TW200804794A - Photoacoustic imaging method - Google Patents
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Description
200804794 九、發明說明： 個或多個光聲原點之樣品之 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於具 光聲分析成像方法。 【先前技術】 在過去的二十年中
已將諸如射線成像、磁共振成肩 (贿）、超聲波、正（電）子發射斷層掃描(ρετ)、光學相1 ，層掃描（〇CT)、彈性及漫反射、光聲技術、螢光、拉漫 放射等等各種無創性診斷技術用於診斷體内的惡性腫瘤。 相依於用於區分正常組織與腫瘤組織之方法，可將該料 同技術分為基於形態之分析或基於化學之分析。 基於形態之方法（例如χ·射線、⑽、及超聲波）基於癌 組織與非癌ΙΕ織請㈣度絲或基於其含水量來區分正 常組織與腫瘤組織。由於該等技術基於組織名度來區分紐 、我口而在某些情況下，該等技術無法準讀地區分密度正 兩之組織與腫瘤組織。 另一方面，基於化學之技術（即螢光光譜法等）藉由量測 化學成分（例如，血紅蛋白含量及氧濃度等）之差別來區分 正常及腫瘤組織。為實施該等分析，通常需要紫外光或藍 光（300 nm-450 nm)來激發組織，此乃因該等波長具有充足 之能量激發所詢問之各種化學物質。然而，由於與其用途 相關馬P之缺點，螢光光譜法應用於腫瘤診斷、受到了極大限 制’該等缺點包括與光穿透深度相關聯之信號低、分辨率 差、使用PMT、背景信號、濾除光及需要一暗箱條件。 118166.doc 200804794 一生物組織之光聲x線斷層攝影術係基於一組織結構吸 收光子牯.所發生之光聲效應。吸收後，光子能轉換成熱 能，而熱能又造成局部熱膨脹。該膨脹產生一表示組織之 吸收、（構之熱彈性屋力瞬變（衝擊波）。光聲波可藉由—個 或多個接m傳“η則貞測並用於構造吸收結構之影 像。由於不同之生物組織光吸收熱彈性及乃至吸收體積大 小之差別’其具有不同之光聲回應。舉例而言，出版於 2〇05年3月31日之美國專利中請案第2嶋〇7_3號及出版 於·5年Μ 6日之第_5_4458號揭* 了光聲成像。 ’、、、而j等技術仍存在問題4體就使用光聲技術來成 像-實際生物目標而言’一光子吸收結構通常非常複雜， ^报難重構—光聲影像。第―，由不同屬性之生物組織 二Α .源了此共存。第二，光聲波在到達傳感 裔刖可能經歷多個沿石η狄，> 夕1不同路徑之回彈。第三，該多個源與 :K間的干擾可能以一非常複雜之方式使原始信號失 '。對於—般臨床診斷，光聲成像較佳地以-反射模式運 :下其I先：及傳感器兩者位於一目標之同側。在這種情 糟糕。u射光路技之更強擾動’干擾問題變得更加 【發明内容】 =本發明’藉由將波束成形應用於根據 -r二來實現一光聲影像之構造。於-個 二:二=光譜分佈分析來自每-傳感器之信號並基 ft㈣將其切成㈣缺㈣。根 II8I66.doc 200804794 回應之相似性將其分成若:干組。藉由將波束成形演算法雇 用於相同組中之回應來定位並表徵一光子吸收(或光聲 ”占藉由、濃口個別光聲原點來重構整個光子吸收結構。為 方便成分分析和分類，可採用生物組織之光聲回應之i (根據吸收係數、幾何尺寸及熱彈性）分級法。 本i月之目；^.係提供—用於對—具有—個或多個光聲 原點之樣品貫施光譜成傻 曰取像之方法，其包括：於樣品中產生 光子激發；偵測由激發所吝& 知所產生之光聲回應；將回應分成若 干具有相似光譜分佈之組、將波束成形演算法應用於相同 財之回應以^位及表徵每—光聲原點、及藉由組合個別 光聲原點來形成一·先譜影像。 另一目標係提供一方法，盆 ，、中忒產生步驟包括藉助一預 確定波長範圍内之脈衝雷射光照射該樣品。 