激光誘導超聲波裝置和方法
【專利摘要】激光誘導超聲波裝置和使用該裝置產(chǎn)生圖像的方法。該激光誘導超聲波裝置包括：激光源，其向目標物體和熱彈性材料照射激光束；熱彈性材料，其將該激光束轉(zhuǎn)換為第一超聲波，并將第一超聲波照射到該目標物體；以及接收單元，其接收第一超聲波的回聲聲波，并接收因該激光束而由該目標物體產(chǎn)生的第二超聲波。
【專利說明】激光誘導超聲波裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] -個或多個實施例涉及激光誘導超聲波裝置和方法，包括產(chǎn)生一個或多個圖像的 激光誘導超聲波裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當激光束照射液體材料或固體材料時，液體或固體材料分別吸收光能量，因而立 即產(chǎn)生熱能。由于熱彈性現(xiàn)象，這種熱的產(chǎn)生還產(chǎn)生聲波，例如，超聲波。這里，不同的材料 的分別的吸收和熱彈性系數(shù)也可以相對于照射在各種材料上的光能的波長而變化。因此， 當以相同的光能量照射不同的材料時，各種不同的材料可以產(chǎn)生具有不同壓強量值的超聲 波。這樣產(chǎn)生的超聲波可以用來分析所選材料、非破壞性診斷、光聲斷層成像等。
[0003] 特別地，根據(jù)光能照射人體內(nèi)組織時產(chǎn)生的光波長，功能性分析組織不同的吸收 值，光聲斷層成像技術(shù)可以呈現(xiàn)出具體的功能圖像，以有利于診斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題
[0005] 然而，雖然例如當特定組織被光能照射時可以產(chǎn)生這些分別的功能圖像或光聲圖 像，不能基于照射特定組織或多個組織的光能產(chǎn)生用于聲學分析的聲學圖像或解剖學圖 像，因為只有從專門選擇的組織的照射產(chǎn)生的聲波的壓強量值可以是可測量的、可靠的、或 者可用于聲學分析。這是因為，組成人體的大多數(shù)材料具有低光能吸收系數(shù)，所以除了像血 管這樣具有相對大的光能吸收系數(shù)的特定組織之外，對低光能吸收系數(shù)的組織產(chǎn)生的壓強 量值相對較小。
[0006] 因此，當它們分別產(chǎn)生小壓強量值聲波時，難以區(qū)分不同的低光能吸收系數(shù)組織， 尤其是考慮由低熱能吸收系數(shù)組織產(chǎn)生的相對較小壓強量值聲波的檢測分辨率和潛在實 質(zhì)相似性。因此，基于熱彈性現(xiàn)象難以產(chǎn)生可以用于例如基于超聲影像的診斷的聲學診斷 的解剖學圖像，所以例如直接照射人體中的組織的光能照射只能產(chǎn)生功能圖像或光聲圖 像。
[0007] 因此，對于基于功能分析和解剖學分析的診斷，有必要將二者獨立開來，S卩，使用 不同的聲學產(chǎn)生裝置或元件和技術(shù)，產(chǎn)生用于功能分析的光聲斷層成像圖像和用于解剖學 分析的解剖學圖像。
[0008] 解剖學圖像通?；诼暡ǎ?，由壓電設(shè)備產(chǎn)生、發(fā)送到人體組織并反射的超聲 波。然而，當使用壓電裝置產(chǎn)生超聲波時，所產(chǎn)生的超聲波的特性（如中心頻率和帶寬）被 固定，因為所產(chǎn)生的超聲波的中心頻率和帶寬由壓電裝置的固定的厚度定義。因此，有必要 用分開的壓電設(shè)備探測器來產(chǎn)生具有不同中心頻率和帶寬的超聲波，例如，分別用于不同 的診斷區(qū)域。
[0009] 解決方案
[0010] 一個或多個實施例包括使用激光誘導超聲波來同時獲得用于解剖學分析的圖像 和用于功能性分析的圖像的裝置和方法。
[0011] -個或多個實施例包括一種激光誘導超聲波裝置，該裝置包含：激光源，用于產(chǎn)生 激光束，并用所產(chǎn)生的激光束分別照射目標物體和熱彈性材料；該熱彈性材料，用于在該激 光束照射該熱彈性材料后產(chǎn)生第一聲波，然后發(fā)送第一聲波至該目標物體；以及接收單元， 用來接收和轉(zhuǎn)換從該目標物體反射的第一聲波的回聲聲波，并接收和轉(zhuǎn)換通過激光束照射 該目標物體產(chǎn)生的第二聲波。
