專利名稱：生物信息獲取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光的生物信息獲取裝置，并且特別地涉及用于通過利用由于活體內(nèi)部的光漫射從活體發(fā)射到外部的光束再輻射活體來增強光能利用效率的技術(shù)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)進行了通過對于活體(即，測試對象)使用具有高透射率的非侵入的近紅外線來可視化活體內(nèi)的信息的研究和開發(fā)?；铙w內(nèi)材料(諸如水、脂肪和存在于血管中的血紅蛋白)具有近紅外的波長范圍中的特有光譜。因此，注意力已被吸引到了將起源于那些成分的吸收的空間系數(shù)分布可視化以獲取活體中的功能信息的研究。用于檢測活體中的光吸收的方法包括例如直接測量透射通過活體的光束的漫射測量(DOT 漫射光學(xué)層析成像)和利用光聲效應(yīng)的光聲測量(PAT 光聲層析成像)。在PAT中，由光源產(chǎn)生的脈沖光輻射到活體，活體內(nèi)部的活體內(nèi)組織吸收在其中傳播并且漫射的脈沖光的光能，并且該組織產(chǎn)生要被測量的聲波。也就是說，由于測試部位 (諸如腫瘤)和除了測試部位之外的組織之間的光能的吸收系數(shù)的差別，在測試部位吸收輻射的光能并且瞬間膨脹時產(chǎn)生的測試部位的彈性波被換能器接收并且被識別。可以分析并處理此檢測信號，提供活體中的光學(xué)特性分布，特別是光能吸收密度分布。由于與光相比超聲波具有高的在活體中的直線性(straightness)，因此用于檢測超聲波的光聲測量裝置具有高的空間分辨率。美國專利申請No. 2006/0184042提出了一種作為使用光聲效應(yīng)的生物信息成像裝置的裝置。在美國專利申請No. 2006/0184042公開的裝置中，通過具有集光功能的透鏡將光聚集到活體中的期望的區(qū)域，并且在高效地使用光能的同時檢測光聲信號。引文列表專利文獻PTL 1 美國專利申請 No. 2006/0184042

發(fā)明內(nèi)容
上述示范的傳統(tǒng)的使用光聲效應(yīng)的生物信息成像裝置可以通過將大的光能應(yīng)用于活體來獲取較強的聲波信號。然而，使用這樣的光聲效應(yīng)的情況的問題在于，由于光束的光能在光到達活體中的較深的部分之前被衰減，因此來自于較深的部分的聲波信號的強度降低。因此，必須利用具有大功率的脈沖光源發(fā)生器作為光源來觀測較深的部分。然而，脈沖光源發(fā)生器輸出受限制而且較昂貴。此外，還出現(xiàn)隨著輸出變高它變得不穩(wěn)定的問題。因此，為了增強在較深的部分中的觀測能力，期望的是更有效地利用光能。作為光能的這樣的有效利用的期望示例，可以再利用背散射光以提高光能利用效率，背散射光是通過活體中的漫射作用從活體發(fā)射出去的光束。也就是說，輻射到活體中的光束由于活體中的強的漫射作用而失去了直線性，并且光束的一部分由于背散射而從輻射區(qū)域和相鄰區(qū)域輻射到活體外。通過再利用此發(fā)射的光束，可以預(yù)期增強了信號的強度。在一方面，在美國專利申請No. 2006/0184042中公開的方法中，如上所述具有集光功能的透鏡將光聚集在活體的期望區(qū)域中。根據(jù)這樣的方法，光束可以被直接輻射到活體中，以增強光能利用效率，但是此方法不能有效地工作以便再利用如上所述的背散射光。根據(jù)上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種生物信息獲取裝置，其可以再利用在光被輻射到測試對象時由于在測試對象中作用的漫射作用而從測試對象發(fā)射到外部的光束，并且可以增強輻射的光的利用效率。本發(fā)明提供一種以下述方式配置的生物信息獲取裝置。