《光声换能器及成像系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光声换能器及成像系统.pdf（21页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103209643 A (43)申请公布日 2013.07.17 CN 103209643 A *CN103209643A* (21)申请号 201180031854.0 (22)申请日 2011.04.29 61/329,979 2010.04.30 US A61B 6/00(2006.01) (71)申请人 视声公司 地址 美国华盛顿州 (72)发明人 德西蒙希尔森 安德鲁尼德雷斯 平哈斯艾弗拉特 尼古拉斯C查格雷斯 (74)专利代理机构 北京商专永信知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11400 代理人 邬玥 葛强 (54) 发明名称 光声换能器及成像系统 。
2、(57) 摘要 本文中公开发明的特征是光声扫描头， 该光 声扫描头包括集成于使用光学透明的环氧树脂或 其它树脂的阵列式超声换能器的外壳内的光纤。 光纤的发光端放置在换能器前表面附近， 并且将 激光引导到由换能器扫描的对象上。由光纤产生 的光束可以有角度地倾斜来与由换能器产生的声 场相交， 以便在由换能器扫描的区域内产生光声 效应。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.12.27 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/034640 2011.04.29 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/137385 EN 2011.11.03 (51)Int.。
3、Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书11页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103209643 A CN 103209643 A *CN103209643A* 1/2 页 2 1. 一种光声扫描头， 包括 ： (i) 阵列式的超声换能器， 具有用于检测来自对象的超声波的前表面 ； (ii) 外壳， 包括用于容纳阵列式的超声换能器的鼻头部 ； 以及 (iii) 多条光纤， 用于将激光引导至所述对象， 其中所述光纤的发光部分被放置在阵列 式的超声换能器的所述前表面附近， 并且用光学透明的树。
4、脂被集成于所述外壳的所述鼻头 部内。 2. 根据权利要求 1 所述的光声扫描头， 其中所述超声换能器是线性阵列换能器。 3. 根据权利要求 1 所述的光声扫描头， 其中所述光纤中的至少一部分光纤结合在一起 以形成束。 4. 根据权利要求 3 所述的光声扫描头， 其中所述光纤中的至少一部分光纤与延伸至阵 列式的光声换能器的一条或多条电线束扎在一起。 5. 根据权利要求 3 所述的光声扫描头， 其中所述外壳的所述鼻头部内的光纤被布置成 至少两束， 且每束光纤具有被设置成将光束输送至所述对象的发光端。 6. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 其中所述两束光纤的所述发光端被放置在阵列 式的超声换能。
5、器的两侧。 7. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 其中每束光纤的所述发光端呈矩形光纤条的形 式。 8. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 其中每束光纤的所述发光端呈圆形形式。 9. 根据权利要求 6 所述的光声扫描头， 其中每束光纤的所述发光端相对于阵列式的超 声换能器的所述前表面成一角度地被放置， 使得由每束光纤产生的光束与垂直于换能器的 所述前表面延伸的平面相交。 10. 根据权利要求 1 中任一项所述的光声扫描头， 进一步包括 ： 可实时的光电传感器， 用于监视脉冲间激光能量。 11. 根据权利要求 10 所述的光声扫描头， 其中所述光电传感器监视脉冲间反向散射强 度。 12.。