另一目標係提供一方法，盆 其中该偵測步騾包括使用一個 或多個傳感H偵測激發所產生之光聲賴。 另一目標係提供一方法，盆一 /、進一步包括針對光譜分佈分 祈自母一傳感器所接收 ^^ v m虎之及基於其光譜分佈將該等 ^就分解成個別光聲回應。 另一目標係提供一方法，盆 /、T a樣印係一生物組織。 另一目標係提供一方法，盆中夯签 斗ι 八 未原點係一腫瘤、血管 或囊腫。 & 【實施方式】 近年來，在發展用於組織中之血人 及s血結構（例如腫 瘤）之無創性成像新技術方面顯示了 /乏的興趣。目的係 118166.doc 200804794
仃早或债測藉助現有技術無法㈣之初癌，此 、曰乂之血供及毛細血管生長發生於所有上皮癌之早期。 光聲技術係一基於藉由經調變或脈衝之光照射產生聲波 ，技術。經脈衝之照射較經調變之照射具有更高之聲產生 效率。於脈衝光聲中，—短雷射脈衝加熱組織内之吸收 體’造成—溫度與所積殿之能量成比例上升。光脈衝非常 短以致吸收體發生絕熱升溫，導致一突然之壓力上升。所 產生之壓力波(聲波)將穿透組織傳播並可在組織表面偵測 :。“匕’該壓力波需到達組織表面(偵測器位置)，可確 定光聲源之位置。可使用壓電或光學干擾方法實施 之偵測。 可利用組織成分（即光聲原點）與組織（即樣品）本身之間 的吸收差別來揭示有關該等成分之資訊。組織中之一已知 吸收體係灰液（血紅蛋白），其能夠^位並監控組織（脈管、 腫瘤）中之血液浪度。除使用血液作為吸收體外，亦可使 用諸如葡萄糖等其他組織載色體。 各種純光學診斷技術係基於組織内之光散射。在諸如真 皮組織等高散射介質巾，散射係數不僅決定穿収度，且 亦限制該技術可達狀分_。對於光聲信狀產生，幅 值僅相依於局部通量。與由散射所造成之光子之先前的光 =路無關。出於該原因’空間分辨率並不受組織散射影 音’且其已表明光聲技術係一使組織樣介質中之吸收結構 可視化之有岫途的技術。（參&SPIE_國際光學工程學會學 報-2004-SPIE-Int. Soc. Opt. Eng-USA，CONF-Photon Plus 118166.doc 200804794
Ultrasound · Imaging and Sensing， 2004 年 1 月 25 - 26-San Jose? CA? USA? AU-Kolkman R G M; Huisjes A; Sipahta R I; Steenbergen W; van Leeiiwen T G5 AUAF-Fac. of Sci. & TechnoL, Twenty Univ.5 Enschede; Netherlands, IRN-ISSN 0277-786X，VOL-5320, NR-1 PG-16-20 〇 )
所提議發明係關於一於一複雜環境中定位、識.別及表徵 一光聲源之方法。該方法藉由光譜分析及濾波使個別聲回 應（即，聲原點）與干擾分離，並藉由將波束成形應用於所 分解之聲回應上來定位主聲源。一組織之光子吸收結構可 由主源參數構成。 貝枭上，波束成开> 係藉由分析一批監測器所接收之相依 於時間之信號來定位一信號源。假定信號傳輸速度在各個 方向上相同，則該速度乘以每一偵測器接收信號之共甩時 間決定了自信號源至相應偵測器之距離。原理上，三個處 於不同位置之偵測器足以定位該源位置。 數學上’波束成形之任務係找出三個具已知起點坐 (於此情況下為价測器位置）之向量之結合點的坐標及每 向量之長度（於此情況下為距離）。藉由採用波束成形 術’很容易於一同質介質令定位一點源位置。 ^根據所量測之rf波形重構—光聲影像，可使用改進 演异法’例如延遲相加波束成形及傅立葉波束 演算法(特別是延遲相加法)在診斷超聲波中為: 廣==進係必須的，此乃因於光聲技術 ^如同在診斷超聲波中-樣係根據實際上源自割 118166.doc -10, 200804794 組織體積而非源自一些窄薄片之信號。 延遲相加光聲波束成形器（無光譜濾波）之一通式可表達 為： s(t, X) = Σ (i, x)pt (t -1, (x)) (elements)