根據(jù)本發(fā)明的生物信息獲取裝置是具有用于將光束輻射到測試對象的光源和用于檢測基于光束到測試對象的輻射輸出的信號的檢測器的生物信息獲取裝置，其包括反射部件，被配置為反射在光束被輻射到測試對象時從測試對象發(fā)射出去的光束，其中該反射部件被放置為比光源更接近在測試對象的表面上的光束的照射區(qū)域，以便從上方覆蓋照射區(qū)域的至少一部分，并且被配置為在尺寸上等于或大于該照射區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，在光被輻射到測試對象時從測試對象發(fā)射到外部的光束被反射部件反射并且被再次投射到測試對象，以使得從測試對象發(fā)射到外部的光束可以被再利用，從而提高輻射的光的利用效率。通過參考附圖對示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的更多的特征將變得清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例1的具有反射部件的生物信息獲取裝置的配置的示例的剖視圖。圖2是示出了在本發(fā)明的示例性實施例1中的照射區(qū)域的尺寸和反射部件的尺寸之間的關(guān)系的頂視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例2的具有反射部件的生物信息獲取裝置的配置的示例的剖視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例3的具有反射部件的生物信息獲取裝置的配置的示例的剖視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例4的具有反射部件的生物信息獲取裝置的配置的示例的剖視圖。圖6示出了用于測量背散射的分布以確認被背散射和發(fā)射的光的分布的模型。
具體實施例方式將描述在本發(fā)明的示例性實施例中的生物信息獲取裝置。根據(jù)本示例性實施例的生物信息獲取裝置包括用于將光束輻射到活體(即，測試對象)的光源、用于檢測基于由光源到活體的光束的輻射輸出的信號的檢測器、和用于反射從活體發(fā)射到外部的光束的反射部件。可以處理由如上所述的檢測器提供的信號以測量各種生物信息。這樣做時，在光被輻射到活體時從活體發(fā)射到外部的光束可以由如上所述的反射部件反射，以便被再次投射到該活體，從而提高輻射的光的利用效率。這將在后面詳細描述。這里使用的檢測器可以包括用于使用超聲檢測器檢測聲波信號的光聲測量、和在其中使用光檢測器檢測通過將超聲信號輻射到活體而提供的調(diào)制光信號的超聲光調(diào)制信號測量。當(dāng)提供聲波檢測器以檢測由于脈沖光的照射在測試對象內(nèi)部的局部區(qū)域中產(chǎn)生的聲波作為“基于光束到活體的輻射輸出的信號”時，可以執(zhí)行PAT測量。另一方面，當(dāng)提供光檢測器以檢測已經(jīng)傳播并且在活體內(nèi)部被漫射的弱光或由超聲波調(diào)制的光作為“基于光束到活體的輻射輸出的信號”時，可以執(zhí)行DOT測量、AOT測量等等。DOT是用以將光從光源輻射到活體、由高靈敏度的光檢測器感測已經(jīng)傳播并且在活體內(nèi)部被漫射的弱光、并且由感測的信號將活體內(nèi)部的光學(xué)特性值分布成像的技術(shù)。在聲光層析成像(AOT)中，光被輻射到活的組織中，同時會聚的超聲波被輻射到局部區(qū)域中，并且光檢測器通過使用光被超聲波調(diào)制的效應(yīng)(聲光效應(yīng))檢測調(diào)制光。此外，AOT可以檢測與光能的吸收對應(yīng)的活的組織中的X射線相位變化。這里，將主要描述使用聲波檢測器的光聲測量，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于需要有效地使用光能的各種生物信息獲取裝置。脈沖激光器主要用作用于光聲測量裝置的光源。當(dāng)激光器被用作光源時，由激光使用的國際規(guī)范提供最大容許曝光量(MPE)，其是允許施加在活體的表面上的每單位面積的照射能量。另一方面，因為更強的光能被輻射到活體，所以可以提供更強的聲波信號。因此，可以利用容許的曝光量照射較寬的區(qū)域以輻射大量的光能。輻射到活體中的光束被活體內(nèi)部的細胞組織等強烈地漫射并且丟失了直線性，并且它的一部分被背散射且從活體發(fā)射到外部。