專利名稱：用于光子吸收系數(shù)測量的裝置和方法
用于光子吸收系數(shù)測量的裝置和方法本發(fā)明涉及用于光子吸收系數(shù)測量的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明涉及通過測量在用限定光脈沖照射時限定體積單元(definedvolume element)內(nèi)產(chǎn)生的聲量來計算推斷在所述限定體積單元中的光子吸收系數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，該技術(shù)被稱作光聲(photo acoustic)測量或光聲(opto acoustic)測量。當(dāng)推斷若干限定體積的比光子吸收系數(shù)(specific photon absorption coefficient)時，可產(chǎn)生材料或組織一部分的比光子吸收系數(shù)的圖形表示。該技術(shù)被稱作光聲成像(photo acoustic imaging)或光聲成像(opto acoustic imaging)。用于執(zhí)行該技術(shù)的裝置可在例如食物和組織例如像體內(nèi)組織的非破壞性測試應(yīng)用中被用于例如材料、構(gòu)造的二維或三維成像中。在現(xiàn)有技術(shù)中，脈沖光源或調(diào)制光源照射組織樣本的特定區(qū)域(specific area), 超聲換能器陣列測量由脈沖光在該組織樣本內(nèi)產(chǎn)生的聲壓波。根據(jù)利用壓力換能器陣列獲得的數(shù)據(jù)，通過對該數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的處理，可產(chǎn)生組織樣本的定量光聲圖像。該技術(shù)例如在國際申請W02007/084771中有描述。然而，由于光散射現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)中的光聲方法和裝置根本就不能以絕對數(shù)字量化組織內(nèi)的光子吸收系數(shù)和/或發(fā)色團(tuán)濃度(chromophore concentration)。相應(yīng)地，本發(fā)明的一個目的是減輕或解決現(xiàn)有技術(shù)中用于光聲成像的裝置和方法的這些上述問題和/或其它問題，同時保持和/或改進(jìn)其優(yōu)點(diǎn)。該目的和/或其它目的通過一個適合于測量組織中定量光子吸收系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)，其中所述裝置包括適合于產(chǎn)生光子的第一光源；適合于測量以下至少一個的光測量元件待被測量的光的強(qiáng)度、頻率、頻率偏移和相移；適合于在所述組織內(nèi)的限定體積單元中產(chǎn)生限定聲波圖樣的超聲源，其中所述超聲源適合于標(biāo)記進(jìn)入所述組織內(nèi)的所述限定體積單元的來自所述第一光源或來自第二光源的光；以及，適合于測量超聲的超聲測量元件， 所述超聲來自所述組織內(nèi)的所述限定體積單元，并由進(jìn)入所述組織內(nèi)的所述限定體積單元的光產(chǎn)生。上文描述的和/或其它目的類似地通過一種適合于測量組織中定量光子吸收系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)，其中提供如上文所描述的裝置，其中在待被檢查的組織內(nèi)的限定體積單元中產(chǎn)生限定聲波圖樣，其中用第一光源和第二光源照射待被檢查的組織，其中通過所述限定體積單元中的所述限定聲波圖樣標(biāo)記進(jìn)入所述限定體積的光，其中測量離開所述組織的被標(biāo)記的光的量，其中計算實(shí)際進(jìn)入所述限定體積單元的來自所述第一光源的光的量， 其中在所述組織表面處測量在所述組織內(nèi)在所述組織表面處產(chǎn)生的聲的量，據(jù)此計算在所述限定體積單元中產(chǎn)生的聲的量，其中根據(jù)計算的來自所述第一光源并進(jìn)入所述限定體積單元的光的量以及在所述限定體積單元中產(chǎn)生的聲的量來推斷出所述組織內(nèi)所述限定體積單元的光子吸收系數(shù)的量。通過標(biāo)記來自限定體積單元的光，對于未標(biāo)記的光，可以修正測量的光強(qiáng)度。因此，可計算出精確得多的通過所述限定體積單元的光的通量。