專利名稱：光聲成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于聲成像的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及用于小體積成像的診斷光聲成像系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
無創(chuàng)小動(dòng)物成像小體積成像涉及適合于小體積對(duì)象的診斷成像。小體積成像在較小身體部分—— 包括手腕、手和腳——的人體診斷成像中有應(yīng)用。它在組織標(biāo)本成像和臨床前(即，非人類動(dòng)物)成像中有進(jìn)一步的應(yīng)用。疾病的臨床前模型變得更容易獲得且更復(fù)雜。現(xiàn)在，它們是在新療法和治療的開發(fā)和評(píng)估中使用的普通工具。臨床前模型的使用是在人體臨床試驗(yàn)之前的前導(dǎo)和驗(yàn)證步
馬聚ο無創(chuàng)成像是臨床前研究中的重要工具，計(jì)算機(jī)體層攝影(CT)、磁共振成像(MR)、 單光子發(fā)射體層攝影(SPECT)、正電子發(fā)射體層攝影(PET)、X射線、光和超聲波是在研究疾病和評(píng)估新療法中的標(biāo)準(zhǔn)工具。這些成像工具正被積極地用于理解和協(xié)助諸如心血管、肌肉與骨骼、瘤形成、自動(dòng)免疫和炎癥的疾病的療法開發(fā)。臨床成像設(shè)備常常足以滿足大動(dòng)物物種如靈長類、豬和犬的成像。然而，絕大多數(shù)臨床前研究涉及較小體積的動(dòng)物如嚙齒類和兔類的使用，其中鼠科動(dòng)物模型(老鼠)是最廣泛使用的臨床前模型。近年來專門的設(shè)備已被開發(fā)并商業(yè)化以特別用于基于標(biāo)準(zhǔn)無創(chuàng)醫(yī)療成像技術(shù)的小體積動(dòng)物成像。小體積成像的目的是有臨床成像的全部功能，但有在所關(guān)注的小體積對(duì)象的規(guī)模上的靈敏度和分辨率。臨床成像系統(tǒng)不可直接升級(jí)到小體積成像系統(tǒng)。因此，在所有上面提到的成像方式中，技術(shù)和科學(xué)的障礙必須被克服以實(shí)現(xiàn)正確運(yùn)作的系統(tǒng)，常常包括實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、對(duì)技術(shù)的許多方面的小型化的需求和小體積對(duì)象特別是動(dòng)物的適當(dāng)安置和處理。如在臨床成像中的，臨床前成像方式的每一個(gè)有助于使對(duì)象的不同方面可視化并具有不同的優(yōu)勢(shì)。一些期望的屬性包括靈敏度、分辨率、視場(chǎng)、產(chǎn)生圖像的最小所需的時(shí)間、 對(duì)比度、成本、三維成像以及系統(tǒng)是否能夠動(dòng)態(tài)成像。沒有一個(gè)成像方式滿足所有應(yīng)用。此外，小體積成像方式的當(dāng)前陣列仍然沒有在目前臨床前及其它小體積需要所期望的可視化和量化中提供全部功能。光/熱聲成像兩種相對(duì)新的成像技術(shù)是熱聲和光聲成像(在本文統(tǒng)稱為光聲成像)。這種新的方式將優(yōu)于由建立的成像方式所提供的那些理解的新的理解加入到組織和其他對(duì)象的特性中。具體地，它提供與組織的熱彈性特性相關(guān)的信息。更具體地，激光、射頻或其他能量脈沖被傳送到對(duì)象中。一些已傳送的能量將被吸收并轉(zhuǎn)換成熱，導(dǎo)致短暫的熱彈性擴(kuò)張和因此導(dǎo)致超聲波發(fā)射。所產(chǎn)生的超聲波然后由超聲換能器檢測(cè)到以形成圖像(Bowen， Radiation-Induced Thermoacoustic Soft Tissue Imaging,IEEE Ultrasonic Symposium 2 :817-822,1981.6)。目前不存在理想地適于小體積光聲成像的系統(tǒng)。因此，存在對(duì)新的小體積光聲成像系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
通常，本發(fā)明以用于使組織成像的系統(tǒng)和它們的使用方法為特征。在一個(gè)方面中，本發(fā)明以用于使組織成像的系統(tǒng)為特征，該系統(tǒng)包括(i)電磁輻射源；(ii)具有多個(gè)聲換能器(例如，至少1 個(gè))的外殼；(iii)具有用于保持組織的部分的支撐結(jié)構(gòu)；以及(iv)在外殼和支撐結(jié)構(gòu)之間的用于容納聲耦合介質(zhì)的腔。在該系統(tǒng)中，來自源的電磁輻射足以誘發(fā)在位于支撐結(jié)構(gòu)中的組織中的熱聲響應(yīng)，并且多個(gè)聲換能器被定位成接收來自組織的熱聲響應(yīng)的超聲波。另外，用于保持組織的部分具有小于250 微米的厚度，并且該部分的聲阻抗匹配組織(即，在該組織的聲阻抗的50-150%內(nèi))，或該部分允許組織和聲耦合介質(zhì)之間的接觸。