专利名称：使用从对象接收的声波的对象信息处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用从对象接收的声波获得对象内部的信息的对象信息处理装置。
背景技术：
作为通过向对象的内部发送光或声波(超声波)、接收从对象发出的声波并且将声波转换为电信号而获得图像数据的技术，存在超声波回波和光声层析成像。超声波回波指的是通过向对象发送作为声波的超声波并接收反射波而生成图像的技术。光声层析成像指的是通过向对象内部发送光能量并接收当对象吸收光能量并因此热绝缘和膨胀时产生的 声波(典型地，超声波)而生成图像的技术。在这时产生的声波也被称为光声波。超声波回波通常被用于医学领域中的生物体。超声波回波可以将生物体内部的声学阻抗的差异转换为图像，并作为在安全、方便和实时特性方面非常有用的诊断手段得以传播。同时，由于安全性或绘制器官的光吸收系数的差异的可能性，发送光能量并接收光声波的光声层析成像也吸引了人们的注意。在超声波回波和光声波层析成像两者中，向由多个声学转换兀件转换为电信号(接收信号)的信号的每一个赋予与关注位置对应的时间差并将其相加。通过进一步对相加后的信号执行如滤波的处理，可以将每一个接收信号转换为图像。如上所述，超声波回波和光声层析成像可以分别将生物体内部的不同特性转换为图像。在接收处理方面，两种技术都通过多个声学转换元件接收并处理从生物体发出的声波。由于这个缘故，已做出在单个系统中实时实现两种技术的努力。例如，专利文献I公开了在公共电路中测量超声波回波和光声层析成像的系统。进一步地，在非专利文献I中，通过使用具有IMHz中心频率的声学转换元件，在约15毫米深度处检测器官的光吸收系数的差异。引证目录专利文献专利文献I日本专利申请公开No. 2005-21380非专利文献非专利文献ISrirang Manohar, Susanne E. Vaartjes, Johan C. G. van Hespen, JoostM. Klaase, Frank M. van den Enghj Wiendelt Steenbergen和 Ton G. van Leeuwen，"Initialresults of in vivo non-invasive cancer imaging in the human breast usingnear-infrared photoacoustics〃，Opt. Express 15，12277-12285 (2007)
发明内容
技术问题如上所述，在超声波回波和光声层析成像的接收处理中，向已经使用多个声学转换元件转换为电信号的信号赋予与关注位置对应的时间差并将其相加。通过这种处理，可以选择性地提取已从关注点到达声学转换元件的声波信号。在发送超声波回波时，通过将与目标会聚点对应的时间差赋予要被输出到每一个声学转换元件的电信号(发送信号)并发送超声波，可以形成会聚到目标点或在目标方向会聚的超声发送束。如上所述，在超声波回波中，在接收和发送两者中，可以发送和接收会聚到目标点或在目标方向会聚的超声波。因此之故，通过使得发送的关注点或方向对应于接收的关注点或方向，可以利用发送的超声波能量有效地使对象的内部成像。同时，在光声层析成像中，通过向对象照射光而执行光能量的发送。然而，如果对象是如生物体的强散射体，则很难在对象内部的任意位置会聚光。因此之故，在光声层析成像中，发送的光能量不能如在超声波回波的发送中那样会聚，而从入射位置散射并扩散的光能量变成一发送范围。在如上所述在对象内部散射和扩散的光能量变成发送范围的情形中，在如同常规超声波回波中那样通过使得发送方向对应于接收方向来执行接收处理的技术的情况下，在 接收处理时引起注意的区域变得比发送的光能量扩散的范围更窄。因此之故，不能有效地利用发送的光能量成像。如果如上所述不能有效地利用发送的能量成像，则图像的信号噪音比(SNR)以及效率会恶化。为了提高变得恶化的图像的SNR，可以考虑增加发送的光能量或增加接收的关注点或方向以覆盖整个发送范围的技术。然而，例如，在向生物体照射光的情况下，由于安全性理由，定义最大容许照度，因而难以无限制地增加发送的光能量。进一步地，在只是增加接收的关注点或方向的数量的情况下，接收信号的处理电路的尺寸增加。接下来，将会描述超声波回波和光声层析成像中的接收的声波和信号处理。在超声波回波中，发送的超声波从对象内部的界面或具有不同声学阻抗的散射体反射。由于超声波在对象内部传播的同时产生依赖频率的衰减，因此接收到具有低于发送的超声波的频率的中心频率的超声波。例如，在对对象内部成像中，在观察深度10厘米或更深的情况下接收到具有约3MHz到5MHz的中心频率的超声波,而在观察浅到5厘米或更小的部分的情况下，接收到具有约7MHz到15MHz的中心频率的超声波。