到声波接收元件，使得在特定区域内生成的声波可以以高灵敏度被接收。在这种实施例中，该特定区域被称为高灵敏度区域。

本发明的被检体信息获取装置包括扫描单元，使用该扫描单元，支撑单元的位置在具有不同曲率的部分的弯曲路径上在水平方向相对于被检体移动，使得可以在宽范围内以高灵敏度测试被检体。另外，本发明的被检体信息获取装置包括控制单元，该控制单元控制扫描单元根据弯曲路径的曲率设置移动支撑单元的速度。

当在水平方向移动填充有声匹配构件的支撑单元的位置时，具有上述配置的被检体信息获取装置在路径的曲率增加的情况下控制移动速度减速。相应地，作用于声匹配构件的惯性力减小，并且液面的振荡也减小。通过这种控制，可以将由于惯性力引起的声匹配构件的液面的振荡减小到允许的范围内。结果，声匹配构件填充被检体和声波接收元件之间的间隙。因此，可以清晰地接收从与声波接收元件声耦合的被检体发射的声波。

具有上述配置的被检体信息获取装置在填充有声匹配构件的支撑单元的位置在水平方向移动的路径的曲率减小的情况下控制移动速度加速。当通过这种控制使得由于惯性力引起的声匹配构件的液面的振荡减小到允许的范围内时，声匹配构件填充被检体和声波接收元件之间的间隙。结果，有可能清晰地接收从与声波接收元件声耦合的被检体发射的声波。另外，从与声波接收元件声耦合的被检体发射的声波可以被清晰接收的状态得以维持，并且测量时间可以缩短。

本申请中的移动速度(改变接收元件和被检体的相对位置的速度)是具有曲率的路径上切线方向上的速度。切线方向上的速度是指例如以mm/sec为单位表示的每单位时间的移动距离，而不是指所谓的角速度(rad/sec)。

(实施例1)

图1(图1A至1C)和图2(图2A至2C)是示出根据这个实施例的被检体信息获取装置的配置和行为的示意图。被检体信息获取装置基于由光声效应生成的声波的接收信号来获取被检体E的特定信息(被检体信息)。

<基本配置>

这个实施例中的被检体信息获取装置包括光源100、光学***200、多个声波接收元件300、支撑单元400、扫描仪500、形状信息获取单元600、计算机700、显示器900、输入单元1000和形状保持单元1100。

(被检体)

被检体E是测量的目标。特定示例包括生物体(诸如***)和用于装置的调整或校正的、模拟生物体的声学特性和光学特性的体模(phantom)。声学特性具体地是声波的传播速度和衰减速率。光学特性具体地是光的吸收系数和散射系数。在被检体的内部或表面，存在具有大光吸收系数的光吸收体。在生物体中，血红蛋白、水、黑色素、胶原蛋白、脂肪等是光吸收体。在体模中，模拟光学特性的物质作为光吸收体被封装在内部。为了方便起见，在图1和图2中用虚线示出被检体E。

(光源)

光源100生成脉冲光。作为光源，激光器是期望的，以便获得大输入，但发光二极管等是可以接受的。为了有效地生成光声波，需要根据被检体的热特性在足够短的时间段内进行光照射。在被检体是生物体的情况下，从光源100生成的脉冲光的脉冲宽度期望地小于或等于几十纳秒。脉冲光的波长处于被称为生物窗的近红外区域中，并且大约700nm至1200nm是期望的。这个区域中的光可以到达生物体的相对深的部分，并且可以获得该深部的信息。当测量限于生物体的表面部分时，可以使用近似500至700nm至近红外区域的可见光。另外，期望脉冲光的波长的吸收系数相对于观察目标高。光源100(诸如激光器)不一定需要与稍后描述的支撑单元400同步地移动。光源100可以布置在不与支撑单元400的移动协调的位置，使得来自光源的光通过光波导(诸如光纤)被引导到支撑单元中。

(光学***)

光学***200将在光源100处生成的脉冲光引导到被检体E。具体地，它是诸如透镜、反射镜、棱镜、光纤或漫射器或其组合的光学装备。在引导光时，优选的是使用这种光学装备来改变光的形状或密度以用于得到照射光的期望光分布。在这个实施例中，光学***200被配置为照亮半球的曲率中心处的区域。