該系統(tǒng)還可包括被定位成監(jiān)測(cè)支撐結(jié)構(gòu)中的組織的(例如，對(duì)從300到1064納米的光敏感)一個(gè)或多個(gè)光學(xué)相機(jī)；用于使外殼相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)(例如，以1度或更小的運(yùn)動(dòng))旋轉(zhuǎn)的機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(electro-mechanical motion control system)；用于采集和存儲(chǔ)由多個(gè)換能器接收的熱聲響應(yīng)信號(hào)的數(shù)字采集系統(tǒng)；用于維持腔中聲耦合介質(zhì)的規(guī)定溫度(例如，在30和39°C之間)的溫度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)；以及用于測(cè)量電磁輻射的能量的脈沖能量監(jiān)測(cè)器。在另一實(shí)施方式中，多個(gè)換能器的一部分能夠?qū)⒊暡▊鬏數(shù)浇M織中，并且多個(gè)換能器的一部分能夠接收從組織發(fā)射的超聲波，其中系統(tǒng)還能夠產(chǎn)生組織的超聲圖像。外殼被可選地定位在源和支撐結(jié)構(gòu)之間，外殼還包括窗口，來自源的電磁輻射穿過窗口到達(dá)支撐結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)還可包括多個(gè)電磁輻射源，其中來自每個(gè)源的電磁輻射足以誘發(fā)在位于支撐結(jié)構(gòu)中的組織中的熱聲響應(yīng)，并且其中多個(gè)源被定位成照射組織的不同部分。支撐結(jié)構(gòu)可以或可以不使組織和腔中的聲耦合介質(zhì)分開。在某些實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括被布置在腔中并具有1450-1600米/秒的聲速的聲耦合介質(zhì)。優(yōu)選的換能器具有1至30MHz的中心頻率和大于50%的帶寬。外殼可包括球形內(nèi)表面，例如，其中多個(gè)聲換能器被定位在外殼的內(nèi)表面上，以便每個(gè)換能器的最大靈敏度的軸線與球體的形心相交。這樣的表面可具有80-150毫米的半徑。外殼還可包括從球體赤道延伸以適應(yīng)因?qū)⒔M織引入到支撐結(jié)構(gòu)而造成的聲耦合介質(zhì)的移位的圓柱形部分。示例性源以大于1赫茲的脈沖速率產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)脈沖的脈沖序列，每個(gè)脈沖具有小于500納秒的單獨(dú)的脈沖長度。每個(gè)脈沖的能量可選地大于0.03mJ。電磁輻射是例如
5紅外線、可見光、紫外線、射頻或微波。系統(tǒng)還可包括用于從熱聲響應(yīng)生成組織的圖像或體積表示的計(jì)算機(jī)。支撐結(jié)構(gòu)可包括對(duì)于熱聲成像顯示視場(chǎng)的標(biāo)記。支撐結(jié)構(gòu)的保持組織的部分可以或可以不與組織共形。支撐結(jié)構(gòu)的保持組織的部分也可以或可選地成形為將組織維持在對(duì)于熱聲成像的實(shí)質(zhì)上相同的方位上。本發(fā)明還以通過下列操作來產(chǎn)生組織的熱聲圖像的方法為特征(a)提供如本文所述的用于成像的系統(tǒng)；(b)將組織放置在支撐結(jié)構(gòu)中；(C)啟動(dòng)源以誘發(fā)組織中的熱聲響應(yīng)；⑷在多個(gè)聲換能器處接收來自組織的熱聲響應(yīng)的超聲波；以及(e)從所接收的超聲波生成熱聲圖像或體積。根據(jù)下面的描述、附圖和權(quán)利要求，其它特征或優(yōu)勢(shì)將是明顯的。附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是示例性外殼的等軸測(cè)視圖。圖2是貫穿沒有外部蓋的示例性系統(tǒng)的剖視圖。圖3示出示例性標(biāo)本定位托盤。圖4示出具有E-錨鏈管理系統(tǒng)的系統(tǒng)。圖5示出使用采用激光照射的系統(tǒng)使單個(gè)吸收點(diǎn)成像的結(jié)果。圖6示出從在采用激光照射的系統(tǒng)中使完整的老鼠成像得到的體積圖像。發(fā)明詳述光聲系統(tǒng)已被開發(fā)以特別用于小體積成像(包括小動(dòng)物成像)，其具有在疾病研究中的應(yīng)用、程序的指導(dǎo)以及在學(xué)術(shù)研究、制藥藥物開發(fā)和臨床應(yīng)用領(lǐng)域中的療法的監(jiān)測(cè)的特殊目的。小體積成像是指所關(guān)注的單個(gè)器官或局部體積的成像，并區(qū)別于諸如磁共振 (MR)、X射線計(jì)算機(jī)體層攝影(CT)和正電子發(fā)射體層攝影(PET)的方式可以采用的更一般的‘整體’成像，其中覆蓋多個(gè)器官的大掃描量是可用的。在其最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括電磁輻射源、聲換能器、支撐結(jié)構(gòu)和換能器所連接到的外殼。圖2示出貫穿沒有外部蓋的系統(tǒng)的剖視圖。該系統(tǒng)包括移動(dòng)和靜止的部分。 桌面[1]連接到結(jié)構(gòu)框架構(gòu)件W]，并提供在任何時(shí)候靜止的工作表面。外殼和多個(gè)聲換能器[2]位于桌面下方，并經(jīng)由支撐支柱[5]連接到電機(jī)計(jì)算機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)臺(tái)[8]以形成旋轉(zhuǎn)組件。