同时，在光声层析成像中，由物体产生具有不同的光吸收系数的光声波。如果物体的尺寸大，则产生具有低的中心频率的光声波，而如果物体的尺寸小，则产生具有高的中心频率的光声波。在具有相同吸收系数的物体的情况下，如果物体的尺寸大，则要产生的光声波的振幅增大，而如果物体的尺寸小，则要产生的光声波的振幅减小。也就是说，由于小的物体产生中心频率高且振幅小的光声波，因此变得难以传播达到声学转换元件。例如，在观察深度约5厘米的情况下，被光声层析成像接收的光声波具有IMHz到3MHz的中心频率。在观察更深部分的情况下，接收到具有较低的中心频率的信号。例如，在非专利文献I中，采用具有IMHz中心频率的声学转换元件观察约I厘米到5厘米的深度。如上所述，在通过光声层析成像和超声波回波对对象内部相同深度成像的情况下，接收的声波的中心频率极大地不同。在信号处理中，可以通过以高达在待处理的信号内包括的频率的两倍的采样频率执行采样来保持原始信息。也就是说，在处理包括达到20MHz的有效信号分量的超声波信号的情况下，40MHz或以上的采样频率是必需的。例如，在对包括达到20MHz的有效信号分量的64CH的输入实时执行加法处理的情况下，63个可以以40MHz或以上来执行加法处理的加法电路，以及具有能够每秒执行2，520，000, 000次加法处理的处理能力的电路是必需的。进一步地，例如，在处理包括达到3MHz的有效信号分量的64CH的光声信号的情况下，63个可以以6MHz或以上来执行加法处理的加法电路以及每秒189，000, 000次的加法处理能力是必需的。如上所述，最小所需的加法处理能力极大地取决于信号的频率。如果用于对具有高中心频率的超声波回波信号相加的电路以及用于对具有低中心频率的光声信号相加的电路“按现状”通用化，则就构成适于超声波回波信号的需要高的处理能力的电路。因此之故，当处理其中即使较低的处理能力也可以使用的光声信号时，该处理被超过必需程度地执行，因此是低效率的。发明人(们)已经进行了研究，并发现因为光声波信号和超声波回波信号具有彼此不同的频率，所以加法处理电路的效率恶化。因此之故，需要提供对象信息处理装置(例如，生物信息处理装置)，其可以根据接收信号的特征通过改变数字数据处理电路的操作来执行闻效的处理。进一步地，专利文献I未公开根据在包括加法处理电路的处理电路中接收信号的特征的高效处理，在加法处理电路中通过模拟电路执行加法处理，以及其后执行向数字信号的转换。从以上问题的角度，本发明的目的是提供一种抑制可以执行超声波回波和光声层析成像的对象信息处理装置中的处理电路的尺寸的技术。解决方案本发明提供一种对象信息处理装置，包括多个第一声学转换元件，其接收从声波发送器发送并在对象内部反射的具有第一频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号；多个第二声学转换元件，其接收当从光源发出的光照射到对象时产生的具有第二频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号；模/数(A / D)转换器，其采样在多个第一和第二声学转换元件的每一个中转换的模拟信号并将采样的模拟信号转换为数字信号；数据存储器，其保持通过A/D转换器转换的数字信号；控制器，其指示数据存储器对于每一个接收轴以预定采样频率输出数字信号；以及处理器，其基于由数据存储器输出的数字信号产生图像数据，其中第一频率被设置为比第二频率更高，以及在从数据存储器输出的数字信号中，在一个接收轴上从具有第二频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量小于在一个接收轴上从具有第一频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量。发明的有益效果根据本发明，在可以执行超声波回波和光声层析成像的对象信息处理装置中，可以抑制处理电路的尺寸。从下面参考附图对示范实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
图I是第一示范实施例的系统概览图。图2是示出了第一示范实施例的处理定时的图。图3示出了显示第一示范实施例的观察区域的图。图4示出了解释第一示范实施例的数据读取位置的图。图5是解释第一示范实施例的数据读取位置的图。图6示出了解释第一示范实施例的非相加数据的图。图7是第二示范实施例的系统概览图。
