利用多功能聲透鏡的光聲成像的製作方法

2023-05-04 13:09:11 10

專利名稱：利用多功能聲透鏡的光聲成像的製作方法
技術領域：
本發明涉及光聲成像，更具體地，涉及利用多元件聲透鏡的這樣的成像。
背景技術：
前列腺癌是最常見的新診斷的男性惡性腫瘤，在引起癌症相關死亡方面僅次於肺癌。前列腺腺癌是西方世界中最常見的惡性腫瘤。2007年在美國確診預計218，890名前列腺癌新病例，其中，估計27，050人死亡。隨著男人年齡的增大，患前列腺癌的風險增大。已經在大約30%的六十歲的男人的屍檢標本中偶然地發現前列腺癌。70%至80%的具有前列腺癌的病人在65歲以上。通常基於升高的前列腺特異抗原(PSA)測試或反常的直腸指檢(DRE)，或基於用於確診的前列腺直腸超聲(TRUQ活體檢查，懷疑臨床局部疾病。然而， TRUS不足夠可靠以單獨地用作用於活體檢查的樣板。有在TRUS上不可見的(等回聲的) 癌。此外，在PSA篩查人口中，TRUS的準確性由於遇到的假陽性結果而僅為52%。與良性前列腺組織相比，增加的腫瘤血管(血管新生)已顯微顯示在前列腺癌中。可能由於受限制的解析度和較小的流速，已不顯示彩色和能量都卜勒超聲的功效。具有許多變型的彈性成像是當前正在廣泛研究的新的模型。顯而易見的是，考慮到本診斷醫療方案的局限性，改進前列腺癌的可視化並提高活體檢查量的新成像模型的開發是有利的。此外，通過使其更加經濟，我們可將其置於主治醫生的手中，在此，新成像模型將作為PSA、DRE以及TRUS的附屬物而滿足其主要目的。對腫瘤可視化的需要在局部前列腺癌疾病的治療中是同樣重要的。現有的治療策略，即，體外放療、前列腺近距離治療、冷凍手術以及觀察等待，都將顯著地受益於保證更好的腫瘤對比的新的模型的開發。因此，儘管最近有進展，但是前列腺癌繼續是需要進步的領域。除PSA水平和DRE之外，前列腺癌的適當成像是用於診斷前列腺癌和其分期的重要組成部分。用於診斷前列腺癌的前列腺成像的當前狀態包括超聲波、超聲引導的前列腺活檢、磁共振成像(MRI)以及核顯像。這些模式是有用的，但是具有缺點和局限性。MRI是昂貴的並且是不可移動的。核閃爍是昂貴的，提供低解析度的平面成像，並且存在通過腎的示蹤劑排出的問題。這些模式並非一般用途均可使用。超聲波不足夠可靠以單獨地用作用於診斷前列腺癌的樣板。其具有兩個問題。首先，在許多情況下，前列腺癌看上去像是引起高缺失率的等回聲病變(與周圍組織的灰度值相似的灰度值)。其次，當其可見(高回聲或低回聲的)時，因為許多其它的非癌症狀態，比如前列腺萎縮、前列腺炎症以及良性腫瘤，在超聲檢查時在外觀上看起來也是相似的，因此，不能夠確定地說其是否是癌或良性腫瘤。必須在懷疑的病變上執行活檢用於確診。活檢是不舒服的，並且流血可能作為併發症。由於較差的病變檢測，因此甚至當前前列腺活檢技術漏掉大約30%的前列腺癌。已經探索與灰度超聲結合的彩色血流和能量都卜勒超聲的使用，但是不成功。因此，迫切需要新成像方法，該新成像方法是可便攜的，製造經濟，並且將作為用於前列腺癌的主要篩查和診斷工具而具有廣泛的應用。

發明內容
因此，本發明的目的是滿足該需要。為了實現以上和其它目的，本發明涉及聲透鏡/變焦聲透鏡或聲透鏡和聲反射鏡的組合的實施。本發明滿足對提高醫療光聲成像中的信噪比(S/N)的需要；但是，優選實施方式將針對前列腺成像。為了利用由多模光纖傳輸以產生光聲脈衝的脈衝雷射光激勵來成像體內的各種軟組織，然後以聲檢測器陣列使產生的光聲脈衝成像，本發明的至少一些實施方式實現一種可在液體環境中操作的、可變焦距和放大率的特殊聲透鏡，該特殊聲透鏡像差校正到足以獲得具有橫向解析度以及深度解析度的高解析度成像的程度。


以下參照附圖闡明本發明的優選實施方式，在附圖中圖IA是示出利用聲透鏡和反射鏡的、用於前列腺的光聲成像的探針的示意圖；圖IB是示出利用聲透鏡而沒有反射鏡的、用於前列腺的光聲成像的探針的示意圖；圖2示出單個雙凹聲聚焦透鏡；圖3示出具有凸元件和凹元件的多元件聲透鏡；以及圖4示出具有連續變化的放大率的多元件聲透鏡。