旋轉(zhuǎn)臺(tái)具有穿過其旋轉(zhuǎn)軸[7]的通暢通路，其允許用于照射來自外殼下方的組織的無阻通路。組織支撐結(jié)構(gòu)[4]擱置在桌面上并在數(shù)據(jù)采集程序期間始終保持靜止。支撐結(jié)構(gòu)連接到處理裝置[3]，其允許托盤的拆除和定位。該系統(tǒng)還可包括如本文所述的各種額外的元件。在下面討論系統(tǒng)的單獨(dú)的部件。 應(yīng)理解，系統(tǒng)被構(gòu)造成提供位于其內(nèi)的組織的熱聲成像。電磁輻射源可采用能夠在特定組織中產(chǎn)生熱聲響應(yīng)的任何電磁輻射源。輻射可以是電離或非電離的，例如紅外線、可見光、紫外線、射頻(美國6，633，774)或微波(如IOMHz至4GHz)。示例性源是激光。輻射可例如以大于IHz的頻率或連續(xù)地產(chǎn)生脈動(dòng)。脈沖長度可小于500ns， 并且每個(gè)脈沖的能量可小于lmj，例如小于0.03mJ。該系統(tǒng)還可以包括測(cè)量脈沖能量的監(jiān)測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施方式中，可采用一個(gè)或多個(gè)源。當(dāng)采用多個(gè)源時(shí)，它們通常被定位成照射不同位置處的組織。源可使輻射穿過外殼中的窗口?？蛇x地，源被定位成從外殼之內(nèi)或之上照射。從底部和頂部指向的源的組合導(dǎo)致沿正被成像的組織的更均勻的光分布。對(duì)于所有單獨(dú)的源來說，可通過公共觸發(fā)信號(hào)和觸發(fā)延遲來使多個(gè)源同步。以這種方式，單獨(dú)的源的累積能量將增強(qiáng)來自組織的熱聲信號(hào)響應(yīng)。增強(qiáng)的信號(hào)通常是期望的，特別是當(dāng)需要增加的靈敏度來檢測(cè)痕量物質(zhì)或吸收劑的濃度的微小變化時(shí)。不是使用多個(gè)源，可以使用具有分裂成多條通路的輻射的單個(gè)源，這些通路將從多個(gè)位置照射組織。外殼外殼是聲換能器所連接到的并且容納聲耦合介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。將介質(zhì)放置在外殼中以提供換能器和位于支撐結(jié)構(gòu)中的組織之間的聲耦合，如下面更詳細(xì)描述的。外殼可以具有適合于換能器接收從放置在其內(nèi)的組織發(fā)射的超聲波的任何形狀， 例如球形。例如，可在例如具有80-150mm的半徑的半球形外殼的內(nèi)表面的一部分內(nèi)將換能器布置為螺旋圖案。通常外殼填充有聲耦合介質(zhì)，例如液體(如水)或凝膠。聲耦合介質(zhì)在本領(lǐng)域中是已知的。聲音在介質(zhì)中的速度(S0Q可緊密匹配正被成像的組織的SOS。具有1450至 1600米/秒的聲速的介質(zhì)是優(yōu)選的。在一個(gè)實(shí)施方式中，水與甘油結(jié)合以產(chǎn)生具有所期望的SOS的介質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，外殼包括排水孔，以允許從外殼去除液體并便于清洗和消毒。排水孔被定位，以便它不會(huì)干擾檢測(cè)器。外殼通常還包括體積(例如，半球的圓柱形擴(kuò)展)，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)被插入系統(tǒng)中時(shí)，耦合介質(zhì)可以被轉(zhuǎn)移到該體積中，如下面討論的。外殼可以由傳導(dǎo)或非傳導(dǎo)材料(其對(duì)于與無線電和微波頻率一起使用是優(yōu)選的) 構(gòu)造。諸如迭爾林和Ultem的工程熱塑性塑料是合適的外殼材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)诨瘜W(xué)上是惰性的和可加工的，并具有低吸水率。如上所述，外殼可包括對(duì)從源發(fā)射的輻射的窗口(或以其他方式是透明的)。也可在外殼上(或鄰近它)安裝溫度探針，以監(jiān)測(cè)和/或調(diào)節(jié)聲耦合介質(zhì)的溫度。 維持一致的溫度將導(dǎo)致穿過耦合介質(zhì)的聲音的一致的速度，并且也可以減少正被成像的組織的運(yùn)動(dòng)。這對(duì)于動(dòng)物的成像特別恰當(dāng)。可通過位于外殼上或內(nèi)的加熱器維持溫度。可選地，介質(zhì)例如水可以在具有恒溫的外箱和外殼之間交換。優(yōu)選地，只在連續(xù)掃描之間在外箱和外殼之間交換介質(zhì)，以防止在掃描期間的泡沫形成。優(yōu)選地，介質(zhì)的溫度匹配正被成像的組織的正常生理溫度。在一些實(shí)施方式中，低于生理的溫度是有利的。例如，在一些小動(dòng)物成像應(yīng)用(如老鼠)中，較低的心率可能是優(yōu)選的，并可通過將液體的溫度降低1-5攝氏度來實(shí)現(xiàn)。也可以降低溫度以維持被隔離的組織的完整性。對(duì)介質(zhì)的體內(nèi)成像的正常溫度范圍將是30-39攝氏度。圖1是示例性外殼的等軸測(cè)視圖。外殼[1]被加工、形成或模制以提供所需的幾何形狀。此圖示出所加工的孔的圖案，聲接收器被放置到孔中并形成如在美國5，713，356 和美國6，102，857中所描述的螺旋圖案。在外殼的底部的窗口 [2]提供入口，電磁輻射可穿過入口被傳送到組織。排水孔[3]也位于外殼的最低點(diǎn)附近。