6、 根据权利要求 10 所述的光声扫描头， 其中所述光电传感器通过使用与用来将所述 光纤集成于所述外壳内的树脂相同的光学透明的树脂， 而被集成于所述外壳的所述鼻头部 内。 13. 根据权利要求 10 所述的光声扫描头， 进一步包括 ： 在换能器附近分布的多个光电传感器， 用于监视阵列式的超声换能器的不同区域处的 脉冲间能量变化。 14. 根据权利要求 10 所述的光声扫描头， 进一步包括 ： 单独的一组光纤， 放置在所述光电传感器旁边， 且发出光束到所述对象的与由所述超 声换能器产生的声场邻近的区域上。 15. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 其中所述两束光纤的所述发光端被放置在阵 列式的。
7、超声换能器的两侧， 并且能够将反向散射的光引导回至在扫描头的所述外壳外部设 置的用于监视脉冲间能量的光电传感器。 16. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 进一步包括 ： 专门将光引导回至所述光电传感器的附加光纤， 其中所述附加光纤选择性地放置在现 权 利 要 求 书 CN 103209643 A 2 2/2 页 3 有光纤束内或者放置在现有光纤束的外部附近， 并且能够将反向散射的光引导回至在扫描 头的所述外壳外部设置的用于监视脉冲间能量的光电传感器。 17. 根据权利要求 1 所述的光声扫描头， 其中所述光学透明的树脂是聚合物树脂。 18. 根据权利要求 15 所述的光声扫描头， 其中所。
8、述透明树脂是环氧树脂。 19. 根据权利要求 1 所述的光声扫描头， 其中树脂的折射率与所述光纤的折射率匹配。 20. 根据权利要求 1 所述的光声扫描头， 其中所述超声换能器通过使用与用来将所述 光纤集成于所述外壳内的树脂相同的透明的树脂， 而被集成于所述外壳内。 21. 根据权利要求 5 所述的光声扫描头， 其中所述透明树脂作为对由所述光纤发出的 光束进行聚焦的透镜。 22. 根据权利要求 21 所述的光声扫描头， 其中所述光束具有与由阵列式的超声换能器 产生的所述声场的焦深相匹配的焦深。 23.根据权利要求1所述的光声扫描头， 其中所述超声换能器接收和发射从大约15MHz 到大约 100。
9、MHz 频率的超声波。 24.根据权利要求1所述的光声扫描头， 其中所述超声换能器接收和发射至少20MHz频 率的超声波。 25. 一种光声成像系统， 包括 ： (i) 如权利要求 1 所述的扫描头 ； (ii) 产生非离子光脉冲的激光系统， 其中所述激光系统与所述扫描头的光纤连接 ； (iii) 超声收发器， 与所述扫描头的换能器连接 ； (iv) 计算机， 用于控制系统部件和将所接收的超声数据处理到图像内 ； 以及 (v) 监视器， 用于显示所述图像。 权 利 要 求 书 CN 103209643 A 3 1/11 页 4 光声换能器及成像系统 技术领域 0001 本发明大体上涉及光声成像。
10、和医疗诊断领域。更具体地， 本发明涉及包括具有集 成光纤的超声换能器的光声成像系统， 超声换能器能够用来为诊断和其它医疗或研究目的 而获得对象 ( 例如人或小的实验室动物 ) 的光声图像。 背景技术 0002 基于超声的成像是在多种临床环境中由医疗专业人员所使用的常见诊断工具， 以 通过实时的断层图像而可视化患者的肌肉、 筋腱和内部器官以及可能存在的任何病理病 变。 超声成像还被进行体内研究的科学家和医学研究人员用来评估测试对象中的疾病进展 和逆转。 0003 超声成像系统通常具有发送和接收高频声波的换能器。 换能器经常使用能够将所 接收的超声波转换成电信号的压电部件。中央处理单元对系统部件进。
11、行供电和控制， 处理 从换能器接收的信号来产生图像， 并且在监视器上显示图像。 0004 与其它类型的成像方式 ( 例如 MRI) 相比， 超声成像相对快速、 便携和价廉。超声 成像与使用离子辐射的方式 ( 例如 x 射线和 PET) 相比还更不具有侵入性， 同时具有更少的 潜在副作用。然而， 传统的超声技术具有局限性， 这使得传统的超声技术不适合于一些应 用。例如， 超声波无法完全穿透某些类型的组织和解剖特征， 并且与 x 射线图像和 MRI 图像 相比， 超声图像通常具有较低的对比度。此外， 超声成像难以区分声学上同质的组织 ( 即具 有类似超声性质的组织 )。 0005 光声成像是超声成。
