專利名稱：利用多功能聲透鏡的光聲成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲成像，更具體地，涉及利用多元件聲透鏡的這樣的成像。
背景技術(shù)：
前列腺癌是最常見的新診斷的男性惡性腫瘤，在引起癌癥相關(guān)死亡方面僅次于肺癌。前列腺腺癌是西方世界中最常見的惡性腫瘤。2007年在美國(guó)確診預(yù)計(jì)218，890名前列腺癌新病例，其中，估計(jì)27，050人死亡。隨著男人年齡的增大，患前列腺癌的風(fēng)險(xiǎn)增大。已經(jīng)在大約30%的六十歲的男人的尸檢標(biāo)本中偶然地發(fā)現(xiàn)前列腺癌。70%至80%的具有前列腺癌的病人在65歲以上。通常基于升高的前列腺特異抗原(PSA)測(cè)試或反常的直腸指檢(DRE)，或基于用于確診的前列腺直腸超聲(TRUQ活體檢查，懷疑臨床局部疾病。然而， TRUS不足夠可靠以單獨(dú)地用作用于活體檢查的樣板。有在TRUS上不可見的(等回聲的) 癌。此外，在PSA篩查人口中，TRUS的準(zhǔn)確性由于遇到的假陽性結(jié)果而僅為52%。與良性前列腺組織相比，增加的腫瘤血管(血管新生)已顯微顯示在前列腺癌中?？赡苡捎谑芟拗频姆直媛屎洼^小的流速，已不顯示彩色和能量多普勒超聲的功效。具有許多變型的彈性成像是當(dāng)前正在廣泛研究的新的模型。顯而易見的是，考慮到本診斷醫(yī)療方案的局限性，改進(jìn)前列腺癌的可視化并提高活體檢查量的新成像模型的開發(fā)是有利的。此外，通過使其更加經(jīng)濟(jì)，我們可將其置于主治醫(yī)生的手中，在此，新成像模型將作為PSA、DRE以及TRUS的附屬物而滿足其主要目的。對(duì)腫瘤可視化的需要在局部前列腺癌疾病的治療中是同樣重要的?，F(xiàn)有的治療策略，即，體外放療、前列腺近距離治療、冷凍手術(shù)以及觀察等待，都將顯著地受益于保證更好的腫瘤對(duì)比的新的模型的開發(fā)。因此，盡管最近有進(jìn)展，但是前列腺癌繼續(xù)是需要進(jìn)步的領(lǐng)域。除PSA水平和DRE之外，前列腺癌的適當(dāng)成像是用于診斷前列腺癌和其分期的重要組成部分。用于診斷前列腺癌的前列腺成像的當(dāng)前狀態(tài)包括超聲波、超聲引導(dǎo)的前列腺活檢、磁共振成像(MRI)以及核顯像。這些模式是有用的，但是具有缺點(diǎn)和局限性。MRI是昂貴的并且是不可移動(dòng)的。核閃爍是昂貴的，提供低分辨率的平面成像，并且存在通過腎的示蹤劑排出的問題。這些模式并非一般用途均可使用。超聲波不足夠可靠以單獨(dú)地用作用于診斷前列腺癌的樣板。其具有兩個(gè)問題。首先，在許多情況下，前列腺癌看上去像是引起高缺失率的等回聲病變(與周圍組織的灰度值相似的灰度值)。其次，當(dāng)其可見(高回聲或低回聲的)時(shí)，因?yàn)樵S多其它的非癌癥狀態(tài)，比如前列腺萎縮、前列腺炎癥以及良性腫瘤，在超聲檢查時(shí)在外觀上看起來也是相似的，因此，不能夠確定地說其是否是癌或良性腫瘤。必須在懷疑的病變上執(zhí)行活檢用于確診?；顧z是不舒服的，并且流血可能作為并發(fā)癥。由于較差的病變檢測(cè)，因此甚至當(dāng)前前列腺活檢技術(shù)漏掉大約30%的前列腺癌。已經(jīng)探索與灰度超聲結(jié)合的彩色血流和能量多普勒超聲的使用，但是不成功。因此，迫切需要新成像方法，該新成像方法是可便攜的，制造經(jīng)濟(jì)，并且將作為用于前列腺癌的主要篩查和診斷工具而具有廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是滿足該需要。為了實(shí)現(xiàn)以上和其它目的，本發(fā)明涉及聲透鏡/變焦聲透鏡或聲透鏡和聲反射鏡的組合的實(shí)施。本發(fā)明滿足對(duì)提高醫(yī)療光聲成像中的信噪比(S/N)的需要；但是，優(yōu)選實(shí)施方式將針對(duì)前列腺成像。為了利用由多模光纖傳輸以產(chǎn)生光聲脈沖的脈沖激光光激勵(lì)來成像體內(nèi)的各種軟組織，然后以聲檢測(cè)器陣列使產(chǎn)生的光聲脈沖成像，本發(fā)明的至少一些實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)一種可在液體環(huán)境中操作的、可變焦距和放大率的特殊聲透鏡，該特殊聲透鏡像差校正到足以獲得具有橫向分辨率以及深度分辨率的高分辨率成像的程度。