具有閥的柔韌軟管經(jīng)由配件連接到排水孔，以允許聲耦合介質(zhì)從外殼去除。外殼中的額外孔提供溫度傳感器監(jiān)測(cè)聲耦合介質(zhì)的溫度的通道。支撐結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)容納正被成像的組織。該結(jié)構(gòu)被放置成與保持在外殼中的聲耦合介質(zhì)接觸。優(yōu)選地，支撐結(jié)構(gòu)包括能夠例如通過近似于正被成像的組織的形狀(圖3)來符合正被成像的組織的形狀或被模制成對(duì)于熱聲成像將組織保持在實(shí)質(zhì)上相同方位上的部分。支撐結(jié)構(gòu)還將組織適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉谙到y(tǒng)的視場(chǎng)中，即，可以被熱聲成像的體積中。支撐結(jié)構(gòu)的高度可以是可調(diào)節(jié)的，例如以允許組織在系統(tǒng)的視場(chǎng)中垂直和/或水平地位于中心。標(biāo)記可被包括在支撐結(jié)構(gòu)上，以協(xié)助將組織定位在視場(chǎng)中。支撐結(jié)構(gòu)可從系統(tǒng)的其余部分移除或可沿系統(tǒng)的一個(gè)側(cè)面被鉸接(或以其他方式連接)。這兩種方法都將便于外殼的清洗。保持組織的該部分優(yōu)選地防止組織和聲耦合介質(zhì)之間的接觸。支撐結(jié)構(gòu)也可包括模制部分以適應(yīng)組織的非成像部分，例如臂、腿、動(dòng)物尾巴等。結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步允許用于傳送或移除流體的導(dǎo)管(例如，動(dòng)脈或靜脈)連接到組織或其他元件連接到組織，例如心率、呼吸頻率或溫度。支撐結(jié)構(gòu)的保持組織的該部分(其可在本文稱為支架)可以是可移除的和可任意處理的?？蛇x地，這部分可在每次使用后被消毒。保持組織的該部分可以是剛性的或可變形的、預(yù)先形成的或平的。在容納組織的部分中采用的材料的聲阻抗匹配組織。另外，容納組織的該部分可具有對(duì)正被采用的輻射的高透射率。保持組織的該部分的厚度例如在10 到250微米之間。保持組織的該部分的合適材料的實(shí)例是聚碳酸酯(例如Lexan )、聚乙烯、全氟彈性體、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和塑料包裝(例如，Saran )。在另一個(gè)實(shí)施方式中，支撐結(jié)構(gòu)允許組織在照射路徑中的一部分與耦合介質(zhì)直接接觸。在此實(shí)施方式中，支撐結(jié)構(gòu)不需要是照射能量可透過的，并且支撐結(jié)構(gòu)的聲阻抗不需要接近組織的聲阻抗。圖3示出示例性的支撐結(jié)構(gòu)。支架[1]被形成為接近所關(guān)注的組織的幾何形狀。 支撐結(jié)構(gòu)具有水平邊緣[2]和螺絲孔[3]，螺絲孔[3]允許它連接到處理裝置。對(duì)于掃描程序，支撐結(jié)構(gòu)與處理裝置一起被插入到桌面中。支撐結(jié)構(gòu)和支架的幾何形狀都具有適當(dāng)?shù)某叽纾员闼P(guān)注的組織位于外殼中的每個(gè)聲換能器的有效視場(chǎng)處。聲換能器系統(tǒng)包括用于接收熱聲地產(chǎn)生的超聲波的多個(gè)聲換能器，例如至少1 個(gè)聲換能器。可如本領(lǐng)域已知的在外殼上將換能器布置為例如在美國6，102,857中公開的螺旋圖案。當(dāng)外殼具有球形表面時(shí)，換能器可被布置成使得每個(gè)換能器的最大靈敏度的軸線與球體形心相交。示例性換能器具有1到30MHz的中心頻率和至少50%的帶寬?！獋€(gè)或多個(gè)換能器可被用作超聲波的發(fā)射器，而一個(gè)或多個(gè)其它換能器被用作用于產(chǎn)生超聲圖像的接收器。E-鏈或其他電纜管理系統(tǒng)可與換能器一起使用來將它們連接到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和/或分析部件。額外的部件系統(tǒng)還可包括與外殼一道密封組織的蓋。這樣的蓋也可以提供用于將電磁輻射源或直接輻射的光學(xué)器件安裝到組織的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)還可以包括從電磁輻射屏蔽組織的部分的保護(hù)屏。另外，可以包括并使用例如具有從300到1064nm的靈敏度的光學(xué)相機(jī)以在熱聲成像期間監(jiān)測(cè)組織或在成像程序期間基于反射、透射或發(fā)射例如熒光來形成光學(xué)圖像。相機(jī)可被集成到在正被掃描的組織之上的蓋中、在組織的側(cè)面或在具有使用中繼光學(xué)器件得到的組織的光學(xué)圖像的成像系統(tǒng)的外部。
