УСТРОЙСТВО ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ, СПОСОБ ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ПРОГРАММА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК A61B5/00 G01N21/17 G01N29/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству фотоакустической визуализации, способу фотоакустической визуализации и к программе осуществления способа фотоакустической визуализации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Активно проводятся исследования по устройствам фотоакустической визуализации, которые собирают информацию о внутренней части субъекта, позволяя свету, такому как лазерный луч, испускаемому источником света, проникать и распространяться сквозь субъект. В PTL 1, фотоакустическая томография (ФАТ) предлагается в качестве такого способа фотоакустической визуализации.

ФАТ - это способ визуализации информации, связанный с оптическими характеристиками внутренней части организма, который является субъектом, путем облучения организма (субъекта) импульсным светом, испускаемым источником света, принимающим акустическую волну, которая генерируется, когда свет, который распространился и рассеялся через субъект, поглощается тканями организма, и аналитически обрабатывающий принятую акустическую волну. Таким образом, может быть собрана информация о биологической информации, такой как распределение значений оптических характеристик в субъекте, и, в частности, распределение плотности поглощения световой энергии.

В ФАТ, начальное акустическое давление P₀ акустической волны, которая генерируется оптическим поглотителем внутри субъекта, может быть представлена следующим выражением

P₀=Γ·μ_a·Φ $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (1)

Здесь Γ представляет коэффициент Грюнайзена и получается путем деления произведения коэффициента β изобарического расширения объема и квадрата скорости звука с на изобарическую теплоемкость C_P. Γ, как известно, имеет, по существу, постоянное значение, когда субъект задан, где μ_a представляет коэффициент оптического поглощения абсорбера, и Φ представляет интенсивность света (которая является интенсивностью света, падающего на абсорбер, и также обозначается как интегральная плотность потока света) в локальной области.

Измеряют изменение во времени акустического давления Р, которое является силой акустической волны, распространяющейся сквозь субъект, и распределение начального акустического давления рассчитывается из измеренного результата. Путем деления рассчитанного распределения начального акустического давления на коэффициент Грюнайзена Γ может быть получено распределение произведения μ_a на Φ, т.е. распределение плотности поглощения световой энергии.

Как представлено Выражением 1, чтобы получить распределение коэффициента оптического поглощения μ_a из распределения начального акустического давления, необходимо определить распределение интенсивности света Φ внутри субъекта. Когда площадь достаточно велика по отношению к толщине субъекта, облучаемого однородным количеством света, распределение Φ интенсивности света в субъекте может быть представлено следующим выражением, когда свет распространяется через субъект в виде плоских волн

Здесь μ_eff представляет среднее коэффициента эффективного затухания субъекта и Φ₀ представляет количество света, падающего на субъект от источника света (интенсивность света на поверхности субъекта). Кроме того, d представляет расстояние между площадью на поверхности субъекта, которая облучается светом, испускаемым источником света, (область светового облучения) и оптическим абсорбером (поглотителем) в субъекте.

С помощью распределения Φ интенсивности света, представленного Выражением 2, распределение (μ_a) оптического коэффициента поглощения может быть рассчитано из распределения (μ_a Φ) плотности поглощения световой энергии из Выражения 1.

СПИСОК ПРОТИВОПОСТАВЛЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

PTL 1 Патент США № 5713356

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Однако когда форма субъекта не является простой и/или когда количество света, испускаемого источником света, падающего на субъект, не является равномерным, площадь области светового облучения поверхности субъекта и распределение интенсивности света облучения не являются равномерными. Таким образом, интенсивность света в субъекте не является равномерной по направлению вовнутрь от облучаемой поверхности. Следовательно, Выражение 2 не может быть использовано. Таким образом, для точного определения распределения значений оптических характеристик в субъекте такие неравномерные свойства необходимо учитывать. Настоящее изобретение очень точно получает распределение значений оптических характеристик, таких как коэффициент поглощения внутри субъекта.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Настоящее изобретение относится к устройству получения информации о субъекте, содержащему: блок акустического преобразования, выполненный с возможностью принимать акустическую волну, генерируемую при облучении субъекта светом, и преобразовывать акустическую волну в электрический сигнал; и блок обработки, выполненный с возможностью получать распределение оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала, формы субъекта и распределения интенсивности света для облучения субъекта.

При этом в устройстве получения информации о субъекте блок обработки выполнен с возможностью получать распределение интенсивности света или распределение освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании формы субъекта и распределения интенсивности света для облучения субъекта и получать распределение оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала, формы субъекта и распределения интенсивности света или распределении освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, кроме того, блок обработки выполнен с возможностью получать распределение интенсивности света внутри субъекта на основании формы субъекта и распределения интенсивности света или распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, и получать распределение оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта.

Кроме того, устройство получения информации о субъекте дополнительно содержит измерительный блок, выполненный с возможностью измерять форму субъекта; при этом блок обработки выполнен с возможностью получать информацию о форме субъекта из выходного сигнала измерительного блока, кроме того, блок обработки выполнен с возможностью получать информацию о форме субъекта из электрического сигнала, при этом блок обработки выполнен с возможностью получать данные изображения из электрического сигнала и получать информацию о форме субъекта из данных изображения.