根據(jù)限定體積單元正經(jīng)受的光的劑量(dose)以及產(chǎn)生的聲圖樣，可計算出比光子吸收系數(shù)(specific photon absorptioncoefficient)。因此，如果更準(zhǔn)確地已知限定體積正經(jīng)受的光的劑量，則可計算出準(zhǔn)確得多的限定體積的比光子吸收系數(shù)。通過組織內(nèi)若干限定體積的這一更準(zhǔn)確地已知的比光子吸收系數(shù)，可產(chǎn)生光子吸收系數(shù)的量化圖像。相應(yīng)地，本公開內(nèi)容中描述的實(shí)施方案提供了對光聲技術(shù)中量化問題的突破。因此提供了達(dá)成用于主要疾病一例如乳癌一的診斷的真正定量的功能和分子成像的實(shí)質(zhì)步驟。另一優(yōu)勢是該量化依賴于對通過組織的光傳播的最少的數(shù)值和/或計算模型。因此量化能力已成為該技術(shù)的固有屬性。本發(fā)明的又一方面是，所述光源是激光器，并且該激光器優(yōu)選地被配置為以脈沖方式發(fā)出(dose)光。通過應(yīng)用激光器的光，提供了相位總體嚴(yán)格定義(well defined)的源，如在前文描述的，該源的借助于聲-光標(biāo)記的被標(biāo)記部分可容易地被檢測出。由于嚴(yán)格定義的光脈沖或一組嚴(yán)格定義的光脈沖的應(yīng)用，可產(chǎn)生適當(dāng)限定的聲壓波，該聲壓波是明顯的(clear)，且是更實(shí)際地可檢測的。本公開內(nèi)容的另一方面是上述裝置設(shè)有處理器，該處理器與所述光測量元件和所述超聲測量元件至少通訊接觸。借助于該處理器，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)——例如施加的光的量、測量的光的量、施加的聲能的量和測量的聲能的量，可計算出體積單元的比光子吸收。本文中所述處理器可被配置為根據(jù)所述光測量元件提供的信息推斷出哪部分光來自所述限定體積單元。更具體地，所述處理器可被配置為根據(jù)所述光源產(chǎn)生的光的量，以及根據(jù)來自所述限定體積單元的光的量推斷出實(shí)際進(jìn)入所述限定體積單元的光的量。所述處理器還可被配置為根據(jù)測量的所述組織內(nèi)的所述限定體積中產(chǎn)生的聲以及實(shí)際進(jìn)入所述組織內(nèi)的所述限定體積的光的量推斷出所述組織內(nèi)的所述限定體積的比光子吸收系數(shù)。在本公開內(nèi)容的另一方面，所述裝置可被配置為通過測量所述組織內(nèi)的連續(xù)的限定體積來掃描所述組織的至少一部分，推斷出所述限定體積單元中的每一個的相應(yīng)的比光子吸收系數(shù)，且其中所述裝置還被配置為根據(jù)如此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述組織的圖形表示， 其中具有不同的比吸收系數(shù)的不同區(qū)域被配置為視覺可確定的。通過產(chǎn)生所述圖形表示， 可使不同的區(qū)域可視化。因此所考慮的組織的檢查可顯示該組織內(nèi)的光子吸收系數(shù)的失常，由此對診斷有很大幫助。本公開內(nèi)容的另一方面是，所述光源和/或所述超聲源可包括各個單獨(dú)的 (individual)源的陣列或矩陣，所述超聲測量元件和/或所述光測量元件包括各個單獨(dú)的測量傳感器的陣列或矩陣。通過應(yīng)用陣列，可執(zhí)行統(tǒng)計計算，以更準(zhǔn)確地確定組織的曝光量和/或產(chǎn)生的壓力波的來源。通過應(yīng)用陣列，可執(zhí)行更多的同步測量。為進(jìn)一步說明本發(fā)明，將參考附圖描述示例性實(shí)施方案。在附圖中

圖1示出了組織樣本的示意圖，其中應(yīng)用了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置和方法；圖2示出了待被檢查的組織的一部分的示意性截面圖，其中描繪了散射效應(yīng)；圖3示出了關(guān)于待被檢查的組織的一部分的示意性三維視圖，其中示意性繪出了可能的光子軌跡；圖4示出了光的聲標(biāo)記的示意性表示；