系統(tǒng)還可包括相對(duì)于組織和/或輻射源移動(dòng)外殼的旋轉(zhuǎn)臺(tái)。該臺(tái)旋轉(zhuǎn)以從多個(gè)視角提供熱聲波形。旋轉(zhuǎn)臺(tái)可具有穿過其垂直軸線的孔，以提供到外殼的底部處的窗口的無阻光路?？墒止を?qū)動(dòng)或由允許例如1度或更少的離散增量或連續(xù)旋轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)還可包括允許在任何給定時(shí)間記錄角位置的編碼器。系統(tǒng)可進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和/或數(shù)據(jù)分析部件。在一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括數(shù)字采集系統(tǒng)，其采集并存儲(chǔ)由換能器接收的熱聲響應(yīng)信號(hào)。系統(tǒng)還可包括計(jì)算機(jī)，其基于所接收的熱聲響應(yīng)生成組織的二維圖像或三維體積表示。當(dāng)換能器被用來發(fā)送和接收超聲波時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集部件和/或計(jì)算機(jī)也可以被用來存儲(chǔ)和生成超聲圖像或體積。系統(tǒng)可進(jìn)一步包括桌面，其(在支柱上鉸接)傾斜使得外殼表面可易于清洗和消毒；光學(xué)上不透明的蓋，其放置在成像區(qū)域之上以在成像期間提供對(duì)雜散激光的屏蔽；或者在蓋上的互鎖開關(guān)，其當(dāng)蓋打開時(shí)連接到激光器以確保沒有對(duì)成像區(qū)域的曝光。使用的方法可采用本發(fā)明的系統(tǒng)來產(chǎn)生組織的熱聲圖像和體積表示，如本領(lǐng)域已知的。成像的組織可以是整個(gè)生物體，例如植物、老鼠、鼠或兔；動(dòng)物的部分，例如手、腳或胸；或者從動(dòng)物切除或在培養(yǎng)基中生長的物質(zhì)，例如活檢標(biāo)本或組織移植物。
實(shí)施例如下描述示例性系統(tǒng)。下面具體描述的任何部件可與系統(tǒng)的其它部件一起被采用并且通常適用于本發(fā)明。圖4示出從上觀看的沒有外部蓋的系統(tǒng)。外殼[1]中的聲換能器旋轉(zhuǎn)過360度，以在其被照射時(shí)提供從組織發(fā)射的熱聲波形的多個(gè)視圖。每個(gè)聲換能器具有(信號(hào)和地面)電線對(duì)。來自外殼中的所有聲換能器的電線對(duì)聚集在一起以形成電纜。 電纜被引導(dǎo)而穿過在掃描器[3]的旋轉(zhuǎn)部分上的配件和靜止掃描框架[4]上的配件之間的電子錨鏈管理系統(tǒng)[2]，允許電纜在光聲掃描器內(nèi)的無阻運(yùn)動(dòng)。流入管[5]將溫度控制的聲耦合介質(zhì)傳送到外殼中，而流出管從外殼去除聲耦合介質(zhì)并將它輸送到外部溫度控制單元。流入/流出管的組合、外部泵和溫度控制單元允許聲耦合介質(zhì)在成像程序期間處于恒定和控制的溫度。能量源是能夠在300-1064nm的波長處產(chǎn)生每脈沖40mJ的可調(diào)諧OPO激光源，脈沖持續(xù)時(shí)間< 10ns。激光誘發(fā)正被成像的組織中的加熱。包括透鏡、擴(kuò)散器、濾波器、棱鏡、 反射鏡和光纖電纜的光鏈用來將從激光器發(fā)射的光轉(zhuǎn)射到組織。分光器被用來提供用于照射視場(chǎng)中的組織的兩個(gè)單獨(dú)的光源?？蛇x地，將額外的光束通路與具有光電二極管的積分球合并以監(jiān)測(cè)每個(gè)激光脈沖的能量。一個(gè)光束通路落在動(dòng)物上，而其它光束通路(<總數(shù)的5%)被轉(zhuǎn)射到積分球(或備用的光束監(jiān)測(cè)設(shè)備)，以量化每脈沖的光輸出。在掃描序列期間由光束監(jiān)測(cè)器測(cè)量的每個(gè)脈沖的能量被記錄在計(jì)算機(jī)上作為采集序列的一部分。1 個(gè)聲換能器被布置在具有在底部處的光學(xué)窗口(來自底部的光照射的入口) 的半球形外殼G”半徑)內(nèi)。換能器(未聚焦的平坦前表面)被布置為螺旋圖案。每個(gè)換能器具有一對(duì)電線(信號(hào)和地面，大批地導(dǎo)線聚集在一起成為一個(gè)導(dǎo)線)。信號(hào)電線和地電線聚集在一起成為組成電纜的具有包皮的束。電纜約2米長并終止于156管腳連接器(標(biāo)準(zhǔn)超聲ITT/佳能DL-I連接器)。DL-I連接器與具有1 個(gè)通道的數(shù)字采集系統(tǒng)(DAS)配對(duì)，數(shù)字采集系統(tǒng)使來自128個(gè)換能器的每個(gè)的輸入信號(hào)數(shù)字化。DAS具有帶有兩個(gè)放大器級(jí)的模擬電子器件，其提供30dB增益并以5、10、20、40MHz的采樣率數(shù)字化。采用漢寧或漢明窗口的具有用戶可選擇的截止頻率的抗混疊濾波器在可用在增益-A/D電子器件中以消除由欠采樣產(chǎn)生的偽像。信號(hào)被數(shù)字化并存儲(chǔ)到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 比特/樣本)中，每個(gè)換能器存儲(chǔ)多達(dá)2048個(gè)樣本。由多個(gè)激光脈沖生成的單獨(dú)信號(hào)可在FPGA中平均以提供增加的信噪比。可采用例如具有256或512個(gè)檢測(cè)器的多個(gè)DAS?？梢酝ㄟ^通用串行總線(USB)連接從來自采集計(jì)算機(jī)的DAS的命令設(shè)置來自輻射源的脈沖的數(shù)量、抗混疊濾波器的選擇、數(shù)字化率和放大器增益。DAS具有觸發(fā)輸入。來自激光器的脈沖觸發(fā)數(shù)字化。波形被放大、數(shù)字化、與來自其它激光脈沖的波形平均以及存儲(chǔ)在FPGA中。