12、像的基于光声效应的改进形式， 在光声成像中， 电磁能量 ( 例 如光波或射频波 ) 的吸收产生声波。在光声成像时， 将激光脉冲输送到生物组织内 ( 当使 用射频脉冲时， 该技术通常被称为 “热声成像” )。所输送能量的一部分被对象的组织吸收 并转换成热量。这导致瞬间的热弹性膨胀， 因此导致宽带 ( 例如 MHz 级 ) 超声辐射。然后， 所产生的超声波由超声换能器检测去形成图像。 光声成像通过提供例如增强的对比度和改 进的特异性， 有可能克服纯超声成像的一些问题。 同时， 由于使用非离子辐射来产生超声信 号， 所以光声成像具有较少的可能有害的副作用。 0006 不同的在超声换能器附近照射激光的。
13、技术已经被使用来引起光声效应。 在光线从 与换能器同一侧照射到组织上的反射模式光声学中， 最常见的方法与暗场显微法中使用的 那些方法类似， 并且采用光学透镜和镜子的形式来将光线聚焦到换能器周围的同心圆内。 虽然这种方法十分适合于单个圆形的换能器， 但是这种方法不太适合于矩形直线的换能器 阵列， 因为光线分布在阵列的视场内变得不均匀。与现有的光声成像方法有关的另一挑战 是激光脉冲间的强度变化。 脉冲间的变化导致光声图像中以及连续图像间的声强度中出现 不希望得到的波动。除非这样的脉冲间变化被量化和归一化， 否则这样的脉冲间变化可能 对光声图像的质量和可靠性产生不利影响。 0007 鉴于当前光声成像。
14、方法的局限， 仍需要可提供一种为获得光声图像向对象提供激 光束的方便且适宜方法的光声系统和技术。 说 明 书 CN 103209643 A 4 2/11 页 5 发明内容 0008 本发明的特征是用于获得对象的光声图像的光声扫描头。 该扫描头包括容纳阵列 式超声换能器的换能器外壳， 阵列式超声换能器向对象发射超声波， 和 / 或从对象接收超 声波。扫描头还包括用于将激光引导至对象的多条光纤。光纤的发光端放置在换能器的前 表面附近并且用光学透明的树脂集成于外壳的鼻头部 (nosepiece) 内。 0009 通常， 外壳中的光纤结合在一起， 以形成一束或线缆。 该束或线缆可以进一步包括 一条或多。
15、条电线， 以形成同轴线缆。同轴线缆的电线从在扫描头的鼻头部内设置的换能器 延伸至与超声收发器或波束成形器接合的连接器。 光纤从换能器附近的一个或多个位置延 伸至与激光系统接合的连接器。 0010 在本发明的某些实现中， 光纤束的发光端可以分成在外壳的鼻头部内与换能器相 邻放置的两组或多组光纤。 例如， 光纤可以被布置成两个分离的束， 每束的发光端呈矩形光 纤条的形式。每个光纤条可以沿超声换能器的相对侧对称放置。可替代地， 每束的发光端 可以采取圆形或其它适于提供光束的形状。 0011 扫描头中的光纤的其它布置也是可能的。 例如， 光纤可以分离成两个以上的束， 和 / 或可以沿换能器的前表面的每。
16、个边缘对称地或非对称地布置。光纤可以沿换能器的前表 面的全部边缘或仅沿换能器的前表面的一部分边缘放置。此外， 光纤可以以多种形状或构 造 ( 例如矩形、 方形、 圆形等 ) 中的任一种形状或构造布置在换能器附近。 0012 每束光纤的发光端可以相对于阵列式超声换能器的前表面以任何期望的角度放 置。通常放置光纤束， 使得由每个光纤束产生的光束与垂直于换能器的前表面延伸的平面 相交。在一些实施例中， 可以使用多个仰角。 0013 通常， 扫描头中的超声换能器是阵列式换能器， 阵列式换能器具有用于产生和接 收超声波的多个换能器元件。适合的阵列式换能器包括例如线性阵列换能器、 相控阵列换 能器、 二维。
17、阵列换能器和曲线阵列换能器。还可以使用其它类型的固定换能器。 0014 在本发明的一些实施例中， 超声换能器是接收和 / 或发射大约 15MHz 到大约 100MHz 频率超声波的高频换能器。最通常地， 换能器接收和 / 或发射至少 20MHz 频率的超 声波。 0015 可选地， 本发明的光声扫描头可以进一步包括用于监视脉冲间激光能量 ( 例如从 对象上反射的或反向散射的能量 ) 的可实时的光电传感器。光电传感器可以使用与用来将 光纤集成于外壳内的树脂相同的光学透明树脂而被集成于外壳的鼻头部内。此外， 可以在 光电传感器旁边放置单独的一组光纤， 以便发射光束到对象的与由超声换能器产生的声场 。
18、邻近的区域上。 另外， 多个光电传感器可以分布在鼻头部内部， 以监视阵列式超声换能器的 不同区域处的脉冲间能量变化。可替代地， 光电传感器可以与扫描头分离且位于换能器外 壳外部。 0016 优选地， 通过使用光学透明的树脂将光纤集成于扫描头的鼻头部内。 通常， 树脂是 环氧树脂或其它聚合物树脂。在本发明的一些实现中， 使用具有与光纤的折射率匹配的折 射率的树脂是适宜的。 树脂还可以用来将设备的其它部件集成于包括超声换能器和可选的 光电传感器的鼻头部内。 0017 在本发明的一个实施例中， 用来将光纤集成于扫描头内的透明树脂还起到对由光 说 明 书 CN 103209643 A 5 3/11 页。