对于允许使用其照射生物组织的光的强度，最大允许曝光(MPE)由安全标准指定。安全标准的示例包括“IEC 60825-1：Safety of laser products(激光产品的安全性)”。有诸如“JIS C 6802：Safety Standards for Laser Products(激光产品的安全标准)”、“FDA：21CFR Part 1040.10”和“ANSI Z136.1：Laser Safety Standards(激光安全标准)”的安全标准。最大允许曝光指定每单位面积可以进行照射的光的强度。因此，通过用光全面地(collectively)照射被检体E的表面的大面积，可以将大量的光引导到被检体E。结果，可以以高SN比接收光声波。因此，优选的是将面积增大到一定程度，如由图1和图2中的双点划线所示，而不是用透镜聚焦光。

(声波接收元件)

声波接收元件300是使用其接收光声波并将光声波转换为电信号的元件，并且也被简称为接收元件。期望相对于来自被检体E的光声波接收灵敏度高并且频带宽。

对于声波接收元件300的材料，可以使用以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷材料、以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的压电聚合物膜材料等。可以使用不是压电材料的构件，诸如电容性元件，诸如电容性微加工超声换能器(cMUT)，或者使用Fabry-Perot干涉仪的声波接收元件。

图3示出了声波接收元件300的接收灵敏度特性的一个示例。由图3中的横坐标示出的“角度”是由声波接收元件300的接收表面的法线方向和光声波的入射方向形成的入射角。纵坐标示出在每个入射角的接收灵敏度的相对值。在图3中，在声波从接收表面的法线方向入射的情况下的接收灵敏度最高。即，当入射角等于零时，灵敏度等于S(最大值)。随着入射角增大，接收灵敏度降低。根据这个实施例的声波接收元件300具有圆形和平坦形状的接收表面。

当接收灵敏度变为最大值的一半(S/2)时的入射角为α。在这个实施例中，其中光声波以入射角α或更小角度入射到声波接收元件300的接收表面上的区域是其中元件能够以高灵敏度接收的接收区域。应该注意，接收区域不限于这种半宽度，并且根据元件特性、测量期望的精确度等来指定就足够了。在图1和图2中，声波接收元件300的接收灵敏度最高的方向由点划线示出。

作为声波接收元件300，可以提供能够发送和接收超声波的元件。在使用能够发送超声波和接收反射波的元件的情况下，不仅光声测量而且超声回波测量是可能的。在这种情况下，接收元件还充当声波发送单元。为了进行超声回波测量，可以提供专用于超声波发送的元件。在这种情况下，专用于发送的元件是声波发送单元。

(支撑单元)

支撑单元400是近似半球形的容器。多个声波接收元件300安装在半球的内部的表面处，并且光学***200安装在半球的底部(极点)处。半球的内部填充有稍后描述的声匹配构件800。支撑单元400优选地使用具有高机械强度的金属材料配置，以便支撑这些构件。

提供给支撑单元400的多个声波接收元件300的接收方向分别朝向半球的曲率的中心。接收方向由在被检体E的一部分中的区域中会聚的点划线示出。图1和图2是沿着半球形支撑单元400的中心轴线切割时的截面图。

以这种方式，多个声波接收元件300的相应元件被布置在支撑单元400上，使得可以以高灵敏度接收在特定区域中生成的光声波。在这个实施例中，该特定区域被称为高灵敏度区域。

在多个声波接收元件300的这种布置的情况下，用稍后描述的方法使用接收信号获得的被检体信息在半球的曲率中心处分辨率高，并且远离中心分辨率降低。这个实施例中的高灵敏度区域指的是从分辨率最高的点直到分辨率为最高分辨率的一半的点的区域。在图1和图2中由虚线包围的区域G对应于此。

图1中的支撑单元400适于在俯卧位垂下的***的宽视场测量。图2中的支撑单元400适于***的深部的测量，因为***可以从一侧被按压并变薄，但是测量视角变得比图1中的被检体信息获取装置中窄。

只要可以形成期望的高灵敏度区域，相应的声波接收元件的最高灵敏度的方向不一定需要彼此相交。由支撑单元400支撑的多个声波接收元件300中的至少一部分的最高接收灵敏度的方向朝向特定区域，使得可以以高灵敏度接收在该特定区域中生成的光声波就足够了。即，多个声波接收元件300中的至少一部分布置在支撑单元400上，使得可以以高灵敏度接收在高灵敏度区域中生成的光声波就足够了。

支撑单元400的形状不限于半球。也可以使用球冠形状、从椭圆体切出的部分的形状、多个平面或曲面组合的形状等。也可以使用具有能够容纳声匹配构件的凹陷部分的形状。期望可以支撑多个声学检测元件的形状，使得多个声学检测元件中的至少一部分的接收方向会聚。