以下參照附圖闡明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在附圖中圖IA是示出利用聲透鏡和反射鏡的、用于前列腺的光聲成像的探針的示意圖；圖IB是示出利用聲透鏡而沒有反射鏡的、用于前列腺的光聲成像的探針的示意圖；圖2示出單個(gè)雙凹聲聚焦透鏡；圖3示出具有凸元件和凹元件的多元件聲透鏡；以及圖4示出具有連續(xù)變化的放大率的多元件聲透鏡。
具體實(shí)施例方式將參照附圖詳細(xì)地闡明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中，相同的附圖標(biāo)記在全文中指的是相同的元件。第一優(yōu)選實(shí)施方式通過直腸探針提供前列腺成像。圖IA示出以探針100A成像前列腺的實(shí)施例，探針100A的外殼102設(shè)計(jì)成放置到直腸中。探針100A包括幾個(gè)元件。多模光纖104傳輸500至1500nm波長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的、十納秒持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)的一定能量的激光脈沖。光纖將激光能量傳輸?shù)铰暪獯翱?106，激光能量通過聲光窗口 106傳到直腸壁 R，在此其照亮前列腺P的一部分。光纖具有一定的數(shù)值孔徑并且以一定角度的光錐C照亮前列腺。通常，NA = 0.25的光纖將照亮25度圓錐的范圍。外殼102通常被密封并填充適當(dāng)?shù)牧黧w。激光波長(zhǎng)選擇為以便優(yōu)選地吸收在病變L中，病變L可包含增強(qiáng)密度的血管。在這種情況下，光吸收主要通過血紅蛋白/還原血紅蛋白，并且優(yōu)選SOOnm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。關(guān)心的病變還可通過利用目標(biāo)探針分子而具有增強(qiáng)的紅外吸收，上述目標(biāo)探針分子僅附著在
5關(guān)心的病變或區(qū)域上并提供增強(qiáng)的紅外輻射吸收。病變中的增強(qiáng)的吸收產(chǎn)生增強(qiáng)生成的光聲脈沖I，光聲脈沖I向四面八方輻射出前列腺。該聲輻射的一定部分穿透直腸壁R，穿過聲光窗口 106，在反射鏡108上反射，并被引導(dǎo)到特別設(shè)計(jì)的聲透鏡110中。接著，聲透鏡 110使光聲信號(hào)直接成像到包含聲檢測(cè)器陣列112的圖像平面上。聲檢測(cè)器陣列112包含 NXM個(gè)元件(其中，在設(shè)計(jì)探針期間選擇N和M以給出需要的成像分辨率)，NXM個(gè)元件還提供時(shí)間分辨輸出，以使時(shí)域信息可用于深度相關(guān)圖像處理。圖IA中示出的聲反射鏡108可由某些金屬制成，比如銅或鶴，或者可由薄膜制成， 比如安裝成以便包括膜后面的較薄空隙的聚酯薄膜。原則上，該反射鏡還可是曲面的，使其成為反折射成像系統(tǒng)的部分。圖IB示出了可選擇的構(gòu)造100B，其中，不使用聲反射鏡。在這種情況下，透鏡114 和檢測(cè)器成像系統(tǒng)112的光軸垂直于探針的軸線，需要更加緊湊地實(shí)現(xiàn)透鏡114。兩種構(gòu)造都包括窗口 106，窗口 106對(duì)于激光以及聲信號(hào)需要是透射的。這在機(jī)械上也應(yīng)當(dāng)是堅(jiān)固的。薄的藍(lán)寶石板是這種窗口材料的實(shí)施例。現(xiàn)在將描述透鏡110或114的設(shè)計(jì)。聲透鏡的功能在有些方面與光學(xué)透鏡是相似的。