А также устройство получения информации о субъекте дополнительно содержит защитный (предохранительный) элемент, выполненный с возможностью защиты субъекта; при этом блок обработки выполнен с возможностью получать информацию о форме субъекта, используя защитный элемент.

В устройстве получения информации о субъекте блок обработки выполнен с возможностью хранить множество элементов данных распределения интенсивности света или распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, получать распределение интенсивности света или распределение освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, посредством выбора одного из элементов данных на основании формы субъекта.

При этом устройство получения информации о субъекте дополнительно содержит источник света, выполненный с возможностью испускать свет, и блок отображения, при этом блок обработки выполнен с возможностью отображать изображение на основании распределения оптических свойств на блоке отображения.

Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ получения информации о субъекте, содержащий этапы: преобразования акустической волны, генерируемой посредством облучения субъекта светом, в электрический сигнал; и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала, формы субъекта и распределения интенсивности света для облучения субъекта. При этом этап получения распределения оптических свойств внутри субъекта включает в себя этапы получения распределения интенсивности света или распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании формы субъекта и распределения интенсивности света для облучения субъекта и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала, формы субъекта и распределения интенсивности света или распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта.

Кроме того, этап получения распределения оптических свойств внутри субъекта включает в себя этапы получения распределения интенсивности света внутри субъекта на основании формы субъекта и распределения интенсивности света или распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта.

При этом способ получения информации о субъекте дополнительно содержит этап измерения формы субъекта и этап получения информации о форме субъекта из электрического сигнала, при этом этап получения информации о форме субъекта из электрического сигнала включает в себя этапы получения данных изображения из электрического сигнала и получения информации о форме субъекта из данных изображения.

Кроме того, способ получения информации о субъекте дополнительно содержит этап защиты субъекта и получения информации о форме субъекта, используя защитный элемент, этап получения распределения интенсивности света или распределения освещенности по поверхности субъекта посредством выбора из множества сохраненных элементов данных распределения освещенности по поверхности субъекта и этап отображения изображения на основании распределения оптических свойств на блоке отображения. Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен невременный машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа, выполненная с возможностью побуждать компьютер исполнять этапы способа получения информации о субъекте.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение очень точно получает распределение оптических свойств, таких как коэффициент поглощения внутри субъекта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 представлено схематическое изображение устройства фотоакустической визуализации в соответствии с первым по четвертый варианты осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.2 представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая задачу, которая будет решена с помощью настоящего изобретения.

На Фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс, осуществляемый устройством фотоакустической визуализации в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.4 представлен схематический вид сверху генерирующего акустическую волну элемента, включенного в состав устройства фотоакустической визуализации в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.5 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс, осуществляемый устройством фотоакустической визуализации в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 6 представлен схематический вид, иллюстрирующий процесс определения распределения освещенности по поверхности, который является Этапом 21 на Фиг. 5.

На Фиг. 7 представлен схематический вид устройства фотоакустической визуализации в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 8 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс, осуществляемый устройством фотоакустической визуализации в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс, осуществляемый устройством фотоакустической визуализации в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение описывается ниже со ссылкой на чертежи. В настоящем изобретении акустические волны включают в себя звуковые волны, ультразвуковые волны и фотоакустические волны и являются упругими волнами, которые генерируются внутри субъекта при облучении субъекта светом (электромагнитными волнами), таким как излучение ближнего инфракрасного диапазона. Устройство фотоакустической визуализации согласно настоящему изобретению представляет собой устройство, которое генерирует данные изображения, которые будут использоваться в диагностике злокачественных опухолей и сосудистых заболеваний человека и животных и контроле при химиотерапии, путем сбора биологической информации о внутренней части субъекта. Субъектом может быть область в организме человека или организме животного, которая должна быть диагностирована, такая как грудь, палец кисти или конечность. Оптический поглотитель (абсорбер) внутри субъекта является частью субъекта, который имеет относительно высокий коэффициент поглощения. В случае если субъектом является человеческое тело, оптическим поглотителем является, например, злокачественная опухоль, которая имеет много кровеносных сосудов или новых кровеносных сосудов, содержащих оксигемоглобин и/или восстановленный гемоглобин.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1A иллюстрируется устройство фотоакустической визуализации в соответствии с этим вариантом осуществления. Устройство фотоакустической визуализации в соответствии с этим вариантом осуществления включает в себя блок 1 акустического преобразования и блок 2 обработки. Кроме того, в этом варианте осуществления вдоль лицевой поверхности субъекта 6 предусмотрен генерирующий акустическую волну элемент 10. Генерирующий акустическую волну элемент 10 имеет коэффициент поглощения, отличающийся от коэффициента поглощения субъекта 6. Толщину, коэффициент поглощения света и коэффициент Грюнайзена генерирующего акустическую волну элемента 10 измеряют заранее. Световой пучок 4, испускаемый источником света 3, падает на субъект 6, который является, например, организмом, через оптическую систему 5, включающую линзу, зеркало, и оптическое волокно. Когда часть световой энергии, распространяющейся сквозь субъект 6, поглощается оптическим поглотителем 7 (который является источником звука), таким как внутренняя часть кровеносного сосуда или кровь, тепловое расширение оптического поглотителя 7 генерирует акустическую волну 81 (которая, как правило, является ультразвуковой волной). Акустическая волна 82 генерируется на генерирующем акустическую волну элементе 10 в ответ на прием светового пучка 4, испускаемого источником света 3. Акустические волны 81 и 82 поступают в блок 1 акустического преобразования и преобразуются в электрические сигналы. Затем блок 2 обработки генерирует данные изображения, такие как распределение значений оптических характеристик на основе электрических сигналов, для субъекта 6 и распределение интенсивности света от света, испускаемого источником 3 света, падающего на поверхность субъекта 6 (далее по тексту обозначаемого как "поверхностное распределение интенсивности света"). В частности, блок 2 обработки определяет распределение интенсивности света в субъекте 6 (далее обозначаемое как "внутреннее распределение интенсивности света") на основе поверхностного распределения интенсивности света и данные изображения генерируются на основе электрических сигналов и внутреннего распределения интенсивности света. Затем данные изображения отображаются в виде изображения на устройстве 9 отображения, таком как жидкокристаллический дисплей. Устройство фотоакустической визуализации может включать в себя предохраняющие элементы 11, такие как показанные на Фиг. 1B, чтобы защитить субъект 6. Предохраняющие элементы 11 определяют часть формы субъекта 6. Хотя это и не упоминается, в частности, другие варианты осуществления также могут включать в себя такие предохраняющие элементы.