在使用稍后描述的扫描器(扫描单元)在水平方向移动支撑单元400以遵循圆形或螺旋形路径的装置中，支撑单元400关于半球的中心轴线呈旋转对称形状是适当的。因为惯性力在圆形或螺旋路径的法线方向作用于声匹配构件以使液面倾斜，所以可以通过使支撑单元400关于圆形或螺旋路径呈旋转对称形状来缓和液面的变化。

(扫描仪)

扫描仪500是通过在图1和图2中的X和Y方向上移动支撑单元400的位置来改变支撑单元400相对于被检体E的相对位置的装置。因此，扫描仪500包括未示出的用于X和Y方向的引导机构、用于X和Y方向的驱动机构，以及检测支撑单元400在X和Y方向上的位置的位置传感器。因为支撑单元400堆叠在扫描仪500上，如图1和图2中所示，所以优选的是使用能够承受大负载的线性引导件作为引导机构。作为驱动机构，可以使用螺杆机构、连杆机构、齿轮机构、液压机构等。对于驱动力，可以使用马达等。作为位置传感器，可以使用使用编码器、可变电阻器等的电位器等。

不限于本文列出的这些，并且其配置使得支撑单元400能够相对于被检体E移动的任何东西都可以。除了在X和Y方向上的驱动机构，支撑单元400还可以由可移动机构在与其轴向正交的Z方向上移动。

还有可能移动支撑单元400，以遵循包括例如具有第一曲率半径的第一部分和具有小于第一曲率半径的第二曲率半径的第二部分的路径。在那时，控制单元控制支撑单元的移动速度使得当在第二部分中移动时支撑单元的速度变得低于当在第一部分中移动时支撑单元的速度。

(形状信息获取单元)

形状信息获取单元600是获取表示被检体E的外部形状的形状信息的装置。形状信息获取单元600可以包括能够对被检体E进行成像的成像装置，诸如照相机或发送和接收声波的换能器阵列。作为换能器，可以采用与多个声波接收元件300或多个声波接收元件300中的至少一个元件分开设置的换能器等。这样的换能器可以发送声波并接收声波的反射波。

可以使得作为拍摄图像处理单元的运算单元710基于从这种成像装置输出的接收信号来获取拍摄图像，并且通过基于拍摄图像的图像处理来获取被检体E的形状信息。运算单元710可以基于从多个方向拍摄的拍摄图像使用诸如立体方法的三维测量技术来获取被检体E的形状信息。用户可以观看在显示器900中显示的拍摄图像并且使用输入单元1000输入被检体E的形状信息。在这种情况下，成像装置和拍摄图像处理单元可以被统称为形状信息获取单元600。

作为形状信息获取单元600，可以使用接触探头。在这种情况下，运算单元可以基于从接触探头输出的数据获取被检体E的表面的形状信息。

可以获取形状保持单元1100的形状，作为被检体E的形状信息。在这种情况下，可以使得形状信息获取单元600使用上述方法获取形状保持单元1100的形状信息，并且形状保持单元1100的形状信息作为被检体E的信息被获取。可以使得形状保持单元1100的形状信息被预先存储在存储单元720中，并且形状信息获取单元600通过从存储单元720读取信息来获取形状保持单元1100的形状信息。运算单元710还可以充当形状信息获取单元600。

另外，在使用多个形状保持单元的情况下，优选的是每个形状保持单元的形状信息都被存储在存储单元720中。要使用的形状保持单元由被检体信息获取装置识别或由用户使用输入单元1000指定，由此，由形状信息获取单元600使用的形状保持单元的形状信息可以从存储单元720读取。即，形状信息获取单元600可以从多个形状保持单元的形状信息中选择一个形状保持单元的形状信息，并获取所选择的形状信息作为被检体的形状信息。

形状信息获取单元600可以与被检体信息获取装置分开设置。

(计算机)

计算机700具有运算单元710和存储单元720。

运算单元710通常设置有诸如CPU、GPU、A/D转换器或放大器的元件或诸如FPGA或ASIC的电路。运算单元可以不设置有一个元件或电路，而设置有多个元件或电路。由计算机700进行的每个处理可以由元件或电路中的任何一个执行。

存储单元720通常设置有诸如ROM、RAM或硬盘的存储介质。存储单元可以不设置有一个存储介质，而设置有多个存储介质。

运算单元710对于从多个声波接收元件300输出的电信号进行信号处理。作为控制单元的运算单元710经由总线2000控制形成被检体信息获取装置的每个配置的行为，如图4中所示。