在光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)透鏡、光源以及圖像分辨率元件的尺寸遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)時(shí)，幾何光學(xué)出于透鏡和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的而提供較好的近似。就聲學(xué)而言，考慮范圍內(nèi)的對(duì)于突起的關(guān)心的波長(zhǎng)在0.2至5mm范圍內(nèi)?？稍谏渚€模型中描述聲能，與折射的斯涅爾定律相似的規(guī)則適用于在不相似材料之間的交界面處彎曲的射線。就聲學(xué)而言，這種射線彎曲由對(duì)于各種材料可完全不同的材料特性的差異控制，比如聲速、阻抗等等。圖2示出了單個(gè)元件200的簡(jiǎn)單例子。當(dāng)透鏡材料具有比周圍介質(zhì)的聲速更高的聲速時(shí)，雙凹透鏡提供聚焦作用以將來自聲源S的聲波聚焦到檢測(cè)器202上。就通過直腸通道的前列腺病變成像的本實(shí)施例而言，嚴(yán)重限制了成像條件。探針的外徑必須不大于30mm，從前列腺壁到檢測(cè)器陣列的總距離將在4-7cm范圍內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式將包括可變放大率“變焦透鏡”功能，以便能夠首先執(zhí)行廣角掃描，如果看到關(guān)心的更小的區(qū)域，可調(diào)節(jié)到更高的放大率，以便提供這些區(qū)域中的增強(qiáng)水平的細(xì)節(jié)。另外，就聲透鏡能夠以最高分辨率成像所關(guān)心的小區(qū)域的聲發(fā)射而言，該最高分辨率可能具有完美的成像，即，僅受輻射本身的衍射效應(yīng)限制，希望獲得聲學(xué)衍射極限操作。這意味著這種聲透鏡將必須設(shè)計(jì)和構(gòu)造成提供衍射極限聲成像。所有透鏡系統(tǒng)均經(jīng)受一定水平的像差，比如球面像差、色差、像散、彗形像差以及場(chǎng)曲，所有這些均需校正，以便提供衍射極限成像性能。此外，透鏡元件應(yīng)展示所關(guān)心波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高透射性，并應(yīng)校正用于元件表面上的過度反射。在光學(xué)領(lǐng)域，高透明度不難實(shí)現(xiàn)，防反射涂層可應(yīng)用于表面上。在聲學(xué)領(lǐng)域，必須注意交界面的聲學(xué)阻抗匹配，以避免過度損失，與光學(xué)領(lǐng)域相比，材料損耗更是問題。希望為高性能多功能聲透鏡的設(shè)計(jì)提供新的材料選擇。為了同時(shí)滿足性能中的像差校正、光強(qiáng)透光率、成像質(zhì)量以及柔性的要求，希望構(gòu)造更復(fù)雜的聲透鏡。圖3示出多元件透鏡300的示意圖。其包括各種折射裝置302，一些折射裝置具有正向(聚焦)能力，一些折射裝置具有負(fù)向(散焦)能力。執(zhí)行這樣一個(gè)復(fù)雜透鏡系統(tǒng)的完整聲學(xué)設(shè)計(jì)以便優(yōu)化所有相關(guān)像差和優(yōu)化性能是必要的。就前列腺成像而言，最大透鏡孔徑為大約25mm，從聲源到檢測(cè)器的總距離在 4-7cm范圍內(nèi)；因此，透鏡幾乎在f/Ι構(gòu)造處操作。能力的范圍受可用的聲學(xué)材料的限制。 就多元件光透鏡設(shè)計(jì)而言，使用顯示一系列色散和折射特征的一系列玻璃以便優(yōu)化透鏡系統(tǒng)性能是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。建議使用水凝膠材料作為聲透鏡元件。該材料由不同的單體材料的集合組成，不同的單體材料以確定比例混合在一起并聚合以產(chǎn)生聚合物，當(dāng)上述聚合物浸沒在水中時(shí)吸收幾個(gè)百分點(diǎn)到高達(dá)80%范圍內(nèi)的預(yù)定比例的水。相應(yīng)地，這些材料的物理性質(zhì)與水的比例相稱。大范圍的這種水凝膠是可用的，包括硅基材料和非硅基材料。硅樹脂被廣泛用作用于聲透鏡的材料，摻雜納米晶體材料的硅樹脂已示出展示了低聲速和低聲學(xué)衰減。