Оптические поглотители 7, имеющие одинаковые форму, размер и коэффициент поглощения, но находящиеся в различных положениях в субъекте 6, отображаются с различными яркостями и цветами в изображениях распределения плотности поглощения световой энергии и распределения коэффициента оптического поглощения. Это происходит потому, что число фотонов, которые достигают каждого оптического поглотителя 7, т.е. локальное количество света внутри субъекта 6, различается. Локальное количество света внутри субъекта 6 может различаться из-за влияния поверхностного распределения интенсивности света субъекта 6. На Фиг. 2 показаны две области (A и B) на субъекте 6, имеющие одинаковый размер при облучении светом, испускаемым источниками света, которые испускают свет одинаковой интенсивности. Со ссылкой на Фиг. 2, даже если интенсивность света, испускаемого источниками света, одинакова, освещенности в областях A и B на поверхности субъекта 6 отличаются, потому что отличаются размеры областей светового облучения. Когда свет от источника 3 света или световой пучок 4, падающий на субъект 6, через оптическую систему 5 расходится ограниченно и когда распределение интенсивности света не является однородным в расходящихся направлениях, освещенность различается внутри области светового облучения (область C) в зависимости от положения. Выражение 2 может быть применено, когда интенсивность испускаемого света (поверхностное распределение освещенности) является равномерной. Однако как, например, в описанном выше случае, когда интенсивность света не является равномерной, Выражение 2 не может быть применено. Согласно настоящему изобретению посредством коррекции распределения интенсивности света в субъекте с помощью поверхностного распределения освещенности от света, падающего на субъект, испускаемого источником света, оптические поглотители, имеющие одинаковую форму, размер и коэффициент поглощения, могут быть отображены по существу с одинаковой яркостью и/или цветом.

Далее, работа устройства фотоакустической визуализации в соответствии с этим вариантом осуществления описывается со ссылками на Фиг. 1 и 3.

Субъект 6 облучают световым пучком 4 от источника 3 света, и блок 1 акустического преобразования принимает акустическую волну 81, сгенерированную оптическим поглотителем 7 в субъекте 6, и акустическую волну 82 сгенерированную генерирующим акустическую волну элементом 10, расположенным на поверхности субъекта 6 (S10). Принятые акустические волны преобразуются в электрические сигналы в блоке 1 акустического преобразования (Sll) и посылаются в блок 2 обработки. Блок 2 обработки выполняет усиление, A/Ц преобразование и фильтрацию электрических сигналов (S12), рассчитывает положение и размер оптического поглотителя 7 или биологическую информацию, как, например, распределение начального акустического давления, и генерирует данные (S13) первого изображения.

Блок 2 обработки определяет поверхностное распределение освещенности от света, падающего на субъект 6 из источника 3 света, по данным первого изображения, собранным от электрических сигналов (S14). Это описывается ниже.

Акустическая волна 81 генерируется в ответ на свет, распространяющийся сквозь и ослабевающий внутри субъекта 6, в то время как акустическая волна 82 генерируется на поверхности субъекта 6 в ответ на свет, который по существу не ослабевает. Генерирующий акустическую волну элемент 10 имеет коэффициент поглощения больше, чем субъект 6. Следовательно, акустическая волна 82, сгенерированная на поверхности субъекта 6, имеет большую силу, чем сила акустической волны 81, сгенерированной в оптическом поглотителе 7. Таким образом, часть, имеющая начальное акустическое давление больше, чем другие части, может быть выделена из данных первого изображения, собранных на Этапе S13 (распределение P₀ начального акустического давления). Выделенная часть соответствует линии между субъектом 6 и генерирующим акустическую волну элементом 10, т.е. поверхностью субъекта 6. А именно, линия, соединяющая части, имеющие начальное акустическое давление больше, чем заранее заданное пороговое давление, определяет линию между субъектом 6 и генерирующим акустическую волну элементом 10. Поверхность субъекта 6 определена, и распределение (Γ_b μ_bΦ₀) начального акустического давления вдоль линии может быть получено. Γ_b представляет коэффициент Грюнайзена генерирующего акустическую волну элемента 10 и μ_b представляет коэффициент поглощения генерирующего акустическую волну элемента 10. Поверхностное распределение освещенности Φ₀ от света, испускаемого источником 3 света и падающего на субъект 6, может быть рассчитано путем вычитания коэффициентов Γ_b и μ_b из распределения начального акустического давления (Γ_b μ_bΦ₀) вдоль линии.