计算机700优选地被配置为允许同时对多个信号进行流水线处理。从而，可以缩短直到获取被检体信息为止的时间。

由计算机700进行的每个处理可以作为要由运算单元710执行的程序保存在存储单元720中。应该注意，其中保存有程序的存储单元720是非暂时性记录介质。

(声匹配构件)

声匹配构件800填充被检体E和声波接收元件300之间的空间，并且使被检体E和声波接收元件300声耦合。因此，优选的是将声匹配构件800布置在声波接收元件300和形状保持单元1100之间以及形状保持单元1100和被检体E之间。不同的声匹配构件800可以分别布置在声波接收元件300和形状保持单元1100之间以及形状保持单元1100和被检体E之间。

声匹配构件800优选地是在声阻抗方面接近被检体E和声波接收元件300的材料。另外，声匹配构件800优选地是具有在被检体E和声学接收元件300之间的中间声阻抗的材料。声匹配构件800优选地是允许在光源100处生成的脉冲光通过的材料。声匹配构件800优选地是液体。具体地，作为声匹配构件800，除了诸如水或蓖麻油的液体之外，还可以使用凝胶等。

(显示器)

显示器900(显示单元)使用所关注的特定区域的分布图像或数值数据来显示从计算机700输出的被检体信息。显示器可以是任何类型的显示器，诸如液晶显示器、等离子体显示器、有机EL显示器或FED。显示器900可以与本发明的被检体信息获取装置分开设置。

(输入单元)

输入单元1000是用于让用户在计算机700中输入和指定期望信息的用户接口。作为输入单元1000，可以使用键盘、鼠标、触摸面板、拨号盘、按钮等。在采用触摸面板作为输入单元1000的情况下，显示器900可以是也充当输入单元1000的触摸面板。

(形状保持单元)

形状保持单元1100是用于将被检体E的形状保持为恒定的构件。形状保持单元1100附连到附连单元1200。为了改变被检体E的被保持形状或者处理被检体E的尺寸的个体差异，其中具有不同形状或尺寸的多个形状保持单元可更换的配置是优选的。

在被检体E是***的情况下，形状保持单元1100优选地为球冠形或杯形，以便减少***形状的变形。形状保持单元1100的形状可以根据被检体的体积或在被保持后期望的形状来适当地设计。

在用光经由形状保持单元1100照射被检体E的情况下，形状保持单元1100优选地使照射光通过。因此，作为形状保持单元1100的材料，聚甲基戊烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等是合适的。

作为形状保持单元1100的另一种材料，可以使用能够变形以适应被检体E的形状的具有柔性的材料，诸如橡胶。具有柔性的材料的优点在于，在保持被检体E时比较不容易形成褶皱。优选的是使用对于光源100的光具有高透射率(优选大于或等于90％)的构件。具体地，硅橡胶、聚氨酯橡胶、苯乙烯类弹性体、烯烃类弹性体、丙烯酸类弹性体等是合适的。

<被检体信息获取装置的行为>

接下来，将描述被检体信息获取装置的行为。这个实施例中的行为是这样的行为：使得在声匹配构件800填充被检体E和声波接收元件300之间的间隙的情况下，即使支撑单元400的位置在水平方向移动，声波接收元件300也可以清晰地接收从被检体E发射的声波。

图5示出了适于形状保持单元1100的支撑单元400在X和Y方向上的移动区域的一个示例。在这个示例中，螺旋路径从点A以半径r₀开始并且在三圈后到达点B，每圈中半径减小Δ。由粗线示出的螺旋路径示出了例如支撑单元400的中心点的路径。螺旋路径由以下公式(1)表示。

[数学表达式1]

如从图5和公式(1)可以看到的，曲率依赖于位置而不同，因为支撑单元400的路径的曲率半径r一点点地(bit by bit)改变。即，支撑单元400接收从被检体传播的声波，同时在包括不同曲率的部分的弯曲路径上移动。弯曲路径可以是前面描述的近似弧形路径，其中微直线路径被连接。支撑单元可以在持续移动的同时接收声波，或者可以在重复停止和移动的同时在停止部分中接收声波。在这时，支撑单元在线性地改变速度v(mm/sec)的同时移动。从接收元件输出的电信号由计算机基于图像重建算法进行处理，并且变成被检体内部的特定信息。

图1A和图2A示出了其中填充有声匹配构件800的支撑单元400被停止并且声匹配构件800的液面是水平的状态。

图1B和图2B示出了在填充有声匹配构件800的支撑单元400在移动到图5中的开始位置A之后开始在弯曲路径上移动之后的状态。在图1B和图2B中，由于支撑单元400的移动，惯性力作用于声匹配构件800上，以使液面从水平变为倾斜。但是，在这个阶段，所有声波接收元件300和保持被检体E的形状保持单元1100之间的间隙都被声匹配构件800填充。因此，保持两者的声耦合。