當(dāng)光束被輻射到具有等效于活體的光學(xué)特性的光學(xué)特性的均勻的漫射材料時，大部分光束由于活體中的漫射效應(yīng)而被背散射并且從活體發(fā)射出去。為了確認上述點，通過蒙特卡羅模擬的光線跟蹤方法使用如圖6所示的模型來檢查被背散射和發(fā)射的光的分布。使用具有5mm的直徑的光源601，利用光束602傾斜地照射等效于活體的漫射材料603，并且檢測表面604位于照射區(qū)域的前面。不管入射角如何， 發(fā)射的光束都在照射區(qū)域的正上方具有強烈的光量分布，并且根據(jù)漫射系數(shù)以一定的擴展 (spread)角照射檢測表面。也就是說，一次進入活體的光束在活體中被漫射，因而在等于或大于輻射區(qū)域的范圍中以充分(adequate)的角度從活體發(fā)射出去。使用短語“充分的角度”，因為在活體中重復(fù)散射的光線通過損失方向性在一定程度上被擴展并且以相當(dāng)寬的角度從活體發(fā)射出去，雖然這取決于光學(xué)常數(shù)(諸如各個活體的漫射系數(shù))。為了通過有效地使用反射部件將發(fā)射的光束再輻射到活體，反射部件可以被放置在活體附近，在與照射區(qū)域正交的方向上在照射區(qū)域上方。更期望地，反射部件被放置在尺寸等于或大于照射區(qū)域的區(qū)域上方，以便從上方覆蓋整個照射區(qū)域。當(dāng)反射部件的尺寸小于照射區(qū)域時，雖然發(fā)射的光束可以被反射并且再次發(fā)出到活體處，但是僅僅光束的減小的一部分可以被反射。
此外，為了有效地反射光束，反射部件需要被放置為非常接近于照射區(qū)域，從而施加了結(jié)構(gòu)限制。根據(jù)使用的光源的波長，具有高反射率的最合適的部件可以用于反射部件。特別地，Al和Au金屬在可見光到近紅外區(qū)中具有高的反射率，因而適合于光聲生物檢測系統(tǒng)。 此外，可以根據(jù)使用的波長使用電介質(zhì)單層或多層膜。根據(jù)本實施例，各種形狀可用于反射從活體發(fā)射出去的光束的反射部件的反射部分。由于從活體發(fā)射出去的光束具有擴展，因此為了有效地再照射活體的最初的照射區(qū)域，期望反射部分具有凹面形狀。凹面形狀的利用使得擴展的光束能夠會聚在期望的區(qū)域上。另一方面，當(dāng)反射部件被放置為接近于活體時，即使反射部分具有平面形狀，活體也可以被有效地再照射。此外，為了照射包括首先被照射的區(qū)域的活體的更寬的區(qū)域，可以合適地使用平面的反射部分。反射部件的反射部分的形狀可以根據(jù)從活體發(fā)射出去的光束的發(fā)射角而變化。發(fā)射角取決于基于活的組織的漫射系數(shù)。因而，發(fā)射角還取決于諸如測量的區(qū)域、年齡和性別之類的因素。另一方面，被照射的活體上的照明分布影響在活體中傳播的光束的光能分布。光聲信號強度與在光吸收體的位置處的光能的強度成比例。因此，為了根據(jù)測量的聲波信號產(chǎn)生光吸收體的吸收系數(shù)強度分布的精確的圖像，期望弄清活體中的光能分布。然而，活體的光學(xué)常數(shù)是不均勻的，并且難以確定光能分布。特別地，如果在活體的表面上存在不均勻的照明分布，則很難弄清活體中的光的精確的分布。如果從光源發(fā)出的激光束具有光束分布，則可以通過基于已知的照明分布設(shè)計反射部件的形狀來使得照明分布均勻。使得活體的表面上的照射光分布均勻有助于估計活體中的光能分布。在使用光聲效應(yīng)的生物信息測量裝置中，提出一種測量裝置，其中與超聲檢測器的照射位置相對于作為測試對象的活體不同。也就是說，可以存在照射位置相對于活體與超聲檢測器相對的情況，或超聲檢測器被布置在與照射區(qū)域相同一側(cè)的情況。特別地，在超聲檢測器位于照射區(qū)域一側(cè)的情況下，從照射效率的觀點來說，期望將光束輻射到面向位于活體附近的超聲檢測器的檢測表面的活體的表面。在這樣的布置中，從活體發(fā)射出去的光束向超聲檢測器的正面發(fā)射，因而期望反射部件位于超聲檢測器和照射表面之間。此外，在這種情況下，要求反射部件對聲波信號是透明的。對聲波透明的反射部件是以非常低的衰減透射聲波的部件。可以通過將具有低的聲波衰減系數(shù)的材料用于該部件，或者即使當(dāng)傾向于衰減聲波的材料用于該部件時，該部件相對于聲波的波長也足夠薄，來保證對聲波的透明性。反射部件在由電介質(zhì)膜制成時厚度可以相對增大，但是當(dāng)使用具有通用性(versatility)的金屬膜作為反射膜時，必須控制厚度。為了檢測超聲波，提供聲學(xué)匹配材料以保證活的組織和超聲檢測器之間的聲學(xué)匹配，并且反射部件被放置為與聲學(xué)匹配部件接觸?；畹慕M織具有接近于水的聲學(xué)阻抗，其為 1. 5X106kg * πΓ2 * s，并且在聲速處為大約1500m * s人