Затем, внутреннее распределение интенсивности света Φ в субъекте 6 определяют на основе поверхностного распределения освещенности Φ₀ (S15). А именно, используя форму поверхности субъекта 6 и поверхностное распределение освещенности субъекта 6, полученное на Этапе S14, воображаемый источник света, имеющий распределение интенсивности света такое же, как поверхностное распределение освещенности Φ₀, помещается на поверхности субъекта 6 в числовом пространстве, чтобы рассчитать внутреннее распределение интенсивности света Φ в субъекте 6. Здесь внутреннее распределение интенсивности света рассчитывается с помощью уравнения диффузии и уравнения переноса.

Блок 2 обработки генерирует данные второго изображения, такие как распределение коэффициента поглощения, на основе внутреннего распределения интенсивности света Φ, определенного на Этапе S15, и данных первого изображения (распределении начального акустического давления P₀), полученных на Этапе S13 (S16). С помощью внутреннего распределения интенсивности света, определенного на S15 посредством Выражения 1, можно рассчитать распределение коэффициента поглощения. Изображение, основанное на данных второго изображения, полученных таким образом, отображаются устройством 9 отображения (S17).

Далее, конфигурация устройства фотоакустической визуализации в соответствии с этим вариантом осуществления подробно описывается ниже.

Блок 1 акустического преобразования включает в себя по меньшей мере один элемент, который преобразует акустические волны в электрические сигналы, преобразователи, использующие пьезоэлектрический эффект, резонанс света и/или изменение емкости. Любой тип элемента можно использовать при условии, что он способен преобразовывать звуковые волны в электрические сигналы. Посредством одно- или двумерной компоновки множества принимающих акустические волны элементов фотоакустические волны могут быть приняты одновременно на различных участках. Таким образом, время приема может быть уменьшено, и влияние вибрации субъекта может быть уменьшено. Перемещая один из элементов, можно принять такой же сигнал, что принимается, когда элементы скомпонованы одно- или двумерно. Желательно применять акустически согласующий материал, такой как гель, между блоком 1 акустического преобразования и субъектом 6 для того, чтобы улучшить акустическое согласование.

Рабочая станция, как правило, используется в качестве блока 2 обработки, и реконструкция изображения (генерация данных изображения) осуществляется с помощью предварительно запрограммированного программного обеспечения. Например, программное обеспечение, использующееся на рабочей станции, включает в себя обработку определения распределения интенсивности света или распределения освещенности на поверхности субъекта от электрических сигналов от устройства фотоакустической визуализации или внешнего блока и модуль обработки сигналов для подавления шума. Кроме того, программное обеспечение, использующееся на рабочей станции, включает в себя модуль реконструкции изображения для реконструкции изображения. В ФАТ, обычно, в качестве предварительной обработки реконструкции изображения подавление шума осуществляется по сигналам, принятым от различных участков. Желательно, чтобы такая предварительная обработка осуществлялась модулями обработки сигналов. Модуль реконструкции изображения формирует данные изображения посредством реконструкции изображения, и как алгоритм реконструкции изображения применяется, например, обратное проецирование во временной области или Фурье области, которое обычно используется в методах томографии. Данные изображения являются двумерными и трехмерными данными относительно биологической информации. Двумерные данные состоят из многокомпонентных наборов данных пиксельных данных и трехмерные данные состоят из многокомпонентных наборов данных воксельных данных. Пиксельные данные и воксельные данные получают посредством реконструкции изображения акустических волн, полученных из многокомпонентных участков. Трехмерные данные изображения описываются ниже. Однако настоящее изобретение также может быть применено к двумерным данным изображения.

Источник 3 света испускает свет, имеющий заранее заданную длину волны, который поглощается заранее известным компонентом (например, гемоглобином), что составляет организм. А именно, длина волны света составляет предпочтительно 500 нм или больше и 1200 нм или менее. Это происходит потому, что при обработке, описываемой ниже, легче различать акустические волны, сгенерированные на поверхности субъекта (например, на коже), и акустические волны, сгенерированные в оптическом поглотителе внутри субъекта (например, гемоглобине). По меньшей мере, предоставляется один источник 3 света, способный генерировать импульсный свет от 5 до 50 нс. В качестве источника 3 света желателен лазер, который имеет большую мощность. Однако вместо лазера можно использовать светоизлучающий диод. Можно использовать ряд различных типов лазеров, таких как твердотельный лазер, газовый лазер, лазер на красителе и полупроводниковый лазер. Свет может испускаться со стороны блока 1 акустического преобразования или с противоположной стороны. Кроме того, свет может испускаться с обеих сторон субъекта 6.