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图8是解释第二示范实施例的非相加数据的图。图9示出了解释第二示范实施例的数据读取位置的图。图10是第二不范实施例的系统概览图。图11是示出了第三示范实施例的开关的定时的图。
具体实施例方式在下文中，将会详细描述根据本发明的对象信息处理装置的示范实施例。进一步地，在本发明中，“声波”包括被称作音波、超声波和光声波的那些。在下文描述中，“光声波”指的是使用光声层析成像，通过向对象的内部照射光而在对象内部产生的声波，而“超声波”指的是通过使用超声波回波，通过声学转换元件向对象发送并从对象接收的超声波。作为对象信息处理装置的典型实例，以下将会描述生物信息处理装置。(第一示范实施例)图I是示出了根据本发明第一示范实施例的生物信息处理装置的系统配置的图。本系统包括包括多个声学转换元件002的探针001、系统控制器003、发送功能块
004、模/数(A/D)转换块005以及数据存储器块006。本系统进一步包括加法块007、后处理块008、图像处理块009、图像显示设备012、接收数据控制器011和光源013。首先，将会参考图2描述执行光声层析成像和超声波回波的定时。在由PA-Txl代表的定时处执行第一光照射，而在时间段PA-Rxl期间接收和处理从对象发出的光声波。接下来，分别在由US-Txl到US-Tx4代表的定时处向对象发送超声波并在时间段US-Rxl到US-Rx4期间接收和处理超声波。进一步地，在由PA-Tx2代表的定时处执行下一个光照射，并且重复以上描述的处理。图3示出了示意性地示出了通过一次光照射和多次超声波回波获得的对象内部的范围的图。图3A示出了对区域301执行成像，光在图2的PA-Txl处在由PA-Rxl-I到PA-Rxl-4代表的接收轴的箭头所指示的方向照射该区域。接收轴指的是在空间轴上的点的轨迹，在空间轴上在图像重构(图像数据的产生)时执行图像重构来产生像素数据或体素数据，并且接收轴表示在图3中相对于声学转换元件位置在对象的深度方向移动的关注点的轨迹。进一步地，为了方便起见，区域301可以按照靠近探针001的顺序被分成区域302到305。图3B示出了用US-TRl作为与在图2的US-Txl发送的超声波对应的、在时间段US-Rxl期间所接收的超声波的接收轴，以及通过从US-TRl到US-TR4接收轴的四次超声波的发送和接收执行成像。在图3A中示出的区域与在图3B中示出的区域具有相同的宽度。通过从声学转换元件发送具有偏移的定时的超声波，可以会聚在超声波回波中的发送。然而，由于难以在强散射体内部会聚光，所以光照射区域301具有包括多个光声信号接收轴的宽度。进一步地，在本实施例中，假定在由超声波回波获得的接收信号中，包括高达Fus Hz的有效信号，以及在由光声层析成像获得的光声波中，包括高达Fpa Hz的有效信号。作为示例，将会结合Fus为20MHz和Fpa为5MHz的情况描述本实施例。然而，只要满足FUS>FPA的条件，就可获得本发明的效果。在本实施例中，声学转换兀件是超声波发送器(声波发送器)，并且也起第一声学转换元件(接收超声波的声学转换元件)和第二声学转换元件(接收光声波的声学转换元件)两者的作用。第一声学转换元件和第二声学转换元件可以分别制备，并且本发明不局限于以上描述的示例。进一步地，通过超声波回波发送的超声波的频率是第一频率，而光声波的频率是第二频率。A/D转换块对应于本发明的A/D转换器，而数据存储器块对应于数据存储器。进一步地，加法块、后处理块和图像处理块对应于产生图像数据的处理器，而接收数据控制器对应于控制器。在此，回到图1，将会结合在由图2的US-Txl代表的定时处的发送以及在由 US-Rxl所代表的时间段期间的操作来描述在执行超声波回波时的操作作为一个示例。首先，发送触发从系统控制器003输出到发送功能块004。通过使用每一个声学转换元件在用于发送超声波的US-TRl方向上相对于焦点位置的距离和对象内部的声速，发送功能块004对于每一个声学转换元件计算要赋予发送的延迟时间。向每一个声学转换元件002发送作为偏移了延迟时间的电信号的电压信号。进一步地，在超声波回波中，用于发送超声波的发送束或反射的超声波的接收束与接收轴一致。例如，由图3B的US-TRl代表的接收轴对应于发送束和接收束。声学转换元件002将输入电压信号转换为超声波并将超声波发送到对象内部。对象内部反射的超声波被声学转换元件002接收、被转换为模拟电信号(模拟信号)并输入给A/D转换块005。由超声波得出的输入模拟电信号被转换为数字数据(数字信号)并发送给数据存储器块006。数据存储器块006将由超声波得出的输入数字数据保持在布置其中的存储器内。接收数据控制器011基于与由系统控制器003指示的接收轴US-TRl相关的信息将存储器内部的数据读取位置输出给数据存储器块006。