其中，仏勾係相關組織截面中之一點，A⑺係每通道RF 信號，6W係施加在每一通道上之時間延遲，實施接 收孔徑切趾法及時間增益補償兩者，及冲为表示重構影像 中之一個取樣點。 在參考資料（Κ· P· Kostli，D· Frauchiger，J. J· Niederhauser，G. Paltauf，Η. Ρ· Weber，及 M. Frenz， "Optoacoustic imaging using a three-dimensional reconstruction algorithm"，IEEE J. Sel.量子電子主題， vol. 7? no. 6, pp. 918-923, Nov.-Dec. 2001.) A (K. P, Kostli and P. C. Beard，"Two-dimensional photoacoustic imaging by use of fourier-transform image reconstruction and a detector with an anisotropic response” Appl· Opt·，vol· 42, no· 10，pp. 1899-1908，2003·)中說明瞭一傅立葉波束成形 演算法。 於所提議之方法中，應將一合適之濾波演算法應用於波 形凡⑺，分類並分組經改變之波形（其中，m係組編 號）。因而，上文所述波束成形演算法係用於而非 A(0。該濾波可係諸如帶通濾波、小波濾波或基於某些其 他分離角色。 根據本發明，藉由將波束成形應用於根據其光譜分佈進 118166.doc -11 - 200804794 行分類之時間分辨光聲信號來構造一光聲影像。於一個舉 例說明態樣中，分析每一傳感器之信號之光譜分佈並基於 其光譜分佈將其分解成個別光聲回應。然後，根據其相似 性將該等回效分組。藉由將波束成形演算法應用於相同組 ’ 中之回應來定位並表徵一光子吸收原點。藉由組合個別光 聲原點來重構整個光子吸收結構。為方便成分分析及分 類’可採用生物組織之光聲回應之一(根據吸收係數、幾 JI 何尺寸及熱彈性）分級法。下文之實例1及2根據本發明藉 助方塊调圖解說明如何重構或形成一光聲影像。 貫例1 :藉由將波束成形演算法應用於所分解之光聲回 應來重構一光聲影像。圖1顯示本發明之第一實例之方塊 圖。 實例2 :藉由將波束成形演算法應用於經渡波之光聲回 應來重構一由原始聲源表示之光子吸收影像。圖2顯示本 發明之第二實例之方塊圖。 # 於生物組織之光聲成像中，所偵測之聲信號之特性通常 與所成像之對象之物理屬性有關。 該生物體之一典型貫例將係一血管或一囊腫。其大小可 — 明顯不同，且其定位方式使得很難單獨對其進行偵測。由 * 於光聲信號之光譜特性隨一光聲源之大小而變化之事實， 因而可使用光譜濾波將通常無法分開之多個光聲源分開。 下文中之實例3提供一光譜濾波實例。 實例3 :在試驗中使用了兩個吉僻 因直徑為〜0.5 mm及〜3 mm之 充滿墨水之管。使用來自一1 〇 a舌、…太念 .^