一旦換能器的幾何形狀的給定位置的所有激光脈沖都被采集并平均，因而產(chǎn)生的數(shù)字化波形就被傳送到采集計(jì)算機(jī)。通過使用陣列中的單個(gè)換能器元件作為發(fā)射器，通過將RF脈沖放在它的信號(hào)線上形成超聲圖像。對(duì)外殼中的所有換能器記錄從組織返回的因而產(chǎn)生的信號(hào)?？蓪?duì)陣列中的所有單獨(dú)的換能器和對(duì)外殼的多個(gè)旋轉(zhuǎn)位置重復(fù)超聲發(fā)送過程。所記錄的信號(hào)被用來形成正被成像的組織的超聲圖像。外殼擱置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。該臺(tái)旋轉(zhuǎn)以提供從多個(gè)視角收集的熱聲波形。旋轉(zhuǎn)臺(tái)具有穿過其垂直軸線的孔，以提供從光纖到外殼的底部處的玻璃入口窗的無阻光通路。旋轉(zhuǎn)臺(tái)由允許離散增量或連續(xù)旋轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)具有允許在任何給定時(shí)間記錄角位置的編碼器。成像區(qū)域(FOV)在外殼的等中心處被置于中心。給定換能器的布置，這個(gè)等中心也可以被理解為成像的最佳點(diǎn)。換能器位于外殼中以便中心軸(垂直于換能器的前端面) 在等中心點(diǎn)處相交。外殼是具有從赤道邊緣上升(1. 5”)的垂直壁(圓柱形)的半球。這為將填充外殼的耦合介質(zhì)提供用于成像的組織和每個(gè)換能器之間的聲耦合的能力。保持組織的支撐結(jié)構(gòu)位于外殼之上并具有孔( 5”半徑)?？勺冃嗡芰系哪Ｖ浦Ъ?即，支撐結(jié)構(gòu)的保持組織的部分)被放入支撐結(jié)構(gòu)中的孔中?？勺冃蔚闹Ъ苡删哂薪咏诨蚱ヅ漶詈辖橘|(zhì)例如水的聲阻抗的聲阻抗的材料制成。支架的形狀和幾何形狀允許組織位于有用的成像FOV內(nèi)。光傳送是來自外殼的底部、穿過具有光束大小的窗口，使得照射動(dòng)物的激光脈沖的面積是1平方厘米?？蛇x地，可使光從下面和從上面?zhèn)魉?，其中來自?biāo)本上面的光可照射 (相對(duì)于來自下面的光)相對(duì)的表面。上面的光由可被手工定位的光纖傳送?？纱怪钡卣{(diào)整支架的高度。水平地來自側(cè)面的激光的平面可用于確定標(biāo)本的最佳高度。最佳高度可由指向組織的等中心(或所關(guān)注的其它區(qū)域)的激光確定。支撐結(jié)構(gòu)和支架上的標(biāo)記促進(jìn)標(biāo)本在水平面中的定位，標(biāo)記示出FOV的中心和FOV的外邊界。支撐結(jié)構(gòu)和/或支架部分具有符合正被成像的嚙齒動(dòng)物的尾巴的成形特點(diǎn)，以便于用于對(duì)比材料的注射或連續(xù)注入的導(dǎo)管插入。外殼被流體例如水填充，以提供從換能器到支架的聲耦合。 組織使用聲耦合凝膠耦合到支架。系統(tǒng)還包括數(shù)字控制單元，其具有若干功能監(jiān)測(cè)每個(gè)激光脈沖的能量；控制機(jī)械快門例如電機(jī)致動(dòng)器來阻擋激光束(光束停止)，并允許激光被調(diào)整而沒有暴露成像區(qū)域；旋轉(zhuǎn)臺(tái)編碼以記錄臺(tái)的角位置；以及填充外殼的液體的溫度監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)還包括控制數(shù)據(jù)采集的采集計(jì)算機(jī)。典型的應(yīng)用序列包括通過將命令發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備以確定外殼的角位置的對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制；通過設(shè)置脈沖速率和波長借助于串行通信的激光；確定數(shù)字化率、濾波功能、增益和穿過USB組的每換能器位置平均的脈沖數(shù)的 DAS控制；以及控制光束停止監(jiān)測(cè)液體溫度并讀出脈沖能量的微控制器。對(duì)每個(gè)傳感器的脈沖響應(yīng)被記錄。特征函數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。數(shù)字化的每個(gè)信號(hào)與該換能器的相應(yīng)濾波函數(shù)去卷積。計(jì)算時(shí)間導(dǎo)數(shù)(美國5，713，356)。對(duì)于換能器幾何形狀的每個(gè)位置，每個(gè)換能器的數(shù)據(jù)被向后投射(Kruger等人，Photoacoustic ultrasound (PAUS)-reconstruction tomography, Med. Phys. 22(10) , Oct. 1995, PP. 1605-1609)。使用1 個(gè)換能器和小于180度的旋轉(zhuǎn)的圖像重建是可能的。使用256 個(gè)換能器允許用于最佳采樣的180度旋轉(zhuǎn)的使用。圖5示出使200微米吸收測(cè)試對(duì)象成像的結(jié)果。將由高吸收打印機(jī)墨水組成的 200微米的圓圈打印到薄的、透明的Mylar紙上。圓圈大致被放置在外殼的球心處，并使用光聲系統(tǒng)成像。打印機(jī)墨點(diǎn)被在波長SOOnm處的、具有每脈沖能量6mJ的7納秒脈沖的光照射。