数据存储器块006将保持的数字数据当中的由接收数据控制器011指示的数据作为未相加数据输出给加法块007。 这里，将参考图5描述存储器内部的数据读取。图5示意性地示出了数据存储器块006中的分别对应于声学转换元件的存储器401到405。在图I的加法块007中，8CH作为输入出现，但是为简单起见，在此示出在数据存储器块006内部布置与5CH对应的存储器。进一步地，接收时间早的数字数据保持在图的右侧。在图中，在由接收数据控制器011指示的未相加数据当中的、被指示在相同定时输出的数据由相同颜色表示，并由线501连接。在本实施例的超声波回波中，由于包括高达20MHz (Fus)的有效信号分量，因此40MHz (2*FUS)或更大的采样频率是必须的。40MHz的采样频率在时间方向上对应于存储器401到405的25纳秒(1/(2*FUS))的段。需要连续地在时间方向上不跳过地从存储器401到405的每一个中读取从数据存储器块006输出的数据。结果，在本实施例中，在接收轴US-TRl上未相加数据的每单位时间的数据片段的数量与采样频率的值相同，即40，000，000。
回到图1，加法块007根据需要将每一个输入的未相加数据乘以权重，将所有输入的未相加数据相加，并将相加后的数据输出给后处理块008。后处理块计算输入数据的包络曲线并将结果输出给图像处理块009。图像处理块009对输入数据执行诸如适合于观察区域或边界重点的数据的重排或平滑之类的各种成像处理，并将图像处理结果作为亮度值数据发送给图像显示设备012。最后，在图像显示设备012上显示图像。紧接着，将会结合在由图2的PA-Txl代表的定时处的发送和在由PA-Rxl所代表的时间段期间的操作来描述在执行光声层析成像时的操作作为一个示例。首先，发送触发从系统控制器003输出给发送功能块004。发送功能块产生用于驱动光源013的信号，从而光源013发送光能量给对象。光能量扩散到区域301。由光能量产生的光声波被多个声学转换元件002接收，转换为模拟电信号，然后输入给A/D转换块005。A/D转换块005将由光声波得出的输入模拟电信号转换为数字数据，并将数字数据发送给数据存储器块006。数据存储器块006将由光声波得出的输入数字数据保持在布置其中的存储器内。接收数据控制器011基于与由系统控制器003指示的接收轴PA-Rxl-I、PA-Rxl_2、 PA-Rxl-3和PA-Rxl-4相关的信息，将存储器内部的数据读取位置输出到数据存储器块
006。数据存储器块006将所保持的数字数据当中的由接收数据控制器011指示的数据作为未相加数据输出给加法块007。这里，将参考图4描述存储器内部的数据读取。图4示意性地示出了数据存储器块006中的分别对应于各个声学转换元件的存储器401到405。进一步地，在接收时间上早的数字数据保持在图的右侧。图4A对应于接收轴PA-Rxl-1，图4B对应于接收轴PA-Rxl-2，图4C对应于接收轴PA-Rxl-3，而图4D对应于该接收轴PA-Rxl-4。在该图中，在由接收数据控制器011所指示的未相加数据当中的、在相同定时(时间)输出的数据由相同颜色表示，且同时输出的数据由线连接，如由线410连接。在本实施例中，由于被光声层析成像接收的光声波包括达到5MHz (Fpa)的有效信号分量，因此IOMHz (2*FPA)或更高的采样频率变得必要。本系统执行适于超声波回波的接收信号的40MHz (2*FUS)的采样。因此之故，如果在存储器401到405内部在时间方向上跳过四个采样中的三个并作为未相加数据读取，则可以执行处理而不损失被光声层析成像所接收的信号的信息。因此之故，对于PA-Rxl-I的接收轴，如线410到413所示，即使其中跳过四个相继的采样中的三个的数据作为未相加数据读取，也可以执行处理而不损失被光声层析成像所接收的信息。类似地，对于PA-Rxl-2的接收轴，如线420到423所示，存储器内部的数据以四个采样为单位作为未相加数据读取。进一步地，对于PA-Rxl-3的接收轴，如线430到433所示，存储器内部的数据以四个采样为单位作为未相加数据读取。进一步地，对于PA-Rxl-4的接收轴，如线440到443所示，存储器内部的数据以四个采样为单位作为未相加数据读取。如上所述，在光声层析成像的处理中，通过在读取数据的同时在时间方向跳过，在每一个接收轴上每单位时间未相加数据的数据片段的数量变得小于采样频率。也就是说，数据片段的数量可以变得小于在超声波回波中每一个接收轴上每单位时间数据片段的数量。接下来，加法块007用每一个输入的未相加数据乘以权重，将所有输入的未相加数据相加，并向后处理块008输出相加后的数据。后处理块008计算输入数据的包络曲线或执行由以下等式I表示的计算，并向图像处理块009输出结果。进一步地，Sin代表输入数据，Stjut代表输出，t代表自光声波的接收开始以后流逝的时间。 数学式I