图1C和图2C示出了比图1B和图2B中更大的惯性力作用于声匹配构件800上的状态。因此，在图1C和图2C中，声匹配构件800的液面比图1B和图2B中的状态更倾斜。结果，在声波接收元件300的一部分和保持被检体E的形状保持单元1100之间的间隙(由箭头S示出)中形成未被声匹配构件800填充的空间(空气层)。因而，声波接收元件300的一部分不与被检体E声耦合并且因此不能接收光声波。

在这个实施例中，其中声波接收元件300的接收表面的法线与未被声匹配构件800填充的空间(空气层)相交的状态被假设为其中被检体E和声波接收元件300不声耦合的状态。在图1C的示例中，声波接收元件300的一部分的接收表面暴露于未被声匹配构件800填充的空间(空气层)。在图2C的示例中，所有声波接收元件300的接收表面都与声匹配构件800接触，但未被声匹配构件800填充的空间(空气层)在声波接收元件300能够以高灵敏度接收的方向和被检体E之间形成。

作用于声匹配构件800上的惯性力F由以下公式(2)表示，其中惯性力作用于其上的声匹配构件800的质量是m，并且移动速度是v。

[数学表达式2]

假设在被检体E和声波接收元件300声耦合的情况下的最大惯性力为F_max，则通过控制移动速度v(mm/sec)以满足公式(3)的条件，被检体E和声波接收元件300之间的间隙可以填充有声匹配构件800。相应地，被检体E和声波接收元件300可以声耦合。

[数学表达式3]

<速度控制方法>

接下来，将描述用于控制移动速度v(mm/sec)的特定方法。图8中所示的流程图将根据需要被引用。在这个实施例中，在图1和图2中示出的被检体E预期是***，并且形状为部分球形的保持器被用作形状保持单元1100。

首先，将被检体E***形状保持单元1100，并且声匹配构件800填充支撑单元400和形状保持单元1100之间的间隙以及形状保持单元1100和被检体E之间的间隙。被检体信息获取装置的操作者(诸如技术人员或医生)使用输入单元1000输入转弯半径r₀，以便在圆形路径中移动支撑单元400。在这种状态下流程开始。转弯半径为r₀，即，图5中所示的最大值，以找出满足公式(3)的条件的移动速度v(mm/sec)的最大值。

使用扫描仪500，支撑单元400移动并停止在要以转弯半径r₀开始测量的位置A处(步骤S801)。在这时，填充有声匹配构件800的支撑单元400停止，并且声匹配构件800的液面是水平的。

支撑单元400的位置信息被发送到计算机700。当基于位置信息确定支撑单元400处于以转弯半径r₀开始测量的位置时，运算单元710输出控制信号，使得光源100生成光。光由光学***200引导，并且经由声匹配构件800照射被检体E(步骤S802)。然后，使用其照射被检体E的光在被检体E内被吸收并生成光声波。使用多个声波接收元件300，在被检体E内生成并在声匹配构件800内传播的光声波被接收并转换成电信号。从声波接收元件300输出的电信号被发送到计算机700，并且运算单元710确定电信号是从所有声波接收元件300输出的。

随后，被检体信息获取装置的操作者使用输入单元1000进行输入，以便以分段的方式加速移动速度，以便在具有转弯半径r₀的圆形路径中从停止状态移动支撑单元400(步骤S803)。扫描仪500使移动速度从停止状态以分段的方式加速，以便使支撑单元400在具有转弯半径r₀的圆形路径中移动。当移动速度增加时，作用于声匹配构件800上的惯性力增加，并且因此液面的倾斜增加。通过图1B和图2B中的状态，以分段的方式过渡到图1C和图2C中所示的状态，其中被检体E和声波接收元件300没有声耦合。

当即使发送到计算机700的、从声波接收元件300输出的一个电信号缺失时，运算单元710也能确定没有从声波接收元件300的一部分输出电信号(步骤S804中的“是”)。然后，紧接着在电信号已停止从声波接收元件300的一部分输出之前的移动速度作为导致上述F_max的移动速度v_max(mm/sec)存储在存储单元720中。而且在电信号的值是在预定范围之外的异常值的情况下，运算单元710也可以确定没有完成声耦合。对于运算单元710，恒定地或以足够短的预定间隔监视电信号是适当的。在设置v_max(mm/sec)时，可以使用具有一定程度的额外余量的速度，而不是紧接着电信号中断之前的速度。