具體實施例方式將參照附圖詳細地闡明本發明的優選實施方式，其中，相同的附圖標記在全文中指的是相同的元件。第一優選實施方式通過直腸探針提供前列腺成像。圖IA示出以探針100A成像前列腺的實施例，探針100A的外殼102設計成放置到直腸中。探針100A包括幾個元件。多模光纖104傳輸500至1500nm波長的波長範圍內的、十納秒持續時間範圍內的一定能量的雷射脈衝。光纖將雷射能量傳輸到聲光窗口 106，雷射能量通過聲光窗口 106傳到直腸壁 R，在此其照亮前列腺P的一部分。光纖具有一定的數值孔徑並且以一定角度的光錐C照亮前列腺。通常，NA = 0.25的光纖將照亮25度圓錐的範圍。外殼102通常被密封並填充適當的流體。雷射波長選擇為以便優選地吸收在病變L中，病變L可包含增強密度的血管。在這種情況下，光吸收主要通過血紅蛋白/還原血紅蛋白，並且優選SOOnm範圍內的波長。關心的病變還可通過利用目標探針分子而具有增強的紅外吸收，上述目標探針分子僅附著在
5關心的病變或區域上並提供增強的紅外輻射吸收。病變中的增強的吸收產生增強生成的光聲脈衝I，光聲脈衝I向四面八方輻射出前列腺。該聲輻射的一定部分穿透直腸壁R，穿過聲光窗口 106，在反射鏡108上反射，並被引導到特別設計的聲透鏡110中。接著，聲透鏡 110使光聲信號直接成像到包含聲檢測器陣列112的圖像平面上。聲檢測器陣列112包含 NXM個元件(其中，在設計探針期間選擇N和M以給出需要的成像解析度)，NXM個元件還提供時間分辨輸出，以使時域信息可用於深度相關圖像處理。圖IA中示出的聲反射鏡108可由某些金屬製成，比如銅或鶴，或者可由薄膜製成， 比如安裝成以便包括膜後面的較薄空隙的聚酯薄膜。原則上，該反射鏡還可是曲面的，使其成為反折射成像系統的部分。圖IB示出了可選擇的構造100B，其中，不使用聲反射鏡。在這種情況下，透鏡114 和檢測器成像系統112的光軸垂直於探針的軸線，需要更加緊湊地實現透鏡114。兩種構造都包括窗口 106，窗口 106對於雷射以及聲信號需要是透射的。這在機械上也應當是堅固的。薄的藍寶石板是這種窗口材料的實施例。現在將描述透鏡110或114的設計。聲透鏡的功能在有些方面與光學透鏡是相似的。在光學系統中，當透鏡、光源以及圖像解析度元件的尺寸遠大於光波長時，幾何光學出於透鏡和光學系統設計的目的而提供較好的近似。就聲學而言，考慮範圍內的對於突起的關心的波長在0.2至5mm範圍內。可在射線模型中描述聲能，與折射的斯涅爾定律相似的規則適用於在不相似材料之間的交界面處彎曲的射線。就聲學而言，這種射線彎曲由對於各種材料可完全不同的材料特性的差異控制，比如聲速、阻抗等等。圖2示出了單個元件200的簡單例子。當透鏡材料具有比周圍介質的聲速更高的聲速時，雙凹透鏡提供聚焦作用以將來自聲源S的聲波聚焦到檢測器202上。就通過直腸通道的前列腺病變成像的本實施例而言，嚴重限制了成像條件。探針的外徑必須不大於30mm，從前列腺壁到檢測器陣列的總距離將在4-7cm範圍內。本發明的優選實施方式將包括可變放大率「變焦透鏡」功能，以便能夠首先執行廣角掃描，如果看到關心的更小的區域，可調節到更高的放大率，以便提供這些區域中的增強水平的細節。另外，就聲透鏡能夠以最高解析度成像所關心的小區域的聲發射而言，該最高解析度可能具有完美的成像，即，僅受輻射本身的衍射效應限制，希望獲得聲學衍射極限操作。這意味著這種聲透鏡將必須設計和構造成提供衍射極限聲成像。所有透鏡系統均經受一定水平的像差，比如球面像差、色差、像散、彗形像差以及場曲，所有這些均需校正，以便提供衍射極限成像性能。此外，透鏡元件應展示所關心波長範圍內的高透射性，並應校正用於元件表面上的過度反射。在光學領域，高透明度不難實現，防反射塗層可應用於表面上。