用在本發(fā)明中的超聲檢測器的頻率在大約1-50MHZ的范圍之內(nèi)，并且一個波長的計算的長度在大約1. 5mm-30mm的范圍之內(nèi)。當(dāng)具有高聲波衰減的材料用于反射部件時，如果該材料的厚度被設(shè)置為等于或小于聲波的波長的1/30，則不管使用的材料如何，對聲波的透明性可以增大。根據(jù)本實施例， 作為對聲波的透明性的標準，反射部件可以具有等于或小于聲波的波長的1/30的厚度，但是這不是必要條件。如上所述，在等于或大于波長的1/30的厚度的情況下，對聲波信號的透射系數(shù)逐漸減小。然而，如果對于檢測信號足夠的強度可用，則該厚度可以等于或大于根據(jù)本實施例規(guī)定的厚度。因而，在活的組織中，對于10MHz、其一個波長為大約150 μ m的聲波信號，期望反射部件的厚度是5μπι或更小。示例性實施例下面將描述本發(fā)明的示例性實施例。示例性實施例1將參考圖1描述用在本發(fā)明的示例性實施例1中的生物信息獲取裝置的配置示例，其中生物信息獲取裝置被裝備有反射部件。從光源101發(fā)射的光束102被輻射到模擬活體的人體模型(phantom) 105。反射部件103被放置為接近于活體并且剛好在首先被照射的照射區(qū)域104上方。圖2示出照射區(qū)域和反射部件之間的尺寸關(guān)系。反射部件103大于照射區(qū)域104， 并且當(dāng)從測試對象的表面上方觀看時，反射部件103包括照射區(qū)域201。光源101被放置為比反射部件103更遠離照射區(qū)域104。1064nm的Nd: YAG激光器被用作光源101。反射部件是通過將玻璃材料涂敷由Au 和Al制成的反射膜以及適合于1064nm的波長的電介質(zhì)多層膜而制備的玻璃鏡。英脫利匹特(Intralipid)的10%水溶液被用作已被制備以便具有均勻的漫射系數(shù)的人體模型105。 球形光吸收體106被放置在Hitralipid溶液內(nèi)部離開照射表面2cm處。超聲檢測器107 被放置在與照射表面相對的一側(cè)以測量光聲波信號。與不使用反射部件時相比，當(dāng)使用反射部件103時，光聲信號強度增大，并且通過增大輻射的光的量來增強光聲信號。示例性實施例2將參考圖3描述用在本發(fā)明的示例性實施例2中的生物信息獲取裝置的配置示例，其中生物信息獲取裝置被裝備有反射部件。除反射部件303外，本示例性實施例的配置基本上與示例性實施例1相同。在本示例性實施例中，凹面鏡被用作反射部件303的反射部分。觀測到，與不使用反射部件時相比，光聲波信號被顯著加強。這被相信是因為反射部件的形狀為凹面的反射部分使得一定程度上從活體散射的光能夠被有效地向照射區(qū)域附近再輻射。特別地，當(dāng)反射部件303被放置為遠離照射區(qū)域104時，觀測到，與根據(jù)示例性實施例1的裝備有平面反射部分的反射部件的情況相比，光聲信號被更顯著地增強。示例性實施例3將參考圖4描述用在本發(fā)明的示例性實施例3中的生物信息獲取裝置的配置示例，其中生物信息獲取裝置被裝備有反射部件。在本示例性實施例中，在反射部件403的反射部分的一部分中提供孔，并且光束102通過該孔被輻射到測試對象105。除此以外，本示例性實施例的配置基本上與示例性實施例2相同。由于照射區(qū)域104的頂面不全部由反射部件403覆蓋，因此對光聲波信號的增強效果降低，但是與不使用反射部件時相比，觀察到明顯的效果。這樣的反射部件的使用使得入射光能夠以接近于垂直的角度照射活體，使得能夠使用各種類型的光聲測量裝置。