随后，使用运算单元710，计算用于在公式(1)中所示螺旋路径中满足公式(3)的条件的移动速度v(mm/sec)，并且创建移动支撑单元400的模式并将其存储在存储单元720中(步骤S805)。在图5中所示的移动区域的一个示例中，螺旋路径的半径(曲率半径)随着从点A到点B的移动而减小。即，因为曲率一点点地增加，所以控制移动速度v(mm/sec)随着扫描位置接近中心而从速度v_max(mm/sec)减速，以便满足公式(3)的条件。即，在弯曲路径的曲率增加的情况下，计算机700控制扫描仪500减慢移动支撑单元400的速度。在扫描单元恒定地监视在弯曲路径上移动时的输出信号并且信号的中断已经被检测到的情况下，基于当时的速度v(mm/sec)控制移动速度也是优选的。

扫描仪500由运算单元710控制，使得支撑单元400以移动速度v_max(mm/sec)从图5中所示的点A移动，然后根据存储在存储单元720中的移动模式移动到点B(步骤S806)。

在从图5中所示的点A到点B的移动期间，支撑单元400的位置信息被发送到计算机700，并且运算单元710输出控制信号，使得光源100生成光。光由光学***200引导，并且经由声匹配构件800照射被检体E。然后，照射被检体E的光在被检体E内被吸收并生成光声波。使用多个声波接收元件300，在被检体E内生成并在声匹配构件800内传播的光声波被接收并转换成作为接收信号的电信号。从声波接收元件300输出的电信号被发送到计算机700，以与支撑单元400的位置信息相关联，并且由运算单元710作为电信号保存在存储单元720中。不管支撑单元的移动速度如何，光源100都以恒定的间隔(例如，10Hz)进行光照射。

运算单元710通过关于所获取的接收信号执行基于图像重构算法的处理来获取被检体信息(步骤S807)。作为该算法，例如可以使用在层析成像技术中通常使用的时域或傅里叶域反投影等。在可以为重构提供大量时间的情况下或者在计算机的计算能力高的情况下，可以使用具有重复处理的逆问题分析方法。

在上述实施例中，当获取移动速度v_max(mm/sec)时，被检体信息获取装置的操作者使用输入单元1000输入转弯半径r₀和移动速度，以便以分段的方式增加。但是，这种过程可以作为程序存储在存储单元720中并且使得可以由被检体信息获取装置进行这种过程。

可以在获取实际被检体信息之前进行获得速度v_max(mm/sec)的处理。例如，在装置的装运或安装的定时、在定期检查或校正时、以一天为基础、以被检者(subject)为基础等是合适的。

即使在弯曲路径不是螺旋的情况下，也可以通过使支撑单元在具有在弯曲路径的最外侧的半径的圆形路径中以分段的方式加速以使用与上述相同的方法获取v_max(mm/sec)。

以这种方式，在这个实施例中，在弯曲路径的曲率增加的情况下，支撑单元被控制为减速。因此，因为满足公式(3)的条件的惯性力作用于填充支撑单元的声匹配构件上，所以可以保持被检体E和声波接收元件之间的声耦合。结果，使得有可能在这样的装置中清晰地接收声波：在该装置中保持声匹配构件的传感器被移动以从被检体接收声波的。

(实施例2)

在实施例1中，已经描述了用于控制移动支撑单元400的速度以满足公式(3)的条件的特定方法。在实施例2中，将描述使用不同的方法控制移动支撑单元400的速度的方法。

在这个实施例中，图1和图2中所示的被检体E预期是***，形状保持单元1100是部分球体形状的保持器，并且支撑单元400关于半球的中心轴呈旋转对称形状。以与实施例1类似的方式，支撑单元400在X和Y方向的移动沿着图5中所示的螺旋路径进行。

图6表示一定量的惯性力作用于填充支撑单元400的声匹配构件800上并使液面倾斜的状态。螺旋路径中的转弯半径是r，在该转弯半径r处的移动速度是v，并且重力加速度是g。考虑声匹配构件800的一部分的微质量m'，重力和惯性力作用于微质量m'上，并且液面被合力倾斜。在这时，声匹配构件800的液面相对于水平面倾斜的角度φ根据图6由下面的公式(4)表示。

[数学表达式4]