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圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的檢測裝置的示意圖。附圖示出了本發(fā)明的具體示例性實(shí)施方案，但是不應(yīng)被認(rèn)為以任何方式或形式限制本發(fā)明。在附圖中，相同或相應(yīng)的參考標(biāo)記用于表示相同或相應(yīng)的要素。在整個說明書和權(quán)利要求書中，表述“能量密度(fluence) ”應(yīng)被理解為——但是不應(yīng)被認(rèn)為限于——正常施加的輻射度量能量密度，即在組織內(nèi)部一點(diǎn)處存儲的每單位面積的光能總量。表述“劑量(dose) ”應(yīng)被理解為——但不應(yīng)被認(rèn)為限于——組織內(nèi)的限定體積單元處的光能總量。表述“比或定量光子口及收(specific or quantitative photonabsorption)，，應(yīng)被理解為一但不應(yīng)被認(rèn)為限于——按體積計的吸收的光子數(shù)與總的光子劑量的比值。表述“標(biāo)記(labelling) ”應(yīng)被理解為——但不應(yīng)被認(rèn)為限于——將特定頻率和 /或調(diào)制重疊或疊加到電磁波例如光波的一部分上，以使得其可被辨認(rèn)，并區(qū)別于最終來源于同一光源的沒有被如此標(biāo)記的其它光。 根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的應(yīng)用領(lǐng)域之一是發(fā)現(xiàn)正常體內(nèi)組織內(nèi)的異常組織。這些異常組織——例如癌變組織或慢性損壞組織——的光子吸收系數(shù)常常與健康組織的不同。光聲成像(PA)是相對新的技術(shù)，該技術(shù)用于基于異常組織的偏離正常組織的光吸收系數(shù)來研究該異常組織。該技術(shù)基于光在組織結(jié)構(gòu)中被吸收的物理原理。該吸收產(chǎn)生溫度的局部升高，這局部地并相對迅速地改變局部比密度。該密度的突然增加，并且因而組織材料的局部膨脹，會在組織內(nèi)產(chǎn)生可測量的聲波。光子吸收取決于所討論的組織的特定特性，且當(dāng)例如使用紅光時，例如血量相對高的組織會呈現(xiàn)強(qiáng)的吸收，產(chǎn)生相對強(qiáng)的聲波。另一方面，具有少量血的組織會具有相對低的吸收，因而具有相對適度的體積膨脹，僅產(chǎn)生適度的聲波。除了所討論的組織的相對吸收，所討論的組織的其他特定物理特性也可改變?nèi)绱水a(chǎn)生的聲的強(qiáng)度。例如，所討論的組織的比彈性、比熱膨脹、比熱容可影響所產(chǎn)生的聲強(qiáng)度。在光聲學(xué)中，短光脈沖的光子吸收如此產(chǎn)生導(dǎo)致發(fā)射超聲波的熱彈性應(yīng)力。這些使得能夠在三維中以高空間分辨率對混濁介質(zhì)中的吸收物質(zhì)進(jìn)行成像。對組織內(nèi)的比光子吸收系數(shù)和/或發(fā)色團(tuán)濃度進(jìn)行絕對定量，要求組織內(nèi)的激發(fā)光的局部能量密度是已知的。根據(jù)限定體積內(nèi)的局部能量密度和測量的所產(chǎn)生的聲，可計算出比光子吸收。在本申請中，提出通過應(yīng)用局部嚴(yán)格定義的、聚焦的超聲波場來推斷出限定體積單元的局部能量密度。超聲波場的聚焦可與限定體積相符，且因此事實(shí)上可限定體積單元。穿過超聲聚焦這一限定體積單元的光會通過聲驅(qū)動的折射率變化和散射中心的移動而被相位調(diào)制。因此，穿過限定體積單元的特定光變成被標(biāo)記的并可識別的。如此被所謂的聲-光(AO)效應(yīng)標(biāo)記的光可例如借助于干涉測量方法被檢測。通過應(yīng)用限定體積超聲波場聚焦，使用例如特定位置的光注入和光檢測，可基于結(jié)合的光聲和聲-光測量計算局部吸收系數(shù)。在如本公開內(nèi)容中描述的測量技術(shù)中，一個重要的根本特性是光可以同樣的概率在兩個方向上通過穿過散射介質(zhì)的任何路徑。這意味著單個光子穿過混濁介質(zhì)經(jīng)過一特定距離從一側(cè)到達(dá)另一側(cè)的概率等于一個光子將以相反方向穿過相同的特定距離到達(dá)的概率。下文將進(jìn)一步說明為何該現(xiàn)象被認(rèn)為是相關(guān)的。常通過與健康組織相比較而言增加的血紅蛋白含量和較低的氧分壓表征惡性腫瘤。基于這些量的吸收襯比對這些量進(jìn)行成像可改進(jìn)對不同類型的軟組織癌癥的診斷。