對(duì)于聲透鏡設(shè)計(jì)的重要且相關(guān)的參數(shù)為聲速、聲阻抗、衰減以及品質(zhì)因數(shù)。因?yàn)樵谝粋€(gè)極限(接近0%的水)中，這種材料將顯示與熟悉的硅樹脂材料相似的聲學(xué)性質(zhì)，而在相反的極限 (80%的水)中，水凝膠將顯示與水的聲學(xué)性質(zhì)更接近的聲學(xué)性質(zhì)，因此，水凝膠材料系統(tǒng)對(duì)多元件聲透鏡設(shè)計(jì)是有利的。因此，我們期望，在可用水凝膠的范圍內(nèi)幾乎線性地縮放所有相關(guān)的聲學(xué)材料參數(shù)，并期望這些能夠用于制造在如圖3所示的多元件聲透鏡中采用的一系列元件。測(cè)量各種配方的水凝膠的相關(guān)聲學(xué)參數(shù)以便確定可用選擇的范圍是必要的。如前所述，希望在醫(yī)療聲學(xué)成像中獲得與常規(guī)攝影中已知的“變焦透鏡”相同的性能。這種透鏡可在焦距或放大率的連續(xù)可變范圍上提供成像。這種功能可通過結(jié)合可動(dòng)元件的多元件聲透鏡的特定設(shè)計(jì)獲得，如通常結(jié)合可動(dòng)元件的光學(xué)變焦透鏡。圖4示出了這一概念。在圖4的多元件聲透鏡400中，聲透鏡元件408的幾個(gè)組402、404、406布置成在致動(dòng)器410的控制下以規(guī)定的動(dòng)作移動(dòng)，以便連續(xù)地改變圖像的放大率，而同時(shí)保持像差的優(yōu)化控制。在這種透鏡系統(tǒng)中，透鏡的特定組，比如組402、組404和組406，布置成響應(yīng)于外部控制而提供動(dòng)作，使得總放大率連續(xù)地變化，同時(shí)保持優(yōu)化的性能。這給予系統(tǒng)操作者看到宏觀特征的能力以及“放大”以看到更多細(xì)節(jié)的能力。這種復(fù)雜透鏡的成功設(shè)計(jì)取決于適當(dāng)?shù)穆曂哥R設(shè)計(jì)軟件的可用性以及關(guān)于材料性質(zhì)與相關(guān)控制參數(shù)相比的詳細(xì)信息的可用性，就水凝膠而言，上述相比的詳細(xì)信息是關(guān)鍵參數(shù)與水濃度相比的變化。我們注意到，在用于如圖IA和IB所示的探針的設(shè)計(jì)中，探針 100A或100B可能是完全密封的，因此，周圍的溶液是附加自由度，該附加自由度可包括鹽水或油或待定的其它容納物。雖然如上已闡明優(yōu)選的實(shí)施方式，但是，已審核過本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)其它的實(shí)施方式。例如，數(shù)值是說明性的而非限制性的，如同特定材料和特定透鏡構(gòu)造的列舉。此外，本發(fā)明具有除前列腺之外的應(yīng)用范圍，可用于人類或非人類的動(dòng)物體中的其它成像，或用于包括非生物成像的任何其它種類的光聲成像。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)理解為僅由所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種用于使目標(biāo)成像的方法，所述方法包括(a)用激光激勵(lì)所述目標(biāo)，以通過光聲效應(yīng)產(chǎn)生超聲波；(b)通過包括多元件聲透鏡的聲學(xué)系統(tǒng)聚焦所述超聲波；以及(c)使聚焦的所述超聲波成像為二維的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡包括可動(dòng)元件或元件組，所述可動(dòng)元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述焦距和放大率變化以便提供深度分辨率。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡構(gòu)造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學(xué)成像。