当支撑单元400在螺旋路径中移动时，作用于声匹配构件800上的惯性力在螺旋路径的法线方向上作用。因此，惯性力作用的方向根据支撑单元的移动而改变。在这个实施例中，因为支撑单元400关于半球的中心轴呈旋转对称形状，所以，即使惯性力作用的方向改变，声匹配构件800的液面相对于水平面倾斜的角度φ也可以保持恒定。因此，该配置尤其适于用于测试处于近似旋转对称形状的被检体(诸如***)的装置。

如使用图1C和图2C所描述的，当作用于声匹配构件800上的惯性力增加时，液面相对于水平面倾斜的角度增加。结果，在声波接收元件300和被检体E之间形成未被声匹配构件800填充的空间(空气层)。在这种状态下的声波接收元件300不与被检体E声耦合，并且因此不能接收光声波。

假设在被检体E和声波接收元件300声耦合的情况下声匹配构件800的液面相对于水平面的最大倾斜角为φ_max。在这时，通过控制移动速度v(mm/sec)以满足公式(5)的条件，可以用声匹配构件800填充被检体E和声波接收元件300之间的间隙。从而，被检体E和声波接收元件300可以声耦合。

[数学表达式5]

接下来，将描述用于控制移动速度v(mm/sec)的特定方法。

首先，被检体E被***形状保持单元1100，并且声匹配构件800填充支撑单元400和形状保持单元1100之间的间隙以及形状保持单元1100和被检体E之间的间隙。随后，形状信息获取单元600使用前述方法获取被检体E的形状信息，并且所获取的被检体E的形状信息被发送到计算机700并存储在存储单元720中。

使用运算单元710，根据被检体E的形状信息和与沿着公式(1)的螺旋路径移动的支撑单元400的位置关系计算φ_max，并将其存储在存储单元720中。

随后，使用运算单元710，计算在公式(1)中所示的螺旋路径中用于满足公式(5)的条件的速度v(mm/sec)，并且创建移动支撑单元400的模式并存储在存储单元720中。在如图5所示的移动区域的一个示例中，螺旋路径的半径随着从点A到点B的移动而减小。因此，用于满足公式(5)的条件的移动速度v被控制为减速。即，在弯曲路径的曲率增加的情况下，计算机700控制扫描仪500减慢移动支撑单元400的速度。

扫描仪500由运算单元710控制，使得支撑单元400根据存储在存储单元720中的运动模式从图5中所示的点A移动到点B。

然后，使用与实施例1类似的过程和方法，可以获取被检体信息。

如上所述，在这个实施例中，在弯曲路径的曲率增加的情况下，控制减慢移动支撑单元的速度。因此，因为满足公式(5)的条件的惯性力作用于填充支撑单元的声匹配构件上，所以被检体E和声波接收元件可以声耦合。

(修改示例)

在上述实施例1和2中，支撑单元从点A开始并到达图5所示的螺旋路径中的点B。即，弯曲路径的曲率逐渐增大，并且支撑单元被相应地控制减速。但是，即使在支撑单元从点B开始并到达点A的情况下(在从内向外移动的情况下)，也可以控制支撑单元的移动速度以满足公式(3)和公式(5)的条件。因为在这种情况下螺旋路径的半径随着从点B到点A的移动而增加，所以移动速度v(mm/sec)在满足公式(3)和公式(5)的条件的范围内逐渐变得更高。换言之，在弯曲路径的曲率减小的情况下，控制加快移动支撑单元的速度。通过这种控制，可以在弯曲路径的曲率小的部分增大支撑单元的移动速度。结果，可以最大限度地缩短测量时间，同时稳定声匹配构件并维持测量精确度。

当在弯曲路径上移动支撑单元时，由公式(1)表示的螺旋路径在实施例1和2中使用。但是，作为路径，诸如对数螺线的其它螺线是可以接受的，并且基于椭圆的螺线也是可以接受的。

如图7中所示的不同半径的多个圆形运动的组合或者多个螺旋运动的组合也是可以接受的。具体地，不同半径的同心圆可以被用作路径。即使对于这样的路径，也可以应用其中支撑单元在外部的路径中逐渐加速、获得紧接在输出信号的检测消失之前的速度v_max(mm/sec)并且速度朝内部的路径减小的方法。

如上所述，至少在支撑单元在由不同曲率形成(具有不同曲率的部分)的弯曲路径上在水平方向移动的情况下，支撑单元的移动速度根据弯曲路径的曲率被控制。从而，可以使用声匹配构件可靠地填充被检体和声波接收元件之间的间隙。因此，两者可以声耦合。结果，可以清晰地接收从被检体传播的声波。