同樣，在應(yīng)用對比劑或不應(yīng)用對比劑的情況下，其他異常組織或疾病相關(guān)的組織可通過它們的吸收襯比而被觀察到。實(shí)施例是常由缺氧癥表征的慢性組織損壞的位置，或被用光染料可視化的前哨淋巴結(jié)。光聲學(xué)是相對新的成像形式，其特性使得其是以高成像深度和高分辨率提供上述數(shù)據(jù)的極佳選擇。例如當(dāng)患有乳癌的患者的乳房組織被波長為1064nm的光源輻射時，含有腫瘤的乳房組織的薄層的光吸收的重構(gòu)分布可清楚地使所討論的腫瘤的位置和大小可視化，即使在超過Icm的深度處。與正常乳房組織相比，乳房腫瘤可顯示出增強(qiáng)的吸收，這是由于同相鄰的正常乳房組織相比其血紅蛋白濃度較大。這樣的圖像例如可使用光聲乳房鏡(mammoscope)產(chǎn)生，如 Manohar, S.等人的 “ Initialresults of in vivo non-invasive cancer imaging in the humanbreast using near infrared photo acoustics", Optics Express,2007 15 (19)，第12277-12285頁中呈現(xiàn)和描述的。上述圖像最多顯示每單位體積的局部吸收的能量的量的空間分布。然而，該局部吸收的能量的量取決于局部光子吸收系數(shù)和局部可獲得的光的量。在光聲成像的現(xiàn)有技術(shù)中，上述這些量不能夠被分別測量，這從根本上阻止了對組織內(nèi)限定體積中比光子吸收系數(shù)的值的合適的推斷或計算，因此阻止了對所述體積中發(fā)色團(tuán)——例如(含氧的)血紅蛋白——的量化。由于這些原因，到目前為止，可清楚地使發(fā)色團(tuán)的局部存在量可視化的比光子吸收系數(shù)的恰當(dāng)圖形表示是不可能的。因此存在以絕對單位測量活組織中的發(fā)色團(tuán)的局部濃度的需求。優(yōu)選地，這些濃度可以絕對數(shù)字在三維中進(jìn)行圖形表示。為此，該量化需要局部呈現(xiàn)的光子吸收系數(shù)的三維數(shù)據(jù)。生物組織中發(fā)色團(tuán)的絕對濃度的圖形表示可以通過兩種類型的光和聲的相互影響的巧妙組合來實(shí)現(xiàn)。第一種相互影響被稱為光聲(PA)，其中通過使用短光脈沖或快速調(diào)制的光源產(chǎn)生熱彈性而產(chǎn)生超聲波，如上文所述。第二種相互影響是聲-光(AO)效應(yīng)，其中光子的聲-光標(biāo)記通過使用聚焦的超聲完成。在圖1中，示出了如現(xiàn)有技術(shù)中執(zhí)行的光聲成像的示意性表示。光聲成像(PAI)基于通過脈沖光或調(diào)制光的吸收而產(chǎn)生的聲波的熱彈性。短光脈沖——例如納秒脈沖1—— 的吸收可導(dǎo)致混濁介質(zhì)——例如組織7——內(nèi)的吸收單元2的溫度有小的局部升高。這導(dǎo)致吸收組織的有限擴(kuò)張，引起局部應(yīng)力。這些內(nèi)部應(yīng)力可通過超聲波3的發(fā)射而釋放，超聲波3在圖1中由同心圓表示。當(dāng)在混濁介質(zhì)7的表面4上的足夠數(shù)量的分立位置i處測量形成超聲壓力波Pi (t)的時間時，可在三維中重構(gòu)超聲波的來源。各種不同的源位置重構(gòu)方法中的一種(盡管不是最定量的一種)是例如延遲相加算法，該算法通過對所有檢測的信號施加一合適的時間延遲并將這些信號相加來重新獲得組織內(nèi)的一個特定位置處的光聲源強(qiáng)度，如圖1中功能框5所表示的。
除了延遲相加算法，還已經(jīng)提出來用于反射模式信號的圖像重構(gòu)的更定量的方法，例如傅立葉域算法。初始壓力分布的另一種合適的重構(gòu)可以采用層析反投影算法來獲得，該算法需要沿著目標(biāo)周圍的封閉輪廓或表面獲取數(shù)據(jù)。PAI已經(jīng)被成功地運(yùn)用于小動物和人類的血管的體內(nèi)成像。在人體模型中，可實(shí)現(xiàn) 30-35mm的成像深度，同時在臨床實(shí)驗(yàn)中可達(dá)到18mm的光-聲乳房X線照射深度。通過本公開內(nèi)容提供的進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)，可使深埋的發(fā)色團(tuán)的光聲成像在數(shù)秒到幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)是可行的。