Оптическая система 5 включает в себя зеркала, которые отражают свет, и линзы, которые конвергируют, отклоняют и изменяют форму света. Оптическая система 5 может включать в себя, в дополнение к зеркалам и линзам, оптические волноводы и иметь любую конфигурацию, при условии, что свет, испускаемый источником 3 света, падает на субъект 6 в желаемой форме. Желательно, чтобы свет конвергировался линзой для облучения заданной области. Желательно также, чтобы область на субъекте 6, облучаемая светом, была подвижной. Другими словами, желательно, чтобы свет, испускаемый источником 3 света, двигался по субъекту 6. Подвижный свет позволяет большей области быть облученной светом. Это тем более желательно, чтобы площадь на субъекте 6, облучаемая светом, двигалась синхронно с блоком 1 акустического преобразования. Способы движения области по субъекту 6, облучаемому светом, включают в себя способ использования подвижного зеркала и способ механического перемещения источника 3 света.

Генерирующий акустическую волну элемент 10 имеет заранее определенный коэффициент поглощения, помещается на поверхности субъекта 6 и имеет известную толщину, коэффициент оптического поглощения и коэффициент Грюнайзена. Генерирующий акустическую волну элемент 10 генерирует акустические волны посредством поглощения света, испускаемого источником 3 света, и возможно рассчитать форму поверхности и поверхностное распределение интенсивности света субъекта 6. Генерирующий акустическую волну элемент 10 изготовлен из материала, имеющего коэффициент поглощения света, генерирующего акустическую волну, больше, чем средний коэффициент поглощения субъекта 6. А именно, желательно, чтобы коэффициент оптического поглощения был 0,005 мм^-1 или больше и 0,100 мм^-1 или меньше. Когда коэффициент поглощения больше 0,100 мм^-1, количество света, попадающего в субъект 6, уменьшается и, таким образом, акустическая волна, генерирующаяся внутри субъекта 6, является небольшой. Напротив, когда коэффициент поглощения меньше чем 0,005 мм^-1, это меньше чем средний коэффициент поглощения внутренности субъекта 6; таким образом, трудно провести различие между акустическими волнами из внутренней части и с поверхности субъекта 6, и таким образом трудно рассчитать форму поверхности субъекта 6. Желательно, чтобы коэффициент оптического поглощения был 0,010 мм^-1 или больше и 0,080 мм^-1 или меньше. Желательно использовать материал, имеющий коэффициент Грюнайзена больше или равный 0,8 и меньше или равный 1,5. Средний коэффициент Грюнайзена субъекта 6 составляет приблизительно 0,5. Генерирующий акустическую волну элемент 10 включает в себя частицы поглотителя, имеющие известный коэффициент поглощения, расположенные как пятнистая пленка, как проиллюстрировано на Фиг. 4A, или может включать в себя поглотители, размещенные в решетке, как проиллюстрировано на Фиг. 4B. Вместо этого, генерирующий акустическую волну элемент 10 может включать в себя тонкодисперсные включения поглотителя, расположенные как однородная пленка. Можно использовать акустически согласующий материал, имеющий известный коэффициент поглощения, такой как гель, как генерирующий акустическую волну элемент 10.

ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство фотоакустической визуализации, соответствующее этому варианту осуществления, отличается от устройства фотоакустической визуализации, соответствующего первому варианту осуществления, тем, что генерирующий акустическую волну элемент 10 не предусмотрен. В этом варианте осуществления форма поверхности рассчитывается с помощью акустической волны, которая генерируется в связи с нарушением непрерывности в оптических характеристиках (например, коэффициентах поглощения) субъекта 6 и окружающей среды. Тогда, распределение освещенности (в дальнейшем обозначаемое как "поверхностное распределение освещенности") по поверхности субъекта 6 рассчитывается на основе результата расчета формы поверхности и распределения интенсивности света, испускаемого источником 3 света. Пример, в котором воздух окружает субъект 6, описывается ниже, но этот вариант осуществления этим не ограничивается.

Коэффициенты поглощения и коэффициенты Грюнайзена для воздуха и субъекта 6 терпят разрыв. Таким образом, свет поглощается на поверхности между ними, т.е. поверхности субъекта 6, и, как результат, акустическая волна 82 генерируется на поверхности субъекта 6. Блок 1 акустического преобразования принимает акустическую волну 81, сгенерированную в оптическом поглотителе 7, и акустическую волну 82 и преобразует эти акустические волны в электрические сигналы.

Далее, работа устройства фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления описывается со ссылкой на Фиг. 5. Акустическая волна 81, сгенерированная в оптическом поглотителе 7 внутри субъекта 6, и акустическая волна 82, сгенерированная на поверхности субъекта 6 как результат облучения субъекта 6 световым пучком 4, принимаются блоком 1 акустического преобразования (S10). Принятая акустическая волна 81 преобразуется в электрический сигнал в блоке 1 акустического преобразования (Sll) и принимается блоком 2 обработки. После выполнения фильтрации над электрическим сигналом (S12) блок 2 обработки рассчитывает биологическую информацию, такую как положение и размер оптического поглотителя 7, или биологическую информацию, такую как распределение начального акустического давления, чтобы сгенерировать данные первого изображения (S13).

Блок 2 обработки определяет форму субъекта 6 на основе данных первого изображения, собранных от электрического сигнала (S20). Это описывается ниже.