19、 6 纤发出的光束进行聚焦的透镜的作用。 这样的透镜可以用来向光束提供与由阵列式超声换 能器产生的声场的焦深相匹配的焦深。 0018 在另一方面， 本发明的特征是光声成像系统， 该光声成像系统包括 ： (i) 上面描述 的光声扫描头， 包括具有集成的光纤束的阵列式超声换能器 ； (ii) 与光纤连接的用于产 生非离子光脉冲的激光系统 ； (iii) 与扫描头的换能器连接的超声收发器或波束成形器 ； (iv) 用于控制系统部件和将所接收的超声数据处理到图像内的计算机 ； 以及 (v) 用于显示 图像的监视器。 0019 本发明的超声成像系统可以用来对对象的多个器官 ( 例如心脏、 肾脏、 大脑、。
20、 肝 脏、 血液等 ) 和 / 或组织成像， 或者对对象的肿瘤状况或其它疾病状况成像。对象通常是哺 乳动物， 例如人。本发明还特别适合于对小动物 ( 例如实验室鼠和 / 或实验大鼠 ) 成像。 0020 上面的发明内容非意图于介绍本发明的每个实施例或每种实现。 本发明的其它实 施例、 特征和优势将从本发明的下面具体实施方式、 从附图和从权利要求中显而易见。 应当 理解， 上述发明内容和下面的具体实施方式仅是示例性和说明性的， 不是对要求保护的本 发明的限制。 附图说明 0021 本发明可以结合附图得到更全面的理解， 附图包含在本说明书中且构成本说明书 的一部分， 并且附图连同具体实施方式用来图。
21、解本发明的几个实施例 ： 0022 图 1 是供在光声扫描头中使用的一端分叉的光纤束的侧视图 ； 0023 图 2a 和图 2b 是具有集成光纤线缆的光声扫描头的立体图 ； 0024 图 3a 是具有固定的换能器和集成的光纤束的光声扫描头的侧视图， 图 3b 是具有 固定的换能器和集成的光纤束的光声扫描头的正视图 ； 0025 图 4a 和图 4b 是光声扫描头的鼻头部的示出由扫描头产生的光场和声场的侧视 图 ； 0026 图 5 是光声扫描头的鼻头部的示出由换能器产生的声场和由光纤产生的光束的 剖面侧视图 ； 0027 图 6a、 图 6b 和图 6c 是扫描头的示出由换能器产生的声场和由光。
22、纤产生的光束的 侧视图 ( 图 6b 和图 6c 示出剖面图 ) ； 0028 图 6d、 图 6e 和图 6f 是扫描头的示出由换能器产生的声场和由光纤产生的光束的 顶部视图 ( 图 6e 和图 6f 示出剖面图 ) ； 以及 0029 图 7 是示出包括与超声收发器和激光系统连接的扫描头的光声成像系统实施例 的框图。 0030 尽管本发明可接受多种修改和可替代形式， 但是已通过附图中的示例示出本发明 的细节。 然而， 应当理解的是， 目的不是为了将本发明限制于在附图或伴随的描述中介绍的 特定实施例。相反， 目的是为了包含落入本发明的精神和范围内的所有修改、 等价和替换。 具体实施方式 00。
23、31 本发明提供包括激光光纤的光声扫描头， 激光光纤被集成于阵列式超声换能器的 外壳内， 以允许将均匀的光能量输送至由换能器产生的声成像平面。 具体地， 可以被布置在 说 明 书 CN 103209643 A 6 4/11 页 7 例如矩形束中的激光光纤与超声元件被并排嵌入换能器的外壳内。 使用透明封装环氧树脂 或其它树脂将集成的光纤束封装到外壳内， 对透明封装环氧树脂或其它树脂进行选择， 以 向将用于沿声成像平面均匀地给予精确照明的透镜作用提供充分的折射。此外， 藉由对用 于将束绑的光纤封装在换能器外壳中的环氧树脂或其它树脂的表面进行定型， 可以加入多 个照明角。这允许相对于换能器的表面以特。
24、定角度输送光。 0032 图 1 中示出根据本发明的可以集成于超声换能器外壳内的激光光纤束的示例。激 光光纤束 102 由多条光纤构成， 多条光纤已经被结合在一起， 从而形成从扫描头延伸至与 激光系统接合的连接器的光缆。 光纤束102的末端分叉成分离的光纤束104和106， 分离的 光纤束 104 和 106 形成两个发光端 108 和 110。光纤束 104 和 106 是随机选取的， 以获得均 匀的光分布， 发光端108和110被布置到矩形条内， 矩形条可以例如用环氧树脂或其它树脂 材料而被集成于换能器外壳内。 0033 在本发明的一个实施例中， 发光条 108 和 110 是关于换能器的。