光-聲成像的突出優(yōu)點(diǎn)是其將生物發(fā)色團(tuán)的光吸收所提供的高對比度和組織對超聲的大的透明度相結(jié)合。不同于單純的光學(xué)方法，光-聲成像的分辨率不會因光散射而變低。如果足夠短的光脈沖被施加至組織，則緊接在該脈沖之后，在應(yīng)力釋放開始前，光彈性產(chǎn)生的初始局部壓力Ptl可寫作ρ0 = Γ (Dc ε a = Γ Φ μ a (1)其中Γ是格魯內(nèi)森(Grueneisen)系數(shù)，Φ是局部光能量密度，c是發(fā)色團(tuán)的濃度，ε 3是發(fā)色團(tuán)的摩爾光吸收系數(shù)，μ 3是總的局部吸收系數(shù)。根據(jù)在組織表面測量的超聲壓力波Pi (t)，組織內(nèi)的初始壓力分布Pc1可被重構(gòu)。然而，絕對發(fā)色團(tuán)濃度的確定因組織內(nèi)的局部能量密度φ是未知的而被防礙，其中組織內(nèi)的局部能量密度φ提供局部激發(fā)發(fā)色團(tuán)的光能。這個量化問題以及根據(jù)本發(fā)明的解決該問題的方式在下文描述。因此，初始壓力pQ(x，y，ζ)對未知的吸收系數(shù)μ a(x，y，ζ)和光能量密度Φ (χ, y， ζ)的未知的空間分布的依賴將會在下文中得到解決。散射介質(zhì)7a——例如組織7——內(nèi)某一點(diǎn)A(見圖2)處的局部能量密度，取決于介質(zhì)7a的在光子到達(dá)A點(diǎn)前這些光子已經(jīng)抵達(dá)的所有部分中的散射和吸收特性。因此，在點(diǎn)A中產(chǎn)生的初始壓力P(l會以非線性方式取決于整個陰影區(qū)8中的吸收和散射特性，如圖 2中描繪的。在該圖中，初始脈沖Ib沿各個光子路徑——如示意性可視化的光子路徑9和 10——散射，所述各個光子路徑最終到達(dá)點(diǎn)A。獲得局部光子吸收系數(shù)的其他障礙在于重構(gòu)初始壓力Ptl以及格魯內(nèi)森系數(shù)Γ的空間變化方面的挑戰(zhàn)。初步估計可以是格魯內(nèi)森系數(shù)Γ的空間變化在待被檢查的組織中是恒定的。盡管這是不正確的，但是因?yàn)槌醪焦烙嫷脑?，可以做出該歸納而不導(dǎo)致光子吸收系數(shù)的準(zhǔn)確計算方面相當(dāng)大的損失。如之前提到的，獲得局部光子吸收系數(shù)的另一個障礙是散射系數(shù)。該現(xiàn)象使得計算待被檢查的整個組織中的局部能量密度是極其困難的。在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提出一些嘗試以基于對光傳輸?shù)慕Ｍㄟ^應(yīng)用修正方法對散射系數(shù)進(jìn)行建模。第一種方法可以是待被檢查的組織具有均勻散射。其他模型采用統(tǒng)計算法對待被檢查的組織的空間變化的散射特性進(jìn)行建模。能量密度的這種計算的量化仍是相對差的，即使采用復(fù)雜算法。在本發(fā)明中，不再計算通過限定體積單元的能量密度，但是改為借助于超聲聚焦通過標(biāo)記光來測量所述能量密度。在圖3中給出了一個實(shí)施例，該實(shí)施例具有在位置1處的注入點(diǎn)、經(jīng)由介質(zhì)7內(nèi)的限定體積單元2、到位置3處的檢測窗口之間的許多光子軌跡中的幾個光子軌跡11、12、13。從位置1經(jīng)由限定體積單元2到達(dá)位置3的許多光子路徑中的每一個可以同一概
8率ft~(l，2，3)以相反方向行進(jìn)，假設(shè)內(nèi)部的鏡面反射可忽略，并假設(shè)散射相位函數(shù)與光子的入射方向無關(guān)。光子沿著從位置1到限定體積單元2或者經(jīng)由限定體積單元2從位置1到位置3 的任何路徑行進(jìn)的概率分別由Pr (1，2)和ft~(l，2，3)表示。此外，在位置1處注入的光子在限定體積單元2中的能量密度由Φ12表示。由于該能量密度Φ12取決于光子按照任意軌跡11、12或13到達(dá)限定體積單元2的概率，因此有理由認(rèn)為Φ12 ~ Pr(l，2)。如果光子在位置3處注入，同等的考慮適用。因此可寫成Φ12 κ PrQ，2)且 O^2 oc pr(3，2)(2)在到達(dá)體積單元2的光子中，一些光子會在體積單元2中被吸收。具有在位置1 或3處的光子注入的體積單元2中的該吸收的概率可以分別根據(jù)重構(gòu)壓力P12和P32估計， Pi2禾口 P32寫 乍P1 2 = Γ μ 3,2Φ 且 P32 = Γ μ 3>2Φ32(3)其他光子不會在限定體積單元2中被吸收，而到達(dá)位置3。