Так как акустическая волна 82, сгенерированная на поверхности субъекта 6, генерируется посредством приема света, который по существу не ослабевает, акустическая волна 81 больше, чем акустическая волна 81, сгенерированная на оптическом поглотителе 7. Таким образом, часть, имеющая начальное акустическое давление больше, чем другие части, может быть выделена из данных первого изображения, собранных на Этапе S13 (распределение P₀ начального акустического давления). Выделенная часть соответствует границе между субъектом 6 и генерирующим акустическую волну элементом 10, т.е. поверхности субъекта 6. А именно, линия, полученная путем соединения частей, имеющих начальное акустическое давление больше, чем заданный порог, определяет границу между субъектом 6 и генерирующим акустическую волну элементом 10.

Когда поглощение (коэффициент поглощения) на границе между субъектом 6 и воздухом (окружающей субъект 6 средой) известно, аналогично первому варианту осуществления, поверхностное распределение освещенности от света, испускаемого источником 3 света, падающего на субъект 6, может быть рассчитано из распределения начального акустического давления на границе.

Когда поглощение (коэффициент поглощения) на границе между субъектом 6 и воздухом (окружающей субъект 6 средой) известно, поверхностное распределение освещенности от света, испускаемого источником 3 света, падающего на субъект 6, не может быть рассчитано из распределения начального акустического давления на границе; таким образом, осуществляется следующий процесс.

Блок 2 обработки определяет поверхностное распределение освещенности от светового пучка 4, испускаемого источником 3 света, падающего на субъект 6, на основе формы субъекта 6 и распределения интенсивности светового пучка 4, испускаемого источником 3 света (S21). Это описывается ниже.

Распределение интенсивности светового пучка 4, испускаемого источником 3 света, которое является распределением интенсивности света в направлении внутрь, перпендикулярном направлению глубины субъекта 6, измеряют заранее. Это описывается ниже со ссылкой на Фиг. 6. Со ссылкой на Фиг. 6 форма субъекта 6 представлена посредством положений z в направлении глубины субъекта 6, положений x в направлении внутрь, перпендикулярном направлению глубины субъекта 6, и наклоном θ(x) к поверхности. Распределение интенсивности света от светового пучка 4 в направлении внутрь, перпендикулярном направлению глубины субъекта 6, представлено через A(x). Предполагается, что свет проходит линейно вне субъекта 6. Распределение наклона θ(x) светового пучка 4 к поверхности субъекта 6, облучаемого светом, может быть рассчитано применительно к направлению нормали, которое рассчитывается из формы поверхности субъекта 6. Умножая распределение интенсивности света A(x) на cosθ(x) в каждом из положений x и z, можно рассчитать поверхностное распределение освещенности субъекта 6.

В примере, описанном выше, свет, как предполагается, линейно проходит вне субъекта 6. Тем не менее также можно определить поверхностное распределение освещенности посредством определения распространения светового пучка 4 вне субъекта 6 к поверхности субъекта 6 с помощью уравнения переноса света или моделирования распространения света по методу Монте-Карло.

Основываясь на поверхностном распределение освещенности, определяется (S15) внутреннее распределение интенсивности света в субъекте 6. А именно, используя форму поверхности субъекта 6, полученную на Этапе S20, и поверхностное распределение освещенности субъекта 6, полученное на Этапе S21, воображаемый источник света, имеющий распределение интенсивности света такое же, как поверхностное распределение освещенности, помещается на поверхности субъекта 6 в числовом пространстве, чтобы рассчитать внутреннее распределение интенсивности света. Здесь, внутреннее распределение интенсивности света рассчитывается с помощью уравнения диффузии и уравнения переноса или моделирования распространения света по методу Монте-Карло.

Блок 2 обработки генерирует данные второго изображения, такие как распределение коэффициента поглощения, на основе внутреннего распределения интенсивности света, определенного на Этапе S15, и данные первого изображения, полученные на Этапе S13 (S16). Используя внутреннее распределение интенсивности света, определенного на Этапе S15 посредством Выражения 1, можно рассчитать распределение коэффициента поглощения. Изображение, основанное на данных второго изображения, полученных таким образом, отображаются устройством 9 отображения (S17).

ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 7 иллюстрирует устройство фотоакустической визуализации согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от второго варианта осуществления тем, что предоставляется измерительный блок 30. Другие конфигурации такие же, как во втором варианте осуществления. Измерительный блок 30 измеряет форму субъекта 6.

В качестве измерительного блока 30 можно использовать устройство захвата изображения, такое как ПЗС-камера. В этом случае блок 2 обработки определяет форму субъекта 6 посредством расчета внешней формы и толщины субъекта 6 из принятого изображения. Измерительный блок 30 может быть вместо этого блоком преобразования акустических волн (так называемым блоком акустического преобразования эхо-сигнала ультразвуковых волн), которое передает и принимает акустические волны. Блок 1 акустического преобразования может функционировать в качестве измерительного блока 30 или измерительный блок 30 может быть предоставлен отдельно.

Далее со ссылкой на Фиг. 8 описывается работа устройства фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения. Во втором варианте осуществления форма субъекта 6 определяется из электрических сигналов (данные первого изображения) (S20). Работа устройства фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления отличается тем, что форма субъекта 6 определяется из изображения субъекта 6, полученного посредством измерительного блока 30 (S30). Другие операции такие же, как и во втором варианте осуществления.

ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления описывается со ссылкой на Фиг. 1. Устройство фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления включает в себя контейнер 40, определяющий форму субъекта 6 вместо генерирующего акустическую волну элемента 10 в устройстве фотоакустической визуализации согласно первому варианту осуществления. Другие конфигурации такие же, как в первом варианте осуществления.