25、前方而被对称地布 置。 具体地， 将单个矩形光条放置在换能器阵列元件两侧的每一侧， 使得换能器阵列元件产 生在超声换能器前方相交的光束， 从而形成与换能器的表面垂直的相交平面。可以将光纤 封装到换能器的鼻头部内， 首先将换能器的鼻头部设置在模具内， 模具被设计成在复合换 能器的鼻头 (nose) 形成较平滑的表面并形成内凹口， 内凹口将用于对准声阵列。封装可以 使用透明环氧树脂或其它树脂来完成， 使得透镜可以通过使用该模具来为环氧树脂或其它 树脂材料定型而形成在光条前方。然后， 将超声阵列对准并封装到前面在封装光纤时形成 的凹口内。这允许将光条对称地放置在声换能器两侧的每一侧且彼此紧邻， 使得。
26、光条的光 束能够沿着与声换能器垂直且包含在超声阵列的成像平面内的平面从尽可能浅的深度穿 越， 从而使光声成像能发生的空间最大化。光束穿越的区域深度以及光束汇聚的角度可以 被布置成使光声效应最优化。 0034 图 2 至图 6 示出以上面描述的方式构造的光声扫描头 101 的实施例。扫描头 101 的鼻头部 114 具有用于发射和接收超声波的阵列式超声换能器 103。扫描头 101 还包括光 纤线缆 105， 光纤线缆 105 包括多条光纤 102。在一端， 该束光纤 102 分叉成两组光纤， 这两 组光纤被形成到在阵列式换能器 103 的相对侧放置的发光条 108 和 110 内。发光条 10。
27、8 和 110 将激光引导到对象上， 以产生由阵列式换能器 103 所检测的超声波。虽然附图中将这 些组光纤示出为矩形条， 但是这些组光纤可形成任何其它适合的形状， 例如圆形、 椭圆形、 方形、 三角形等， 以产生光束。 从光纤发出的激光传播到待成像的对象的皮肤表面上的照明 区， 并且在对象的组织内产生超声波。 0035 扫描头 101 的各个部件被装入保护外壳 112 内。外壳可以由塑料或其它适合的坚 硬或半坚硬材料制成， 并且可以被定型成供手持使用。 0036 如图 2 中所示， 在光纤束 102 的中央可以布置供给超声阵列的电线 107， 使得形成 复合线 / 光纤同轴线缆 105。然后。
28、， 将后外壳 118 以应力消除的方式装在鼻头部 114 和线缆 / 连接器外面， 使得用户感受到换能器具有单根离开扫描头 101 的线缆 105。在远端， 线缆 以光连接器和电子连接器结束， 光连接器和电子连接器分别与激光产生系统和超声收发器 / 波束成形器接合。 0037 扫描头 101 的鼻头部 114 还可以包括光电传感器 116( 例如基于集成光电二极管 的监视设备)， 以捕获例如从皮肤表面反向散射的光。 通过在扫描头101的鼻头部114中整 说 明 书 CN 103209643 A 7 5/11 页 8 合监视系统， 可以将光声数据归一化， 使得实时地减轻脉冲间的激光强度变化。 还。
29、可以通过 使用光学透明的环氧树脂或聚合物树脂来将光电传感器封装到声透镜的一端或两端的位 置内， 并且光电传感器可以凹陷和 / 或倾斜， 使得光电传感器能够测量就在阵列端部处的 组织的亮度。 0038 图 2 和图 3 示出在阵列式换能器 103 的一端被封装， 且目标在观察被成像的对象 的单个光电传感器116。 可以对光条108和110进行设置， 使得它们稍稍延伸超出声透镜的 端部， 以向光电传感器提供更强照明 ( 如果需要 ) 并且保证组织表面处的光照条件密切对 应于声透镜下面的组织的光照条件。此外， 光纤线缆可以进一步分裂成例如两个较细的光 纤束， 这两个较细的光纤束将光照射到声换能器附近。
30、的区域上， 同时将光电传感器放置在 这两个光纤束中间， 使得光电传感器能够测量与发生光声效应相同的几何条件下的光场。 0039 在可替代实施例中， 光电传感器可以与扫描头分离(即位于换能器外壳外部)。 例 如， 可以将光电传感器设置为向光纤提供激光的激光系统的车组件的一部分。通过使用光 纤束将反向散射的光引导回至位于换能器外壳外部的光电传感器， 可能获得对反向散射的 光的更均匀采样， 并且可使用比能够装在换能器外壳内的光电传感器更大的光电传感器。 0040 在另一可替代实施例中， 同样地光电传感器可以与扫描头分离， 同时将光电传感 器设置为激光系统的车组件的一部分。然而， 此实施例不是使用现有。