如果體積單元2足夠小，則殘存比吸收更有可能。假設(shè)到達(dá)限定體積單元2的光子獲得標(biāo)記——通過該標(biāo)記這些光子可在位置3處被辨別，則在位置1處注入之后，在位置3處檢測到的被標(biāo)記的光子的功率PL，13可被寫作PLjl3 Pr(l,2,3) Pr (1, 2) Pr (2, 3) Pr (1, 2) Pr (3, 2) (4)其中最后一個步驟可由可逆原理證明是正確的。第二步驟為Pr(l，2 o^i^Prd， 似乎是簡化，但其可由如下推理證明是正確的光子通過穿過限定體積單元2的軌跡到達(dá)位置3處的檢測窗口的概率可以等于光子從位置1處的注入到達(dá)限定體積單元2的概率乘以光子從限定體積單元2到達(dá)位置3處的檢測窗口的概率。選擇的限定體積單元2越小， 該簡化越準(zhǔn)確。將公式⑵代入公式(4)中得到Plj13- Φ12Φ32 (5)公式(3)與公式(5)的組合產(chǎn)生如下的最終結(jié)果ya,2 = cSQRT(p12p32/PL,13) (6)在該公式中，常數(shù)c將取決于格魯內(nèi)森參數(shù)Γ和操作細(xì)節(jié)，例如標(biāo)記體積——限定體積單元2——和光檢測孔徑的大小。公式(6)表明可僅通過外部探測來估計局部吸收系數(shù)。這涉及1.分別在位置1和3處用脈沖光進(jìn)行光-聲激發(fā)，并重構(gòu)體積2中作為結(jié)果產(chǎn)生的初始熱彈性應(yīng)力P12和P32。2.在位置3處檢測在位置1處注入的光，并通過聚焦的超聲在限定體積單元2中進(jìn)行標(biāo)記。3.應(yīng)用公式(3)得到對能量密度Φ12和的估計。替代地，如果注入位置1和用于檢測被標(biāo)記的光的檢測位置3重合，則公式(5)直接得到Φ12 κ SQRT (U，無需使用光-聲壓力。這表明能量密度率可僅由反射模式聲-光確定。這為其定量功率現(xiàn)因未知的能量密度而受限制的所有光學(xué)方法提供了得到更廣泛應(yīng)用的前景。一個實(shí)施例是使用熒光分子探針的分子成像。然而，采用單純的反射模式聲-光，被標(biāo)記的光會被未標(biāo)記的光所覆蓋，導(dǎo)致噪聲水平高。
在圖4中，描繪了用于具體標(biāo)記穿過組織內(nèi)限定體積2的光子的技術(shù)的示意性圖示。在該實(shí)施方案中，借助于聚焦的超聲標(biāo)記光子。在圖4中，超聲源14設(shè)置在極接近于待被檢查的組織7之處。超聲源14適合于產(chǎn)生限定了一個體積單元2的聚焦的波圖樣15。 超聲(UQ的局部應(yīng)用具有兩個可被光學(xué)檢測的效應(yīng)1)混濁介質(zhì)——待被檢查的組織7——中的散射中心16-20被US波15機(jī)械移位；2)折射率由US波15所產(chǎn)生的密度變化調(diào)制(壓光(pi e zo-optic)效應(yīng))。兩種機(jī)制都導(dǎo)致已經(jīng)穿過與限定體積單元2 —致的超聲聚焦15的光子的光路徑長度21的調(diào)制因此超聲已經(jīng)“加標(biāo)簽于”或“標(biāo)記” 了這些光子。標(biāo)記的空間分辨率可通過使用具有數(shù)微秒的持續(xù)時間的超聲脈沖來獲得。圖5表示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的檢測裝置的示意圖。在該裝置中，待被檢查的組織7被第一光源Ia和第二光源Ib照射。第一光源可以是短脈沖、高強(qiáng)度的激光器或調(diào)制激光器。該光源Ia被配置為產(chǎn)生光聲波。第二光源Ib可以是類似的脈沖激光器，但是脈沖可被允許更長。該光源Ib提供光，用于推斷限定體積單元2中的能量密度。在圖1中，兩個光源在光加法器M中結(jié)合，并在同一位置1進(jìn)入組織7。光加法器 24例如可以是格柵、半反射棱鏡或光纖元件。進(jìn)入組織的光被散射，如陰影區(qū)8所表示的。進(jìn)入限定體積單元2的那部分光會被聲源14產(chǎn)生的聲聚焦15標(biāo)記。被標(biāo)記的光可由光測量元件25測量。該光測量元件25 可布置在位置3，以測量透射光23，或者布置在位置1，以測量反射光22。盡管位置2和3 被提出用于光測量元件25，但是也可采用光測量元件25的其他位置。