В этом варианте осуществления, так как форма субъекта 6 определяется однозначно, поверхностное распределение освещенности от светового пучка 4, испускаемого источником 3 света, падающего на поверхность субъекта 6, определяется однозначно. А именно, контейнер 40, подходящий для субъекта 6, выбирается из множества контейнеров, имеющих различные формы и размеры, и затем субъект 6 помещают в контейнер 40 для выполнения измерений ФАТ.

Поверхностное распределение освещенности от света, падающего на поверхность субъекта 6, для каждого контейнера определяется заранее и сохраняется в блоке 2 обработки в виде таблицы данных поверхностного распределения освещенности, содержащей данные поверхностного распределения освещенности субъекта 6 для каждого контейнера. Таблицу данных готовят так, что когда контейнер выбран, соответствующие данные поверхностного распределения освещенности субъекта 6 для выбранного контейнера извлекаются. Вместо того чтобы предоставлять множество контейнеров, может быть предоставлен один контейнер, емкость, размер и/или форма которого могут меняться, В таком случае поверхностные распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта 6, когда размер и/или форма контейнера меняется различными способами, могут быть определены заранее, и данные таблицы поверхностного распределения освещенности, содержащие данные поверхностного распределения освещенности на момент, когда размер и/или форма контейнера изменена, могут быть сохранены в блоке 2 обработки.

Далее, работа устройства фотоакустической визуализации согласно этому варианту осуществления описывается со ссылкой на Фиг. 9. Во-первых, контейнер 40 выбирают из множества контейнеров на основе формы и размера субъекта 6, и субъект 6 помещается в контейнер 40.

Затем субъект 6 облучают световым пучком 4, испускаемым источником 3 света, и блок 1 акустического преобразования принимает акустическую волну 81, сгенерированную в оптическом поглотителе 7 внутри субъекта 6 (S10). Принятая акустическая волна 81 преобразуется в электрический сигнал в блоке 1 акустического преобразования (S11) и принимается блоком 2 обработки. После выполнения фильтрации электрического сигнала (S12) блок 2 обработки рассчитывает положение и размер оптического поглотителя 7 или биологическую информацию, такую как распределение начального акустического давления, для того чтобы сгенерировать данные первого изображения (реконструкция изображения, S13).

Блок 2 обработки выбирает и считывает данные поверхностного распределения освещенности, соответствующие выбранному контейнеру 40, из таблиц данных поверхностного распределения освещенности, хранящихся в блоке 2 (S40) обработки, и определяет поверхностное распределение освещенности от светового пучка 4, испускаемого источником 3 света, падающего на субъект 6 (S21).

Основываясь на поверхностном распределение освещенности, определяется (S15) внутреннее распределение интенсивности света в субъекте 6. А именно, используя форму поверхности субъекта 6, определенную посредством контейнера 40, и поверхностное распределение освещенности субъекта 6 на Этапе S21, воображаемый источник света, имеющий распределение интенсивности света такое же, как поверхностное распределение освещенности, помещается на поверхности субъекта 6 в числовом пространстве, чтобы рассчитать внутреннее распределение интенсивности света. Здесь внутреннее распределение интенсивности света рассчитывается с помощью уравнения диффузии и уравнения переноса или моделирования распространения света по методу Монте-Карло.

Блок 2 обработки генерирует данные второго изображения, такие как распределение коэффициента поглощения, на основе внутреннего распределения интенсивности света, определенного на Этапе S15, и данные первого изображения, полученные на Этапе S13 (S16). Используя внутреннее распределение интенсивности света, определенного на Этапе S15 посредством Выражения 1, можно рассчитать распределение коэффициента поглощения. Изображение, основанное на данных второго изображения, полученных таким образом, отображается устройством 9 отображения (S17).

Если рассеяние света в субъекте 6 можно прогнозировать, таблицу данных внутреннего распределения интенсивности света, соответствующую внутренности субъекта 6, можно использовать вместо таблицы данных поверхностного распределения освещенности. В таком случае на этапе S40 данные внутреннего распределения интенсивности света считываются вместо данных поверхностного распределения освещенности, и Этап S21 может быть объединен с Этапом S40.

ПЯТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение также может быть реализовано посредством следующего технологического процесса. Программное обеспечение (программа), которое осуществляет функции, описанные выше в вариантах осуществления с первого по четвертый, применяется к системе или устройству через сеть или различные носители информации, и система или компьютер (ЦПУ или МПУ) устройства считывает программу.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на примеры вариантов осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается показанными примерами вариантов осуществления. Объем следующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации таким образом, чтобы охватывать все такие модификации и эквивалентные структуры и функции.