在聲學領域，必須注意交界面的聲學阻抗匹配，以避免過度損失，與光學領域相比，材料損耗更是問題。希望為高性能多功能聲透鏡的設計提供新的材料選擇。為了同時滿足性能中的像差校正、光強透光率、成像質量以及柔性的要求，希望構造更複雜的聲透鏡。圖3示出多元件透鏡300的示意圖。其包括各種折射裝置302，一些折射裝置具有正向(聚焦)能力，一些折射裝置具有負向(散焦)能力。執行這樣一個複雜透鏡系統的完整聲學設計以便優化所有相關像差和優化性能是必要的。就前列腺成像而言，最大透鏡孔徑為大約25mm，從聲源到檢測器的總距離在 4-7cm範圍內；因此，透鏡幾乎在f/Ι構造處操作。能力的範圍受可用的聲學材料的限制。 就多元件光透鏡設計而言，使用顯示一系列色散和折射特徵的一系列玻璃以便優化透鏡系統性能是標準技術。建議使用水凝膠材料作為聲透鏡元件。該材料由不同的單體材料的集合組成，不同的單體材料以確定比例混合在一起並聚合以產生聚合物，當上述聚合物浸沒在水中時吸收幾個百分點到高達80%範圍內的預定比例的水。相應地，這些材料的物理性質與水的比例相稱。大範圍的這種水凝膠是可用的，包括矽基材料和非矽基材料。矽樹脂被廣泛用作用於聲透鏡的材料，摻雜納米晶體材料的矽樹脂已示出展示了低聲速和低聲學衰減。對於聲透鏡設計的重要且相關的參數為聲速、聲阻抗、衰減以及品質因數。因為在一個極限(接近0%的水)中，這種材料將顯示與熟悉的矽樹脂材料相似的聲學性質，而在相反的極限 (80%的水)中，水凝膠將顯示與水的聲學性質更接近的聲學性質，因此，水凝膠材料系統對多元件聲透鏡設計是有利的。因此，我們期望，在可用水凝膠的範圍內幾乎線性地縮放所有相關的聲學材料參數，並期望這些能夠用於製造在如圖3所示的多元件聲透鏡中採用的一系列元件。測量各種配方的水凝膠的相關聲學參數以便確定可用選擇的範圍是必要的。如前所述，希望在醫療聲學成像中獲得與常規攝影中已知的「變焦透鏡」相同的性能。這種透鏡可在焦距或放大率的連續可變範圍上提供成像。這種功能可通過結合可動元件的多元件聲透鏡的特定設計獲得，如通常結合可動元件的光學變焦透鏡。圖4示出了這一概念。在圖4的多元件聲透鏡400中，聲透鏡元件408的幾個組402、404、406布置成在致動器410的控制下以規定的動作移動，以便連續地改變圖像的放大率，而同時保持像差的優化控制。在這種透鏡系統中，透鏡的特定組，比如組402、組404和組406，布置成響應於外部控制而提供動作，使得總放大率連續地變化，同時保持優化的性能。這給予系統操作者看到宏觀特徵的能力以及「放大」以看到更多細節的能力。這種複雜透鏡的成功設計取決於適當的聲透鏡設計軟體的可用性以及關於材料性質與相關控制參數相比的詳細信息的可用性，就水凝膠而言，上述相比的詳細信息是關鍵參數與水濃度相比的變化。我們注意到，在用於如圖IA和IB所示的探針的設計中，探針 100A或100B可能是完全密封的，因此，周圍的溶液是附加自由度，該附加自由度可包括鹽水或油或待定的其它容納物。雖然如上已闡明優選的實施方式，但是，已審核過本公開的本領域技術人員將理解，在本發明的範圍內可實現其它的實施方式。例如，數值是說明性的而非限制性的，如同特定材料和特定透鏡構造的列舉。此外，本發明具有除前列腺之外的應用範圍，可用於人類或非人類的動物體中的其它成像，或用於包括非生物成像的任何其它種類的光聲成像。因此，本發明應當理解為僅由所附權利要求限制。
權利要求