光-聲效應(yīng)(photo-acoustic effect)或光-聲效應(yīng)(opto-acoustic effect) 產(chǎn)生的聲可被超聲測量元件沈檢測到。該元件可被布置為單個聲傳感器、聲傳感器陣列或聲傳感器矩陣。超聲測量元件的位置可變化，如箭頭27指示的。以類似方式，聲源的位置也可以變化，如箭頭觀指示的。位置1相對于待被檢查的組織的位置也可以改變，如箭頭 29指示的。通過如此相對于裝置改變組織，可從位置1以及從位置3執(zhí)行光聲激發(fā)。本發(fā)明不應(yīng)被理解為限于附圖中示出的和說明書中描述的示例性實(shí)施方案。例如，在說明書中提出了兩個光源Ia和lb。將這兩個光源組合成一個光源可以是可行的。例如，其中一些脈沖被用于推斷有限體積單元中的能量密度，另一些脈沖被用于聲-光測量。為了提供嚴(yán)格定義的超聲聚焦15，可采用帶有相同或不同的超聲頻率的更干涉的超聲源。例如交叉的超聲束還可提供銳聚焦。在圖3和圖5中，提出測量位置1和/或3處的光。也可采用光測量元件25的其他位置。例如，元件25可被布置在緊挨著位置1的一個位置，作為近反射模式(near reflection mode)測量。這些以及其他改型被認(rèn)為是權(quán)利要求書中概括的本發(fā)明的框架、精神和范圍的一部分的變化。
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權(quán)利要求
1.一種適合于測量組織(7)中定量光子吸收系數(shù)(ya)的裝置，該裝置包括-適合于產(chǎn)生光子的第一光源(Ia)；-適合于測量以下至少一個的光測量元件0 待被測量的光的強(qiáng)度、頻率、頻率偏移和相移；-適合于在所述組織(7)內(nèi)的限定體積單元O)中產(chǎn)生限定聲波圖樣(1 的超聲源 (14)；-其中所述超聲源(14)適合于標(biāo)記進(jìn)入所述組織(7)內(nèi)的所述限定體積單元(2)的來自所述第一光源(Ia)或第二光源(Ib)的光；-適合于測量超聲的超聲測量元件( )，所述超聲來自所述組織(7)內(nèi)的所述限定體積單元O)，并由進(jìn)入所述組織(7)內(nèi)的所述限定體積單元O)的所述第一光源(Ia)的光產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光源(la、lb)是激光器，并優(yōu)選地被配置為以脈沖或調(diào)制方式發(fā)出光。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述第二光源(Ib)優(yōu)選地被配置為產(chǎn)生具有與所述第一光源(Ia)所產(chǎn)生的光相同波長的光。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述超聲源(14)包括若干聲元件，該聲元件被配置為提供聚焦(15)，例如被配置為提供交叉的聲波束。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一光源(Ia)被配置為應(yīng)用在第一位置(1)和第二位置(3)；且其中所述第二光源(Ib)被配置為應(yīng)用在第一位置(1)，其中所述光測量元件0 被配置為基本應(yīng)用在所述第二位置(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的裝置，其中所述第一光源(Ia)和所述第二光源被配置為應(yīng)用在第一位置(1)，且其中所述光測量元件也被配置為基本應(yīng)用在所述第一位置 ⑴。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中提供一個處理器，該處理器與所述光測量元件和所述超聲測量元件至少通訊接觸，其中所述處理器被配置為根據(jù)所述光測量元件 (25)提供的信息推斷出哪部分光來自所述限定體積單元0)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述處理器還被配置為根據(jù)所述第二光源(Ib)產(chǎn)生的光的量，以及根據(jù)來自所述限定體積單元的被標(biāo)記的光的量推斷出實(shí)際進(jìn)入所述限定體積單元的來自所述第一光源(Ia)的光的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述處理器還被配置為根據(jù)測量的、所述組織(7) 內(nèi)的所述限定體積單元( 產(chǎn)生的聲，以及實(shí)際進(jìn)入所述組織(7)內(nèi)的所述限定體積單元 (2)的光的量推斷出所述組織(7)內(nèi)的所述限定體積單元(2)的比光子吸收系數(shù)(ya)。