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料制成的元件。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述目標(biāo)是軟組織。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述軟組織在前列腺中。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述聲學(xué)系統(tǒng)還包括聲反射鏡。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述聲反射鏡是曲面的。
10.一種用于使目標(biāo)成像的探針，所述探針包括 夕卜殼；在所述外殼中的聲光窗口；光纖，所述光纖用于將激光施加到所述目標(biāo)上，以通過光聲效應(yīng)產(chǎn)生超聲波； 用于聚焦所述超聲波的聲學(xué)系統(tǒng)，所述聲學(xué)系統(tǒng)包括多元件聲透鏡；以及檢測(cè)器陣列，所述檢測(cè)器陣列布置成使得所述聲學(xué)系統(tǒng)將所述超聲波聚焦到所述檢測(cè)器陳列上，用于使聚焦的所述超聲波成像為二維的。
11.如權(quán)利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡包括可動(dòng)元件或元件組，所述可動(dòng)元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
12.如權(quán)利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡構(gòu)造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學(xué)成像。
13.如權(quán)利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料制成的元件。
14.如權(quán)利要求10所述的探針，其中，所述聲學(xué)系統(tǒng)還包括聲反射鏡。
15.如權(quán)利要求14所述的探針，其中，所述聲反射鏡是曲面的。
16.一種多元件聲透鏡，包括多個(gè)聲透鏡元件，所述多個(gè)聲透鏡元件包括 具有正向能力的至少一個(gè)聲透鏡元件；以及具有負(fù)向能力的至少一個(gè)聲透鏡元件； 所述多個(gè)透鏡元件布置為同軸。
17.如權(quán)利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多個(gè)聲透鏡元件中的至少一個(gè)構(gòu)造為可動(dòng)元件或元件組，所述可動(dòng)元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
18.如權(quán)利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多元件聲透鏡構(gòu)造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學(xué)成像。
19.如權(quán)利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料制成的元件。
全文摘要
為了利用由多模光纖傳輸以產(chǎn)生光聲脈沖的脈沖激光光激勵(lì)來成像體內(nèi)的各種軟組織，然后以聲檢測(cè)器陣列使產(chǎn)生的光聲脈沖成像，探針包括反射鏡和聲透鏡或可在液體環(huán)境中操作的、可變焦距和放大率的特殊聲透鏡，該特殊聲透鏡像差校正到足以獲得具有橫向分辨率以及深度分辨率的高分辨率成像的程度。
文檔編號(hào)A61B8/08GK102264304SQ200980140749
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者納瓦爾貢德·A·H·K·拉奧, 維克拉姆·S·多格拉, 韋恩·H·諾克斯 申請(qǐng)人:羅切斯特大學(xué), 羅切斯特理工學(xué)院