1.一種用於使目標成像的方法，所述方法包括(a)用雷射激勵所述目標，以通過光聲效應產生超聲波；(b)通過包括多元件聲透鏡的聲學系統聚焦所述超聲波；以及(c)使聚焦的所述超聲波成像為二維的。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡包括可動元件或元件組，所述可動元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述焦距和放大率變化以便提供深度解析度。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡構造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學成像。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料製成的元件。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述目標是軟組織。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述軟組織在前列腺中。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述聲學系統還包括聲反射鏡。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述聲反射鏡是曲面的。
10.一種用於使目標成像的探針，所述探針包括 夕卜殼；在所述外殼中的聲光窗口；光纖，所述光纖用於將雷射施加到所述目標上，以通過光聲效應產生超聲波； 用於聚焦所述超聲波的聲學系統，所述聲學系統包括多元件聲透鏡；以及檢測器陣列，所述檢測器陣列布置成使得所述聲學系統將所述超聲波聚焦到所述檢測器陳列上，用於使聚焦的所述超聲波成像為二維的。
11.如權利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡包括可動元件或元件組，所述可動元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
12.如權利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡構造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學成像。
13.如權利要求10所述的探針，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料製成的元件。
14.如權利要求10所述的探針，其中，所述聲學系統還包括聲反射鏡。
15.如權利要求14所述的探針，其中，所述聲反射鏡是曲面的。
16.一種多元件聲透鏡，包括多個聲透鏡元件，所述多個聲透鏡元件包括 具有正向能力的至少一個聲透鏡元件；以及具有負向能力的至少一個聲透鏡元件； 所述多個透鏡元件布置為同軸。
17.如權利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多個聲透鏡元件中的至少一個構造為可動元件或元件組，所述可動元件或元件組提供具有可變焦距和放大率的所述多元件聲透鏡。
18.如權利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多元件聲透鏡構造為校正像差，以便提供近衍射極限聲學成像。
19.如權利要求16所述的多元件聲透鏡，其中，所述多元件聲透鏡包括由水凝膠材料製成的元件。
全文摘要
為了利用由多模光纖傳輸以產生光聲脈衝的脈衝雷射光激勵來成像體內的各種軟組織，然後以聲檢測器陣列使產生的光聲脈衝成像，探針包括反射鏡和聲透鏡或可在液體環境中操作的、可變焦距和放大率的特殊聲透鏡，該特殊聲透鏡像差校正到足以獲得具有橫向解析度以及深度解析度的高解析度成像的程度。
文檔編號A61B8/08GK102264304SQ200980140749
公開日2011年11月30日 申請日期2009年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者納瓦爾貢德·A·H·K·拉奧, 維克拉姆·S·多格拉, 韋恩·H·諾克斯 申請人:羅切斯特大學, 羅切斯特理工學院