[0012] 一個或多個實施例包括一種激光誘導超聲波方法，該方法包括：產(chǎn)生激光束并用 產(chǎn)生的激光束照射目標物體和熱彈性材料；接收和轉(zhuǎn)換來自該目標物體的回聲聲波，該回 聲聲波作為該熱彈性材料被激光束照射后從該熱彈性材料向該目標物體發(fā)送的第一聲波 的反射；以及接收和轉(zhuǎn)換該目標物體被激光束照射后從該目標物體發(fā)送的第二聲波。
[0013] 其他方面將在后面的描述中分別闡述，某些部分將在描述中出現(xiàn)，或者從實施例 的實踐中習得。
[0014] 發(fā)明的有益效果
[0015] 根據(jù)一個或多個上述實施例，該激光誘導超聲波裝置可以根據(jù)被來自激光源的激 光束照射的材料而產(chǎn)生具有不同性質(zhì)的超聲波，因此可以同時獲得用于功能分析的圖像和 用于解剖學分析的圖像。
[0016] 此外，在一個或多個實施例中，該激光誘導超聲波裝置可以用單個激光束產(chǎn)生超 聲波，因此可以同時產(chǎn)生用于解剖學分析的圖像和用于功能分析的圖像，致使與使用電信 號/聲波換能器的常規(guī)超聲波裝置相比簡化了裝置和方法。
[0017] 此外，在一個或多個實施例中，可以通過根據(jù)被激光束照射、而且向其發(fā)送由激光 束照射熱彈性材料產(chǎn)生的聲波的目標物體的類型調(diào)整單個激光束的特性來產(chǎn)生超聲波，這 樣與傳統(tǒng)的需要使用一個或多個電信號/聲波換能器產(chǎn)生超聲波相比，得到了更容易和更 簡單的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 為了更全面地理解本公開及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖給出以下說明：
[0019] 圖Ia是示出根據(jù)一個或多個實施例的根據(jù)選擇性改變的激光束脈沖寬度的激光 誘導超聲波的壓強量值的曲線圖；
[0020] 圖Ib是示出根據(jù)一個或多個實施例的根據(jù)選擇性改變的激光束脈沖流量密度的 激光誘導超聲波的壓強量值的曲線圖；
[0021] 圖Ic是示出根據(jù)一個或多個實施例的根據(jù)激光束照射的材料的不同的吸收系數(shù) 的激光誘導超聲波的壓強量值的曲線圖；
[0022] 圖Id是示出根據(jù)一個或多個實施例的根據(jù)隨時選擇性改變的激光束脈沖寬度的 激光誘導超聲波的壓強量值和波長的曲線圖；
[0023] 圖2a是示出根據(jù)時間和頻率的由壓電設(shè)備產(chǎn)生的超聲波的聲學壓強量值的曲線 圖；
[0024] 圖2b是示出根據(jù)一個或多個實施例的根據(jù)時間和頻率的熱彈性材料層被脈沖激 光束照射后產(chǎn)生的超聲波的聲學壓強量值的曲線圖；
[0025] 圖3是示出根據(jù)一個或多個實施例的激光誘導超聲波裝置的示意框圖；
[0026] 圖4是示出根據(jù)一個或多個實施例的諸如圖3所示的接收單元和熱彈性材料層之 間的組合關(guān)系的圖，；
[0027] 圖5a至5d是示出根據(jù)一個或多個實施例的諸如圖3所示的接收單元和熱彈性材 料層之間的不同組合關(guān)系的圖；以及
[0028] 圖6是示出根據(jù)一個或多個實施例的使用激光誘導超聲波產(chǎn)生圖像的方法的流 程圖。

【具體實施方式】
[0029] 實施發(fā)明的最佳模式
[0030] 該激光誘導超聲波裝置可以根據(jù)來自激光源的激光束所照射的材料而產(chǎn)生具有 不同性質(zhì)的超聲波，因此可以同時獲得用于功能性分析的圖像和用于解剖學分析的圖像。