從光吸收?qǐng)A圈發(fā)射的熱聲波形被外殼中的1 個(gè)聲波接收器檢測(cè)，由對(duì)20兆赫茲處的波形采樣的1 個(gè)通道數(shù)字采集系統(tǒng)數(shù)字化，并被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。對(duì)多個(gè)視角在360 度內(nèi)的64個(gè)相等分布的旋轉(zhuǎn)位置處采集熱聲數(shù)據(jù)。來自所有聲接收器、來自所有視角的數(shù)字化數(shù)據(jù)使用如在 Kruger 等人的 Photoacoustic ultrasound(PAUS) -reconstruction tomography, Med. Phys. 22(10)，Oct. 1995，pp. 1605-1609 中描述的方法被重建。表示相對(duì)吸收的因而產(chǎn)生的強(qiáng)度圖在圖5(a)中示出。穿過吸收打印機(jī)油墨圓圈的中心的重建的數(shù)據(jù)的強(qiáng)度分布在圖5(b)中示出。在分布曲線的半高處的全寬為280微米。圖6示出從使用SOOnm處的7ns激光脈沖使完整的老鼠成像得到的重建的光聲體積。在360度的跨度上外殼的64個(gè)相等地間隔開的旋轉(zhuǎn)位置處采集熱聲波形。該圖像表示穿過老鼠腹部的3毫米冠狀切面的最大強(qiáng)度投影。很多腹部器官連同腰椎是清晰可見的。其它實(shí)施方式本文提到的所有出版物、專利和專利申請(qǐng)出版物由此通過引用被并入。本發(fā)明的所述化合物的各種修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是明顯的，而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。雖然已結(jié)合某些實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，所主張的發(fā)明不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵抻谶@樣的實(shí)施方式。事實(shí)上，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說明顯的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的所描述的模式的各種修改被規(guī)定為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于使組織成像的系統(tǒng)，包括(i)電磁輻射源；( )外殼，其包括多個(gè)聲換能器；(iii)支撐結(jié)構(gòu)，其包括用于保持組織的部分；以及(iv)腔，其在所述外殼和所述支撐結(jié)構(gòu)之間，用于容納聲耦合介質(zhì)；其中，來自所述源的電磁輻射足以誘發(fā)在位于所述支撐結(jié)構(gòu)中的所述組織中的熱聲響應(yīng)，并且所述多個(gè)聲換能器被定位成接收來自所述組織的所述熱聲響應(yīng)的超聲波，以及其中，(a)用于保持所述組織的所述部分具有小于250微米的厚度，并且所述部分的聲阻抗匹配所述組織，或(b)所述部分允許所述組織和所述聲耦合介質(zhì)之間的接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被定位成監(jiān)測(cè)所述支撐結(jié)構(gòu)中的所述組織的光學(xué)相機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述相機(jī)對(duì)從300到1064納米的光敏感。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于使所述外殼相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠以1度或更少的離散運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于采集和存儲(chǔ)由所述多個(gè)換能器接收的熱聲響應(yīng)信號(hào)的數(shù)字采集系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于維持所述腔中的聲耦合介質(zhì)的規(guī)定溫度的溫度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述規(guī)定溫度在30和39°C之間。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于測(cè)量所述電磁輻射的能量的脈沖能量監(jiān)測(cè)器。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)換能器的一部分能夠?qū)⒊暡▊鬏數(shù)剿鼋M織中，并且所述多個(gè)換能器的一部分能夠接收從所述組織發(fā)射的超聲波，其中，所述系統(tǒng)還能夠產(chǎn)生所述組織的超聲圖像。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼被定位在所述源和所述支撐結(jié)構(gòu)之間， 并且所述外殼還包括窗口，來自所述源的電磁輻射穿過所述窗口到達(dá)所述支撐結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括多個(gè)電磁輻射源，其中，來自每個(gè)源的電磁輻射足以誘發(fā)在位于所述支撐結(jié)構(gòu)中的所述組織中的熱聲響應(yīng)，并且其中，所述多個(gè)源被定位成照射所述組織的不同部分。