31、的光纤束将反向散射 的光引导回至位于换能器外壳外部的光电传感器， 而是可以在现有光条内部或它们外部附 近放置专门将光引导回至光电传感器的附加光纤。 0041 图4a、 图4b和图5示出由阵列式超声换能器产生的声场或扫描平面和由扫描头的 光纤产生的光场之间的相互关系。具体地， 阵列式换能器 103 产生声场 123， 声场 123 垂直 于换能器 103 的前表面 127。已经封装或以别的方式集成于鼻头部 114 内的形成光条 108 和 110 的光纤束 104 和 106 将光束 120 照射到对象上。光纤和产生的光束可以相对于被照 明的组织以不同角度放置。 角度可以增大到向对象输送的光束彼。
32、此平行以及还与超声束平 行的程度。通常， 由光纤束 104 和 106 形成的光条 108 和 110 相对于阵列式换能器 103 的 前表面 127 形成角度， 使得由光纤束发出的光束 120 彼此相交并且与由阵列式换能器 103 产生的声场 123 相交。在某些实施例中， 集成的光声换能器的光束照亮一块组织， 该块组织 与阵列式换能器的声成像平面的矩形区一致。如图 5 中所示， 光束 120 在声高程聚焦区域 125处与声场123相交， 从而允许对该区域的光声成像。 此外， 由于光在组织内强烈散射， 所 以光声成像还可以在相交区域 125 外执行， 但是分辨率和灵敏度比在相交区域 125 。
33、内可能 稍差。 0042 如前面介绍的， 用来将光纤集成于扫描头的鼻头部内的环氧树脂或其它树脂材料 还可以被形成到对由光纤束产生的光束进行聚焦的透镜内。具体地， 如果用来对环氧树脂 或其它树脂定型的模具包含必不可少的透镜轮廓， 那么可以调整不同模具， 使得封装的环 氧树脂或其它树脂生成适用于每个光条的透镜， 这些透镜用来将来自光纤的激光聚焦到最 佳位置且用来控制光束的入射散度、 入射强度和入射角度。因此， 通过改变模具轮廓， 能够 使用相同的光纤束和声换能器产生不同的照明图案。 此外， 如果在模具内执行封装过程， 使 得光纤的最终表面与阵列式超声换能器的声透镜齐平， 那么生成的复合换能器将容易。
34、清洁 并且能够放置在尽可能靠近对象的位置。 0043 图 5 示出扫描头的实施例， 在该实施例中， 光纤束 104 和 106 的发光端 108 和 110 说 明 书 CN 103209643 A 8 6/11 页 9 前方的环氧树脂材料或其它树脂材料被形成到透镜 128 和 130 内， 透镜 128 和 130 与声透 镜 133 齐平并且将从扫描头发出的激光束 120 折射和 / 或聚焦到相对于超声成像平面最佳 的结构内。例如， 可以将透镜 128 和 130 配置成提供光束 120， 光束 120 具有与由阵列式超 声换能器 103 产生的声场 123 的焦深匹配的焦深。通过使用具有。
35、与光纤的折射率十分匹配 的折射率的光学透明的树脂， 当光束穿过光纤前方的由封装过程形成的树脂材料时， 几乎 不发生光损失。此外， 用来形成透镜的环氧树脂或树脂还可以用来将光纤固定在相对于换 能器的前表面不同的仰角处， 从而能够将光束聚焦到更宽的深度范围。这种材料还起到保 护光纤在使用过程中避免损坏的作用。 0044 在扫描头中使用的超声换能器通常是阵列式换能器或另一形式的固定换能器。 “固定” 换能器获取给定扫描平面内的超声线， 而不需要换能器沿扫描平面物理移动。更具 体地， 术语 “固定” 指换能器阵列在发射或接收超声期间不利用其方位角方向的运动来获得 其希望的工作参数或者获得超声数据帧。 。
36、此外， 如果换能器位于扫描头或其它成像探针内， 那么术语 “固定” 还可以指换能器在工作期间不相对于扫描头、 探针、 扫描头的一部分或探 针的一部分朝方位角方向或纵向方向运动。 “固定” 换能器可以在超声帧的获取之间运动， 例如换能器可以在获取超声数据帧以后在扫描平面之间运动， 但是这样的运动对于换能器 的工作而言是不需要的。然而， 本领域的技术人员将理解，“固定” 换能器可以相对于被成 像的对象运动， 同时仍关于工作参数保持固定。 例如， 换能器可以在工作期间相对于对象运 动， 以改变扫描平面的位置或获得对象或对象下面的解剖结构的不同视图。 0045 阵列式换能器的示例包括但不限于线性阵列换。
37、能器、 相控阵列换能器、 二维 (2-D) 阵列换能器或曲线阵列换能器。线性阵列通常是平的， 即所有元件位于相同的 ( 平 ) 面内。 通常对曲线线性阵列进行配置， 使得元件位于弯曲的平面内。 0046 换能器通常包括一个或多个压电元件或者一排压电元件， 一个或多个压电元件或 一排压电元件可以使用可变脉冲和延迟机制以电子方式导引。能够与本发明的光声系统 一起使用的适合的超声系统和换能器包括但不限于在下列专利 / 专利申请中描述的那些 系统 ： 2007 年 6 月 12 日颁发的美国专利 No.7,230,368(Lukacs 等人 )， 2005 年 12 月 8 日 公布的公开号为 US2。