权利要求
1.一种对象信息处理装置，包括 多个第一声学转换元件，其接收从声波发送器发送并在对象内部反射的具有第一频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号； 多个第二声学转换元件，其接收当从光源发出的光照射到该对象时产生的具有第二频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号； A / D转换器，其采样在所述多个第一声学转换元件和第二声学转换元件的每一个中转换的模拟信号并将采样的模拟信号转换为数字信号； 数据存储器，其保持由该A/D转换器转换的数字信号； 控制器，其指示该数据存储器对于每一个接收轴以预定的采样频率输出数字信号；以及 处理器，其基于从该数据存储器输出的数字信号产生图像数据， 其中该第一频率被设置为高于该第二频率，以及 在从数据存储器输出的数字信号中，在一个接收轴上从具有第二频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量小于在一个接收轴上从具有第一频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量。
2.根据权利要求I所述的对象信息处理装置， 其中所述多个第一声学转换元件具有声波发送器的功能。
3.根据权利要求I或2所述的对象信息处理装置， 其中所述多个第一声学转换元件具有所述多个第二声学转换元件的功能。
4.根据权利要求I至3中任何一个所述的对象信息处理装置， 其中所述A/D转换器将从具有第二频率的声波得出的模拟信号和从具有第一频率的声波得出的模拟信号以同样的采样频率转换为数字信号，以及 当控制器通过指示比从具有第一频率的声波得出的数字信号更稀疏地输出从具有第二频率的声波得出的数字信号来指示数据存储器输出时，在从数据存储器输出的数字信号中，在一个接收轴上从具有第二频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量小于在一个接收轴上从具有第一频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量。
5.根据权利要求I至3中任何一个所述的对象信息处理装置， 其中所述A/D转换器以比从具有第一频率的声波得出的模拟信号更低的采样频率将从具有第二频率的声波得出的模拟信号转换为数字信号，以使得在从数据存储器输出的数字信号中，在一个接收轴上从具有第二频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量小于在一个接收轴上从具有第一频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量。
6.根据权利要求I或2所述的对象信息处理装置，进一步包括 开关，其执行切换以在接收具有第一频率的声波的时间段期间使用所述多个第一声学转换元件执行接收，并在接收具有第二频率的声波的时间段期间使用所述多个第二声学转换元件执行接收。
7.根据权利要求I至6中任何一个所述的对象信息处理装置， 其中所述控制器对于由距所述声学转换元件的距离定义的每一个接收区域依次改变所述接收轴，并输出来自存储器的数字信号。
全文摘要
提供了一种对象信息处理设备，包括多个第一声学转换元件(002)，其接收在对象内部反射的具有第一频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号；多个第二声学转换元件(002)，其接收当光照射到该对象时产生的并且具有第二频率的声波，并且将该声波转换为模拟信号；A／D转换器(005)，其将模拟信号转换为数字信号；数据存储器(006)，其保持数字信号；和控制器(011)，其指示该数据存储器对于每一个接收轴以预定的采样频率输出数字信号。根据本发明，该第一频率被设置为高于该第二频率，以及在从数据存储器输出的数字信号中，在一个接收轴上从具有第二频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量小于在一个接收轴上从具有第一频率的声波得出的数字信号的每单位时间的采样数量。
文档编号A61B8/13GK102762153SQ20118000926
公开日2012年10月31日 申请日期2011年2月14日 优先权日2010年2月16日
发明者长永兼一, 马场庆贵 申请人:佳能株式会社