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)使所述組織和所述腔中的聲耦合介質(zhì)分開。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被布置在所述腔中并具有1450-1600米/秒的聲速的聲耦合介質(zhì)。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)聲換能器包括至少1 個(gè)。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)聲換能器的每個(gè)具有1至30MHz的中心頻率和大于50%的帶寬。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼包括球形內(nèi)表面。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)聲換能器被定位在所述外殼的所述內(nèi)表面上，以便每個(gè)換能器的最大靈敏度的軸線與球體的形心相交。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述內(nèi)表面具有80-150毫米的半徑。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼是具有圓柱形部分的半球，該圓柱形部分從所述球體赤道延伸以適應(yīng)因?qū)⑺鼋M織引入到所述支撐結(jié)構(gòu)而造成的聲耦合介質(zhì)的移位。
21.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述源以大于1赫茲的脈沖速率產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)脈沖的脈沖序列，每個(gè)脈沖具有小于500納秒的單獨(dú)的脈沖長度。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)脈沖的能量大于0.03mJ。
23.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射是紅外線、可見光、紫外線、射頻或微波。
24.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于從所述熱聲響應(yīng)生成所述組織的圖像的計(jì)算機(jī)。
25.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于從所述熱聲響應(yīng)生成所述組織的體積表示的計(jì)算機(jī)。
26.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)還包括顯示熱聲成像的視場(chǎng)的標(biāo)記。
27.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)的所述部分與所述組織共形。
28.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)的所述部分被成形為將所述組織維持在用于熱聲成像的實(shí)質(zhì)上相同的方位上。
29.—種產(chǎn)生組織的熱聲圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供用于使組織成像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 (i)電磁輻射源；( )外殼，其包括多個(gè)聲換能器；(iii)支撐結(jié)構(gòu)，其包括用于保持組織的部分，其中，所述部分具有小于250微米的厚度，并且所述部分的聲阻抗匹配所述組織；以及(iv)腔，其在所述外殼和支撐結(jié)構(gòu)之間，用于容納聲耦合介質(zhì)；(b)將所述組織放置在所述支撐結(jié)構(gòu)中；(c)啟動(dòng)所述源以誘發(fā)所述組織中的熱聲響應(yīng)；(d)在所述多個(gè)聲換能器處接收來自所述組織的所述熱聲響應(yīng)的超聲波；以及(e)從所接收的超聲波生成熱聲圖像或體積。
全文摘要
本發(fā)明以用于使組織成像的系統(tǒng)為特征，該系統(tǒng)包括(i)電磁輻射源；(ii)具有多個(gè)聲換能器(例如，至少128個(gè))的外殼；(iii)具有用于保持組織的部分的支撐結(jié)構(gòu)；以及(iv)在外殼和支撐結(jié)構(gòu)之間的用于容納聲耦合介質(zhì)的腔。在該系統(tǒng)中，來自源的電磁輻射足以誘發(fā)在位于支撐結(jié)構(gòu)中的組織中的熱聲響應(yīng)，并且多個(gè)聲換能器被定位成接收來自組織的熱聲響應(yīng)的超聲波。本發(fā)明還以使用該系統(tǒng)使組織成像的方法為特征。
文檔編號(hào)A61B5/05GK102223840SQ200980140510
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者羅伯特·A·克魯格, 邁克爾·M·桑頓 申請(qǐng)人:安德拉有限公司