雖然在示例性實施例3中，在反射部件403中提供單個孔，但是可以提供許多孔， 通過這些孔輻射由光纖等產(chǎn)生的許多分束。此外，不必說，期望該孔具有小的尺寸。因而， 光束在照射測試對象105之前可以通過反射部件403中的孔被聚焦一次。示例性實施例4將參考圖5描述用在本發(fā)明的示例性實施例4中的生物信息獲取裝置的配置示例，其中生物信息獲取裝置被裝備有反射部件。在本示例性實施例中，超聲檢測器107和光源101被放置在測試對象105的同一側(cè)。反射部件103被放置在超聲檢測器107和照射區(qū)域104之間。在這樣的布置中，反射部件需要具有反射光束但是使聲波透射通過其的性質(zhì)。 因此，膜厚為5微米的Al膜被沉積在具有低的聲波衰減的樹脂膜上以產(chǎn)生反射部件103，反射部件103然后被安裝在超聲檢測器107的前面上。為了將光束102輻射到位于超聲檢測器107之下的測試對象105，提供由聲學(xué)匹配材料509制成的支座(standoff)。與不使用反射部件時相比，光聲波信號被增強，并且觀測到，反射部件的放置具有增大輻射的光的量的效果。雖然已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不局限于公開的示例性實施例。以下權(quán)利要求的范圍符合最寬的解釋以便涵蓋所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)與功能。本申請要求2009年11月4日提交的日本專利申請No. 2009-253068的權(quán)益，其通過引用而被全部合并于此。
權(quán)利要求
1.一種生物信息獲取裝置，具有用于將光束輻射到測試對象的光源和用于檢測基于光束到測試對象的輻射輸出的信號的檢測器，包括反射部件，被配置為反射在光束被輻射到測試對象時從測試對象發(fā)射出去的光束，其中該反射部件被放置為比該光源更接近在測試對象的表面上的光束的照射區(qū)域，以便從上方覆蓋照射區(qū)域的至少一部分，并且被配置為在尺寸上等于或大于該照射區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物信息獲取裝置，其中 光束到測試對象的輻射是測試對象的表面的傾斜的照射；以及該反射部件被放置為在不阻擋由該傾斜的照射產(chǎn)生的光束的情況下覆蓋該照射區(qū)域的整個頂面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物信息獲取裝置，其中該反射部件由金屬或電介質(zhì)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任何一個所述的生物信息獲取裝置，其中該反射部件包括凹面形狀的反射部分以反射從測試對象發(fā)射出去的光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一個所述的生物信息獲取裝置，其中該檢測器是被配置為檢測充當(dāng)該信號的聲波的聲波檢測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物信息獲取裝置，其中該反射部件由透射聲波的部件構(gòu)成并且被放置在該聲波檢測器和照射區(qū)域之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生物信息獲取裝置，在其中再利用在光被輻射到測試對象時通過該對象中的漫射作用從測試對象發(fā)射到外部的光束，提高了輻射的光的利用效率。該裝置具有用于將光束輻射到測試對象的光源和用于檢測基于光束的輻射輸出的信號的檢測器，包括反射部件，被配置為反射在光束被輻射到測試對象時從測試對象向外發(fā)射的光束，該反射部件被放置為比該光源更接近在測試對象的表面上的照射區(qū)域，以便從上方覆蓋照射區(qū)域的至少一部分，并且被配置為等于或大于該照射區(qū)域。
文檔編號A61B5/00GK102596012SQ20108004903
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者小林秀一, 市原滋 申請人:佳能株式會社