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝置被配置為通過測量所述組織 (7)內(nèi)的連續(xù)的限定體積單元(2)來掃描所述組織(7)的至少一部分，推斷出所述限定體積單元中的每一個的相應(yīng)的比光子吸收系數(shù)(μ )，且其中所述裝置還被配置為根據(jù)如此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述組織(7)的圖形表示，其中具有不同的比吸收系數(shù)(Pa)的不同區(qū)域被配置為視覺可確定的。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述光源(la、lb)和/或所述超聲源 (14)包括各個單獨(dú)的源的陣列或矩陣，所述超聲測量元件06)和/或所述光測量元件(25)包括各個單獨(dú)的測量傳感器的陣列或矩陣。
12.一種適合于測量組織中定量光子吸收系數(shù)的方法，其中所述方法包括下列步驟 -提供根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項的裝置；-在待被檢查的組織(7)內(nèi)的限定體積單元O)中產(chǎn)生限定聲波圖樣(15)； -用第一光源(Ia)和第二光源(Ib)照射待被檢查的組織；-借助于所述限定體積單元O)中的所述限定聲波圖樣(14)，標(biāo)記進(jìn)入所述限定體積單元⑵的光；-測量離開所述組織(7)的被標(biāo)記的光的量；-計算實(shí)際進(jìn)入所述限定體積單元O)的來自所述第一光源(Ia)的光的量； -在所述組織表面處測量在所述組織(7)內(nèi)產(chǎn)生的聲的量；-根據(jù)在所述組織表面處測量的聲的量計算在所述限定體積單元O)中產(chǎn)生的聲的量；-根據(jù)計算的來自所述第一光源(Ia)的進(jìn)入所述限定體積單元(2)的光的量以及在所述限定體積單元( 中產(chǎn)生的聲的量來推斷出所述組織(7)內(nèi)所述限定體積單元( 的比光子吸收系數(shù)(ya)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中通過連續(xù)移動所述限定體積單元( 穿過待被檢查的所述組織(7)的一部分，并在每次移動之后執(zhí)行權(quán)利要求12中列出的測量步驟以限定每個體積單元O)中的比光子吸收系數(shù)(μ )，來掃描所述組織(7)的所述部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述組織(7)的二維或三維圖形表示是通過以使每個體積單元⑵中的比吸收系數(shù)(μ a)圖形可視化，并將每個體積單元⑵的圖形可視化放在對應(yīng)于待被檢查的組織內(nèi)的相應(yīng)的體積單元的測量位置的二維或三維位置來形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項的方法，其中所述比光子吸收系數(shù)(Pa)可表示所考慮的組織的特定特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合于測量組織中定量光子吸收系數(shù)的裝置和方法，其中所述裝置包括適合于產(chǎn)生光子的第一光源；適合于測量以下至少一個的光測量元件待被測量的光的強(qiáng)度、頻率、頻率偏移和相移；適合于在所述組織內(nèi)的限定體積單元中產(chǎn)生限定聲波圖樣的超聲源，其中所述超聲源適合于標(biāo)記進(jìn)入所述組織內(nèi)的所述限定體積單元的來自所述第一光源或第二光源的光；以及適合于測量超聲的超聲測量元件，所述超聲來自所述組織內(nèi)的所述限定體積單元，并由進(jìn)入所述組織內(nèi)的所述限定體積單元的所述第一光源的光產(chǎn)生。
文檔編號A61B5/00GK102458231SQ201080025663
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者W·斯廷伯根 申請人:特溫特大學(xué)