Hz重铍速度、脈衝Nd:YAG 118166.doc • 12‘ 200804794 雷射（脈衝持續時間5 ns)之532 nm光照射浸入水中之每一 管子。來自.每―管子之光聲信號由—225 mhz傳感器單獨 記錄。稍後合併兩個管子之該等單獨記錄之先聲影像以模 擬兩個不同大小之近距對象之影像。 咬圖3顯示兩個管及其光譜内容之複合影像。該影像表示 耳『£線，其被一起放.置於一校準之rf資料圖中，其中以接 收傳感器位置作為資料圖之橫軸及飛行時間作為g輛。該 rf貧料序列圖稍後將用於一波束成形演算法中以生成光聲 對象之-影像。此處僅限於說明事實上職束成形之咐 料圖頻率分佈圖中存在極少來自高頻之組分。此乃因所 量測之信號帶寬受傳感器之帶寬及獲取過程限制，傳感器 及獲取過程-起用作—帶通/低通據波器 '即便如此，可 用頻率分佈足以朗吾人使用光譜K分辨不同大小之空 間重疊對象之目的。 如圖4(右）及圖5(右）中所示，帶通濾波器被分別應用於 經合併資料圖（圖3)。結果分別顯示在圖4(左）及圖 5(左）中。每一次濾波強化該等對象中之一者並抑制另一 此乃因兩個對象具有不同之光譜含量。基於其光譜含 量分辨對^係與光聲相關，且不能用於標準脈衝回波成像 中。.應注意，該實例巾則之帶通錢㈣出於說明之目 的η可使用具有-波形而非閘函數之濾波器來使濾波特異 性，佳化。舉例而言，若—具體特徵之光譜分佈已知，則 符〇 »亥4彳政之分饰波形之濾波器可應用於原始資料。 與圖6中之原始資料圖相.比，既定實例（圖*及圖5)中之 HS166.doc -13· 200804794 SNR (即信噪比)較低。為增加SNR，將需要具寬帶寬及更 準確濾波之傳感器及資料獲取。 本發明將簡化識別不同光聲源（即，光聲原點）之過程並 顯著改良一生物組織（即樣品）之光子吸收結構之影像^構 的品質。本發明之實施將允許將一臨床光聲成像裝置用於 複雜生物組織之體内診斷，例如一腫瘤偵測及治療監視。、 雖然係關於本發明之具體實施例來說明本發明，1熟悉 =項，術者應瞭解，可在不背離本發明之精神及範费=二 提下實施諸多更改、增加、及/或變更。因此，很明顯: 本毛明僅又申請專利範圍及其等效内容之限制。 【圖式簡單說明】 芩考上述實施例並參考圖式更詳細地說明瞭本發明之嗜 等及其他態樣。 " 以 圖1係重構—生物組織之光子吸收結構之方塊圖。出於 圖解成明之目的，僅緣示出三個傳感器，時間分辨分解信 :虎成分僅象徵性地顯示在傳感器1之輸出盒中。可使用一 光聲回應模式資料庫來分解信號。 圖2係重構一生物組織之光子吸收結構及環境結構兩者 :方塊圖。出於圖解說明之目的，僅繪示出三個傳感器， 八:辨分解信號成分僅象徵性地顯示在傳感器！之輸出 圖3係兩個近距管（直徑狀认3麵）之（左）複合影像。 (右）影像之時域傅立葉變換（顯示所示高達以廳）。 圖4得盾仏 牙、原始、未經濾波影像及所用濾波器之（右）光譜分 Π8166(!〇ς -14· 200804794 佈。（左）應用帶通濾波器後之影像。 圖5係原始、未經濾波影像及所用濾波器之（右）光譜分 佈。（左）應用帶通濾波器後之影像。 圖6顯示原始的校準rf資料圖。
118166.doc -15-
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- 200804794 十、申請專利範圍： 1 · 一種用於對一具有一個或多個光聲原點之樣品實施光譜 成像之方法，其包括： 在遠樣品中產生光子激發； 偵測該激發所產生之光聲回應； 將該等回應分成若干具有相似光譜分佈之組； 將一波束成形演算法應用於相同組中之該等回應以定 位並表徵每一光聲原點；及藉由組合該等個別光聲原點.來形成一光譜影像。 2.如請求们之方法’其中該產生步驟包括藉助_自約⑽ nm至12〇〇 nm之預定波長範 品。 图門之脈衝雷射光照射樣 其中該偵測步驟4 ^ J /驟包括使用一個或 3·如請求項1之方法 個傳感器偵測該由該激發所產生之光聲座 4.如請求項3之方法，其進一步包括對:二° 每-傳感器所接收之信號並基於罝光，分佈分析 分解成個別光聲回應。 ^佈將該等信 5·如明求項！之方法，其中該樣品係一生 6.如請求項^^ 、、且織。 囊腫。 原點係-腫瘤、血管 118I66.doc
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