38、005/0272183 的美国专利申请 (Lukacs 等人 )， 2004 年 6 月 24 日公 布的公开号为 2004/0122319 的美国专利申请 (Mehi 等人 )， 2007 年 9 月 6 日公布的公开 号为 2007/0205698 的美国专利申请 (Chaggares 等人 )， 2007 年 9 月 6 日公布的公开号 为 2007/0205697 的美国专利申请 (Chaggares 等人 )， 2007 年 10 月 11 日公布的公开号 为 2007/0239001 的美国专利申请 (Mehi 等人 )， 以及 2004 年 11 月 25 日公布的公开号为 20。
39、04/0236219 的美国专利申请 (Liu 等人 )， 它们中的每个通过引用全部并入本发明。 0047 本发明的扫描头可以包括手柄或者可以以别的方式适合于手持使用， 或者可以安 装到导轨系统、 马达或类似的位置调整设备上。 扫描头线缆通常是柔性的， 以允许换能器容 易运动和位置调整。 0048 本发明的扫描头可以并入光声成像系统 ( 例如图 7 中示出的光声成像系统 ) 内， 以产生对象的光声图像。例如， 扫描头 101 的光纤可以与产生非离子激光脉冲的激光系 统 142( 例如来自 OPOTEK( 美国加利福尼亚 ) 的彩虹 NIR 集成可调激光系统 (Rainbow NIR Integ。
40、rated Tunable Laser System) 连接。产生激光的系统与扫描头 101 中的光纤一起 将激光脉冲引导到对象 140 上， 这导致电磁辐射的吸收， 从而在对象 140 的组织和 / 或器官 说 明 书 CN 103209643 A 9 7/11 页 10 中产生超声能量。激光产生系统还可以包含用于对激光输出源处的激光能量和 / 或来自从 光声扫描头返回的通过光纤的光的激光能量进行监视的模块。扫描头 101 中的换能器经由 导线与超声收发器或波束成形器 144 连接， 检测由激光产生的超声波， 并且将该数据发射 至中央处理单元 ( 例如计算机 )146， 中央处理单元 146。
41、 使用软件来建立对象中感兴趣区域 的二维图像和三维图像， 这些二维图像和三维图像被显示在监视器 148 上。 0049 激光光纤集成于超声换能器内允许使用同一设备进行超声成像和光声成像。 当获 得光声图像时， 超声换能器主要作为检测器使用， 但是如果用户想要在纯超声模式下操作 设备， 那么换能器可以用来发送和接收超声。因此， 在一些实现中， 该系统能够起到光声成 像系统以及超声成像系统的作用。 0050 光声图像可以由多个脉冲获取事件形成。使用一系列单独的脉冲获取事件 ( 被称 为 “A 扫描” 或超声 “线” ) 扫描所期望的成像区内的区域。每个脉冲获取事件需要最少量 的时间来使从光纤中传输。
42、的电磁能量脉冲在对象中产生超声波， 然后该超声波传播至换能 器。通过用足够多的 A 扫描线覆盖所期望的图像区来提供能够显示的对象解剖结构的足够 细节， 产生图像。 获取的线的数量和顺序可以由超声系统控制， 超声系统还将所获取的原始 数据转换成图像。通过在被称为 “波束成形 (beamforming)” 的过程中使用硬件电子器件和 软件指令的结合， 可以将单独的 A 扫描组合在一起来形成图像数据。通过 “扫描转换” 或图 像构造的过程， 显示所获得的经波束成形的光声图像数据， 使得观看显示屏的用户能够观 看被成像的对象。 0051 在本发明的一个实现中， 使用接收波束成形的方法获得超声信号， 使。
43、得所接收的 信号沿超声线动态聚焦。对光纤进行布置， 使得扫描平面内的每条超声线接收同样水平的 激光脉冲强度。获取一系列连续的超声线来形成帧。例如， 可以获取 256 条超声线， 每条线 的事件顺序是在发射激光脉冲以后获取超声信号。 0052 基 于 线 的 图 像 重 构 方 法 记 载 在 2006 年 5 月 30 日 颁 布 的 标 题 为 “System forProducing an Ultrasound Image Using Line Based Image Reconstruction( 用于使 用基于线的图像重构产生超声图像的系统 )” 的美国专利 No.7,052,460 。
