[发明专利]光声换能器及成像系统

说明书

技术领域

本发明大体上涉及光声成像和医疗诊断领域。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

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。

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。

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)。

光声成像是超声成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。

不同的在超声换能器附近照射激光的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。

鉴于当前光声成像方法的局限，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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。