其它实施例

本发明的实施例也可以通过读出并执行记录在存储介质(例如，非暂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(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能的***或装置的计算机来实现，以及通过由***或装置的计算机通过例如从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能来执行的方法来实现。计算机可以包括中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)或其它电路中的一个或多个，并且可以包括单独的计算机或单独的计算机处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质提供给计算机。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***的储存器、光盘(诸如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或蓝光盘(BD)^TM)、闪存设备、存储卡等中的一个或多个。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，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符合最宽泛的解释，以便涵盖所有这样的修改以及等同结构和功能。

本申请要求于2014年9月5日提交的美国临时申请No.62/046,321的权益，该申请的全部内容通过引用被结合于此。

Claims (16)

1.一种被检体信息获取装置，包括：

支撑单元，被配置为能够保持液体声匹配构件；

多个接收元件，每个接收元件被支撑在支撑单元上，以接收经由声匹配构件从被检体传播的声波并输出电信号；

扫描单元，通过移动支撑单元来改变多个接收元件与被检体的相对位置；

控制单元，控制由扫描单元进行的支撑单元的移动的速度；及

处理单元，基于所述电信号获取被检体内部的特定信息，

其中扫描单元在具有不同曲率的部分的路径上移动支撑单元，及

控制单元根据曲率的量值控制移动速度。

2.根据权利要求1所述的被检体信息获取装置，其中控制单元在路径的曲率增加的情况下减速支撑单元的移动速度。

3.根据权利要求1或2所述的被检体信息获取装置，其中控制单元在路径的曲率减小的情况下加速支撑单元的移动速度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的被检体信息获取装置，

其中路径是螺旋路径，

扫描单元从该螺旋路径的外侧向内侧移动支撑单元，及

控制单元根据支撑单元的移动减速支撑单元的速度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的被检体信息获取装置，

其中扫描单元在具有在所述路径的最外侧的半径的圆形路径中移动支撑单元，

控制单元以分段的方式加速支撑单元的移动速度，

处理单元检测在支撑单元的分段加速期间由至少一部分接收元件输出的电信号的值是否落在预定范围之外，及

当电信号的值落在预定范围之外时，控制单元基于支撑单元的移动速度来进行支撑单元的速度控制。

6.根据权利要求5所述的被检体信息获取装置，其中，在支撑单元的移动使惯性力F作用于声匹配构件上并使液面倾斜的情况下，并且假设其中被检体和接收元件声耦合的范围内处于最大值的惯性力为F_max，惯性力作用于其上的声匹配构件的质量为m，支撑单元的移动速度为v，并且路径的半径为r，则控制单元控制移动速度v满足以下公式：

[数学表达式1]

$F_{\max }\&GreaterEqual;\frac{{\mathrm{mv}}^2}{r}.$

7.根据权利要求5或6所述的被检体信息获取装置，还包括输入单元，操作者使用该输入单元输入半径。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的被检体信息获取装置，其中控制单元在不在被检体和接收元件之间形成空气层的范围内控制移动支撑单元的速度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的被检体信息获取装置，其中支撑单元是球冠形，其中多个接收元件被布置成形成所述多个接收元件的接收方向会聚的高灵敏度区域。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的被检体信息获取装置，其中声匹配构件是水。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的被检体信息获取装置，还包括形状保持单元，被检体***到形状保持单元，以保持被检体的形状。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的被检体信息获取装置，还包括：

光学***，用光照射被检体，

其中声波是从用光照射的被检体传播的光声波。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的被检体信息获取装置，还包括：

声波发送单元，向被检体发送声波，

其中接收元件各自接收在从声波发送单元发送之后由被检体反射的反射波。

14.一种被检体信息获取装置，包括：

支撑单元，被配置为能够保持液体声匹配构件；

多个超声波接收元件，每个超声波接收元件被支撑在支撑单元上，以接收经由声匹配构件从被检体传播的声波；

扫描单元，通过移动支撑单元来改变支撑单元与被检体的相对位置；及

控制单元，控制由扫描单元进行的支撑单元的移动的速度，

其中扫描单元在包括具有第一曲率半径的第一部分和具有小于第一曲率半径的第二曲率半径的第二部分的路径上移动支撑单元，及

控制单元控制支撑单元的移动速度，使得当在第二部分中移动时支撑单元的速度变得低于当在第一部分中移动时支撑单元的速度。

15.根据权利要求14所述的被检体信息获取装置，其中支撑单元近似为半球形状。

16.根据权利要求14所述的被检体信息获取装置，其中支撑单元在形成为螺旋形的路径上移动。