44、以及 2004 年 11 月 25 日公布的公开号为 2004/0236219 的美国专利申请 (Liu 等人 ) 中， 它们中的每个通过引 用全部并入本发明并且构成本发明的一部分。当希望得到高的帧获取率时， 例如当对快速 跳动的老鼠心脏进行成像时， 可以采用这种基于线的成像方法来产生图像。 0053 在本发明的另一实现中， 通过在单独的阵列式换能器的元件上同时获取 A 扫描以 及然后追溯性地执行波束成形 ( 通常在软件中 )， 用较少的激光脉冲以更快的方式获取超 声信号。由于来自发光条的光在光声扫描头的有效区上的均匀分布， 所以仅需要单个激光 脉冲来照亮图像平面的区域。 因此， 不是为每条图。
45、像线发射激光脉冲， 而是可以使用单个激 光脉冲来激发组织， 并且可以在阵列式换能器的单独的元件上获取被返回的超声波。根据 超声系统上可用的通道数量， 可能需要不止一个激光脉冲来覆盖阵列式换能器的全部有效 区。例如， 在本发明的一个实施例中， 超声系统包含 64 个通道， 这 64 个通道被复用给 256 个超声阵列元件。在这种情况下， 使用四个激光脉冲来采集全部 256 个有效元件上的 A 扫 描。然而， 通过追溯性的波束成形， 可以通过采用超过系统上的 64 个通道限制的多组 A 扫 描 ( 也称为 “孔径” ) 来形成图像线。可以使用多达 256 个元件来形成孔径， 孔径会被波束 成形为单。
46、条线， 然而重复该过程以获得下一图像线。 实际上， 大多数激光具有十分低的脉冲 说 明 书 CN 103209643 A 10 8/11 页 11 重复率 (10-20Hz)， 因此使用这种追溯性的波束成形过程十分有利于提高光声成像帧率。 0054 对于 3D 图像获取而言， 可以使用马达来直线移动具有集成光纤束的超声换能器， 以采集被隔离预限定步长的一系列帧。马达的运动范围和步长可以由用户设置和 / 或调 整。通常， 步长是从大约 10m 到大约 250m。 0055 马达通常沿垂直于扫描平面延伸的平面移动超声换能器。然后， 使用标准 3D 可视 化工具将这些 2D 图像堆叠和可视化为体积。。
47、用于 3D 光声图像获取的方法更详细地记载在 2009 年 5 月 1 日提交的 U.S.S.N.61/174,571 中， 通过该引用并入本发明。 0056 除了具有超声换能器和集成激光光纤的扫描头以外， 根据本发明的光声系统通常 包括下列部件中的一个或多个部件 ： 可以由一种或多种信号和图像处理能力组成的可操作 与其它部件连接的处理系统， 数字波束成形器 ( 接收和 / 或发射 ) 子系统， 模拟前端电子器 件， 数字波束成形器控制器子系统， 高电压子系统， 计算机模块， 供电模块， 用户界面， 管理 波束成形器和/或激光器的软件， 将所接收的数据处理成二维图像和/或三维图像的软件， 扫描。
48、转换器， 监视器或显示设备， 以及本发明中描述的其它系统特征。 0057 图 7 中的框图示出根据本发明的光声成像系统的部件的典型设置。该系统包括扫 描头101， 扫描头101包含阵列式换能器和用于将由激光系统142产生的激光引导到待成像 的对象 140 上的集成光纤。超声收发器 / 波束成形器 144 与扫描头 101 中的阵列式换能器 的有效孔径的元件连接， 并且用来确定阵列式换能器的孔径。 0058 在发射期间， 从扫描头 101 的光纤发出的激光穿透对象 140 并且产生来自于对象 140 的组织内的超声信号。超声信号由扫描头 101 中的阵列式换能器的有效孔径的元件接 收， 并且被转。
49、换成从有效孔径的每个元件发出的模拟电信号。电信号在超声收发器 / 波束 成形器 144 中被采样， 以将其从模拟信号转换成数字信号。在一些实施例中， 扫描头中的阵 列式换能器还具有接收孔径， 接收孔径由波束成形器控制确定， 波束成形器控制告诉接收 波束成形器在有效孔径中包括阵列的哪些元件以及使用什么延迟分布。 接收波束成形器可 以使用至少一种现场可编程门阵列 (FPGA) 设备实现。光声成像系统还可以包括发射波束 成形器， 发射波束成形器也可以使用至少一种 FPGA 设备实现。在另一实施例中， 在阵列的 元件上接收的光声信号可以用较少的激光脉冲通过在软件中追溯性地对该信号进行波束 成形来产生。 0059 中央处理单元 ( 例如计算机 146) 具有控制软件， 控制软件管理包括激光系统 142 在内的系统部件。计算机 146 还具有用于处理所接收的数据 ( 例如使用三维可视化软件 108) 来根据所接收的超声信号产生图像的软件。然后在监视器 148 上显示图像， 以供用户 观看。 0060 计算机 146 的部件可以包括但不限于 ：。