По данной заявке испрашивается приоритет японского патентного документа № 2010-075662, зарегистрированного 29 марта 2010, который в полном объеме включен в настоящий документ в качестве ссылки.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - блок акустического преобразования

2 - блок обработки

3 - источник света

4 - световой пучок, испускаемый источником света

6 - субъект

81, 82 - акустическая волна

Изобретение относится к средствам фотоакустической визуализации. Устройство получения информации о субъекте содержит блок акустического преобразования, выполненный с возможностью принимать акустическую волну, генерируемую при облучении субъекта светом, и преобразовывать акустическую волну в электрический сигнал, и блок обработки, выполненный с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании информации о форме поверхности субъекта, получения распределения интенсивности света внутри субъекта на основании поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта. Способ получения информации о субъекте и энергонезависимый машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа, обеспечивают работу устройства. Использование изобретения позволяет точно определить распределение значений оптических характеристик в субъекте. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство получения информации о субъекте, содержащее:
блок акустического преобразования, выполненный с возможностью принимать акустическую волну, генерируемую при облучении субъекта светом, и преобразовывать акустическую волну в электрический сигнал; и
блок обработки, выполненный с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании информации о форме поверхности субъекта, получения распределения интенсивности света внутри субъекта на основании поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта.

2. Устройство получения информации о субъекте по п.1, дополнительно содержащее устройство захвата изображения, выполненное с возможностью генерировать данные изображения субъекта;
при этом блок обработки выполнен с возможностью получать информацию о форме поверхности субъекта на основании данных изображения субъекта, получаемых из устройства захвата изображения.

3. Устройство получения информации о субъекте по п.1, в котором блок обработки выполнен с возможностью получать данные изображения на основании электрического сигнала, получаемого из блока акустического преобразования, и получать информацию о форме поверхности субъекта на основании данных изображения.

4. Устройство получения информации о субъекте по п.1, дополнительно содержащее защитный элемент, выполненный с возможностью защиты субъекта;
при этом блок обработки выполнен с возможностью получать информацию о форме поверхности субъекта, используя защитный элемент.

5. Устройство получения информации о субъекте по п.1, в котором блок обработки выполнен с возможностью хранить множество элементов данных поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, и получать поверхностное распределение интенсивности света или поверхностное распределение освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, посредством выбора одного из элементов данных на основании информации о форме поверхности субъекта.

6. Устройство получения информации о субъекте по п.1, дополнительно содержащее источник света, выполненный с возможностью испускать свет.

7. Устройство получения информации о субъекте по п.1, дополнительно содержащее блок отображения, при этом блок обработки выполнен с возможностью отображать изображение на основании распределения оптических свойств на блоке отображения.

8. Устройство получения информации о субъекте по п.1, в котором блок обработки выполнен с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности на основании информации о форме поверхности субъекта и распределении интенсивности света для облучения субъекта.

9. Устройство получения информации о субъекте по п.8, в котором блок обработки выполнен с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности на основании информации о распределении наклона падающего света к поверхности субъекта и распределении интенсивности света для облучения субъекта.

10. Устройство получения информации о субъекте по п.9, в котором, когда распределение наклона падающего света к поверхности субъекта равно θ, блок обработки выполнен с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности посредством умножения распределения интенсивности света для облучения субъекта на cosθ.

11. Устройство получения информации о субъекте по п.1, в котором блок обработки выполнен с возможностью получения распределения начального акустического давления на основании электрического сигнала, получаемого из блока акустического преобразования, выделения части, имеющей начальное акустическое давление больше, чем предварительно заданное пороговое акустическое давление среди распределения начального акустического давления, и получения информации о форме части в виде информации о форме поверхности субъекта.

12. Способ получения информации о субъекте, содержащий этапы:
преобразования акустической волны, генерируемой посредством облучения субъекта светом, в электрический сигнал;
получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании информации о форме поверхности субъекта,
получения распределения интенсивности света внутри субъекта на основании поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности,
и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта.

13. Способ получения информации о субъекте по п.12, дополнительно содержащий получение данных изображения на основании электрического сигнала и получение информации о форме поверхности субъекта на основании данных изображения.

14. Способ получения информации о субъекте по п.12, дополнительно содержащий этап защиты субъекта с помощью защитного элемента и получения информации о форме поверхности субъекта, используя защитный элемент.

15. Способ получения информации о субъекте по п.12, дополнительно содержащий этап получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности по поверхности субъекта посредством выбора из множества сохраненных элементов данных поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного освещенности по поверхности субъекта.

16. Способ получения информации о субъекте по п.12, дополнительно содержащий этап отображения изображения на основании распределения оптических свойств на блоке отображения.

17. Способ получения информации о субъекте по п.12, в котором получение поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности включает получение поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности на основании информации о форме субъекта и распределении интенсивности света для облучения субъекта.

18. Способ получения информации о субъекте по п.17, в котором получение поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности включает получение поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности на основании информации о распределении наклона падающего света к поверхности субъекта и распределении интенсивности света для облучения субъекта.

19. Способ получения информации о субъекте по п.18, в котором получение поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности включает,
когда распределение наклона падающего света к поверхности субъекта равно θ, получают поверхностное распределение интенсивности света или поверхностное распределение освещенности посредством умножения распределения интенсивности света для облучения субъекта на cosθ.

20. Способ получения информации о субъекте по п.12, который дополнительно содержит получение распределения начального акустического давления на основании электрического сигнала, получаемого из блока акустического преобразования, выделение части, имеющей начальное акустическое давление больше, чем предварительно заданное пороговое акустическое давление среди распределения начального акустического давления, и получение информации о форме части в виде информации о форме поверхности субъекта.

21. Энергонезависимый машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа, выполненная с возможностью побуждать компьютер исполнять этапы способа получения информации о субъекте по п.12.