[0031] 此外，在一個或多個實施例中，該激光誘導超聲波裝置可以用單個激光束產(chǎn)生超 聲波，因此可以同時產(chǎn)生用于解剖學分析的圖像和用于功能性分析的圖像，致使與使用電 信號/聲波換能器產(chǎn)生超聲波的常規(guī)超聲波裝置相比，簡化了裝置和方法。
[0032] 此外，在一個或多個實施例中，當目標物體，可以通過根據(jù)被激光束照射且向其發(fā) 送由激光束照射熱彈性材料產(chǎn)生的聲波的目標物體的類型調(diào)整單個激光束的特征來產(chǎn)生 超聲波，這樣與傳統(tǒng)的需要一個或多個電信號/聲波換能器來產(chǎn)生超聲波相比，得到更容 易和更簡單的方法。
[0033] 發(fā)明的模式
[0034] 以下將詳細介紹實施例，其示例在附圖中示出，其中相似的參考標號指代相同的 元件。在這里呈現(xiàn)出的實施例可能有不同的形式，然而不局限于這里所闡述的描述內(nèi)容。因 此，以下描述的實施例僅是參考附圖所做的說明。此外，在元素列表之前有如"至少其中一 個"的表述，是修飾整個元素列表而不是修飾列表中某個單獨元素。
[0035] 如上所述，在一個或多個實施例中，通過依賴與人體內(nèi)組織對相同或不同的光波 長的不同的吸收系數(shù)，光聲斷層成像可以實現(xiàn)有助于診斷的功能圖像。然而，構(gòu)成人體的許 多材料具有低光能吸收系數(shù)，這樣由這些低光能吸收系數(shù)的組織產(chǎn)生的聲波的壓強量值將 會非常小，例如與高光能吸收系數(shù)的組織（如血管）相比。因此，對這樣低光能吸收系數(shù)的 組織難以產(chǎn)生可以在超聲診斷中使用的解剖學圖像。因此，在一個或多個實施例中，可以使 得用于功能診斷的光聲斷層圖像和用于診斷的解剖學圖像的組合可用，并且在一個或多個 實施例中，這樣分開的圖像可以使用單個光能源提供，而且可以同時獲得。
[0036] 根據(jù)一個或多個實施例，一種激光誘導超聲波裝置可以是診斷裝置，用于通過使 用激光誘導超聲波來確定患者體內(nèi)是否形成了腫瘤，即目標物體。在一個或多個實施例中， 可以使用脈沖激光。此外，僅作為示例且取決于實施例，激光束的脈沖寬度可以不同地為納 秒級或皮秒級，即，分別在KT 9秒或KT12秒的級別。
[0037] 如這里所定義，激光誘導聲波被產(chǎn)生為激光束的能量，被熱彈性材料吸收，并轉(zhuǎn)化 成壓強。當具有流量密度（I(x，y，z，t))的激光束照射熱彈性材料時，熱彈性材料可以吸收 熱能H，如下列等式1所示，僅作為示例。
[0038] 等式 1 :
[0039] H = (I-R) · I · μ euz
[0040] 這里，R代表熱彈性材料在特定光波長下的反射系數(shù)，U代表熱彈性材料在特定光 波長下的吸收系數(shù)，z代表沿與熱彈性材料表面相對于激光的表面垂直的方向的距離。
[0041] 此外，如等式2所示，熱彈性材料處可以發(fā)生溫度T的變化，僅作為示例，并且由于 溫度T的變化，如等式3所示，熱彈性材料的體積V也可以變化，也僅作為示例。
[0042] 等式 2 :

【權(quán)利要求】
1. 一種激光誘導超聲波裝置，該裝置包括： 激光源，用于以激光束照射目標物體和熱彈性材料； 該熱彈性材料，用于基于激光束照射該熱彈性材料而產(chǎn)生第一聲波，并向該目標物體 發(fā)送第一聲波；以及 接收單元，用于接收并轉(zhuǎn)換從目標物體反射的第一超聲波的回聲聲波，并且接收并轉(zhuǎn) 換通過激光束照射該目標物體產(chǎn)生的第二聲波。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括至少一個圖像處理器，用來 同時產(chǎn)生基于接收的第二聲波的第一圖像和基于接收的回聲聲波的第二圖像， 其中將第一圖像產(chǎn)生為用于該目標物體的功能分析的光聲圖像，并且將第二個圖像產(chǎn) 生為用于至少該目標物體的聲學分析的解剖學圖像。
3. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括： 用戶界面； 顯示單元；以及 控制單元，用來控制該至少一個圖像處理器基于通過該用戶界面檢測的用戶輸入向該 顯示單元輸出第一圖像和第二圖像中的至少一個。
4. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括控制器，用于根據(jù)目標物體 的性質(zhì)而選擇性地改變激光束的脈沖寬度，其中該熱彈性材料被配置為基于選擇性地改變 的激光束的脈沖寬度產(chǎn)生分別具有不同波長的聲波。
5. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括控制器，用于根據(jù)目標物體 的性質(zhì)而選擇性地改變激光束的脈沖寬度，其中該熱彈性材料被配置為基于選擇性地改變 的激光束的脈沖寬度產(chǎn)生分別具有不同壓強量值的聲波。
6. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括控制器，用于根據(jù)目標物體 的性質(zhì)而選擇性地改變激光束的流量密度，其中該熱彈性材料被配置為基于選擇性地改變 的激光束的流量密度產(chǎn)生分別具有不同壓強量值的聲波。
7. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該激光誘導超聲波裝置被配置為將 激光束分成保持原有激光束特性的第一激光束和第二激光束，其中將第一激光束光學導向 以照射該目標物體的至少一部分，并且不同地將第二激光束光學導向以照射該熱彈性材料 的至少一部分。
8. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該激光源同時用激光束照射該目標 物體的至少一部分并用激光束照射該熱彈性材料的至少一部分。
9. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括控制器，用于控制激光源選 擇性地在第一時間段期間用激光束僅照射該目標物體，并且在第二時間段期間用激光束僅 照射該熱彈性材料，其中第一時間段和第二時間段在時間上是連續(xù)的，并且在該接收單元 被使能接收和轉(zhuǎn)換回聲聲波和第二聲波時發(fā)生。
10. 如權(quán)利要求9所述的激光誘導超聲波裝置，其中該控制器控制激光源基于目標物 體的性質(zhì)產(chǎn)生在第一時間段期間和第二時間段期間具有分別不同的特性的激光束。
11. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括控制器，用來基于目標物體 的性質(zhì)選擇性地改變激光束的特性，以改變由該熱彈性材料產(chǎn)生的第一聲波的中心頻率。
12. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該目標物體是人體內(nèi)的組織，其具 有比該熱彈性材料的吸收率小的吸收率。
13. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該激光束的脈沖寬度是納秒尺度 或皮秒尺度的。
14. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該熱彈性材料由金屬、半導體材 料、碳基材料、和聚合物材料中的至少一個形成。
15. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該熱彈性材料層被形成為具有小 于從目標物體傳播的回聲聲波和第二聲波的分別的波長的厚度的薄膜。
16. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該接收單元包括至少一個換能器， 用于將接收的回聲聲波和接收的第二聲波轉(zhuǎn)換為相應的電信號，其中該至少一個換能器包 括壓電微機械超聲換能器（pMUT)、電容微機械超聲換能器（cMUT)、磁微機械超聲換能器 (mMUT)、和光學超聲波檢測器中的至少一個。
17. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中該熱彈性材料和該接收單元被一 起形成為單個探測器。
18. 如權(quán)利要求17所述的激光誘導超聲波裝置，其中該熱彈性材料和該接收單元被安 排在配置中的單個探測器元件中，從而當激光束入射到該單個探測器元件時，使得該熱彈 性材料能夠被激光束照射，并且激光束在該接收單元上的入射角被最小化。
19. 如權(quán)利要求17所述的激光誘導超聲波裝置，其中將基板置于該單個探測器元件中 的熱彈性材料和接收單元之間。
20. 如權(quán)利要求17所述的激光誘導超聲波裝置，其中該熱彈性材料和該接收單元被安 排在單個探測器元件中，以使得由該熱彈性材料產(chǎn)生的第一聲波在傳播到該目標物體之前 穿過該接收單元傳播。
21. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，其中激光源以激光束同時照射該目標 物體和該熱彈性材料。
22. 如權(quán)利要求1所述的激光誘導超聲波裝置，進一步包括： 第一信號處理單元，用以基于從接收的回聲聲波導出的電信號產(chǎn)生第一圖像； 第二信號處理單元，用以基于從接收的第二聲波導出的電信號產(chǎn)生第二圖像；以及 圖像合并單元，用以通過合并第一圖像和第二圖像產(chǎn)生第三圖像。
23. -種激光誘導超聲波的方法，該方法包括： 用激光束照射目標物體和熱彈性材料； 接收并轉(zhuǎn)換來自該目標物體的回聲聲波，該回聲聲波作為激光束照射該熱彈性材料時 從該熱彈性材料向該目標物體發(fā)送的第一聲波的反射；以及 接收和轉(zhuǎn)換激光束照射該目標物體時從該目標物體發(fā)送的第二聲波。
24. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，進一步包括：同時產(chǎn)生基于接收的 第二聲波的第一圖像和基于接收的回聲聲波的第二圖像， 其中第一圖像被產(chǎn)生為用于該目標物體的功能分析的光聲圖像，第二圖像被產(chǎn)生為用 于至少該目標物體的聲學分析的解剖學圖像。
25. 如權(quán)利要求24所述的激光誘導超聲波的方法，進一步包括基于對用戶界面的用戶 輸入而選擇性地顯示第一圖像和第二圖像中的至少一個。
26. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，其中該目標物體是人體內(nèi)的組織， 其具有比該熱彈力材料的吸收率低的吸收率。
27. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，其中該熱彈性材料層被形成為具有 小于從該目標物體傳播的回聲聲波和第二聲波的分別的波長的厚度的薄膜。
28. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，其中該熱彈性材料和執(zhí)行回聲聲波 和第二聲波的接收的接收單元被一起形成為單個探測器元件。
29. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，其中該目標物體和該熱彈性材料被 激光束同時照射。
30. 如權(quán)利要求23所述的激光誘導超聲波的方法，進一步包括： 基于從接收的回聲聲波導出的電信號產(chǎn)生第一圖像； 基于從接收的第二聲波導出的電信號產(chǎn)生第二圖像；以及 通過合并第一圖像和第二圖像產(chǎn)生第三圖像。
【文檔編號】H01S3/00GK104334088SQ201380026661
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月3日
【發(fā)明者】姜誠贊, 金云培, 金鐘碩, 尹容燮 申請人:三星電子株式會社