[发明专利]用于对生物组织结构进行成像的系统和方法

说明书

提供了与用于对组织的特征进行成像的超声波成像系统结合使用的热声成像系统，该超声波成像系统包括超声波成像探头，该超声波成像探头包括具有多个发射‑接收阵列元件的发射‑接收换能器阵列。热声成像系统包括具有与多个发射‑接收阵列元件配准的多个只接收阵列元件的只接收换能器阵列。发射‑接收换能器阵列被容纳在超声波成像探头中，并且只接收换能器阵列被容纳在热声成像探头中。热声成像探头例如作为安装到超声波成像探头的套筒机械地接合到超声波成像探头。包括超声波成像探头和热声成像探头的组合的超声波换能器系统可以基于只接收阵列元件与发射‑接收阵列元件的配准用在组织的合成成像中。

技术领域

本公开涉及使用超声波和热声技术对组织的结构和性质进行成像。

背景

在常规的超声波医学成像或超声波检查中，超声波换能器的单个阵列(这里有时被称为发射-接收阵列)操作，用于发射和接收超声波能量。超声波换能器元件将超声波传输到对象(例如，组织)中。传输的能量被组织散射和反射，并且散射和反射的超声波能量由相同的超声波换能器元件接收。超声波换能器将所接收的超声波能量转换成电信号。通过信号处理来分析和解释所接收的超声波信号，通常提供关于组织内的结构的位置的信息。

在医学超声波成像中，超声波脉冲以与雷达类似的方式来使用，其中，脉冲被传输，并且随后从组织内的散射和从反射中接收回波。在雷达(无线电检测与测距)中，传输短脉冲的电磁(射频或微波)载波，并由通常与发射机共置的接收器检测回波或反射。雷达的范围受到所接收的信号能量的限制。类似地，在超声波医学成像中，由超声波系统传输的强的短的电脉冲以期望的频率来驱动换能器，以便实现良好的范围分辨率。所接收的回波的双向飞行时间给出范围信息，并且所接收的回波的强度提供关于声阻抗的信息(例如，当所发射的脉冲遇到具有不同密度的组织内的结构并且反射回到换能器时)。通过了解所发射的脉冲的方向，创建超声波图像或声波图。在超声波医学成像中，最大传输的功率受到系统电子组件中所容许的电压以及由与组织暴露有关的安全考虑所准许的峰值强度限制。与在雷达中一样，该范围受到所接收的信号对抗背景噪声的限制，而其反过来又受到总脉冲能量的限制。

热声成像(有时被称为光声或光声成像)是一种用在基于材料的电磁和热性质来对材料进行表征和成像中的技术，在无损测试、临床诊断、医学成像、生命科学和显微镜学中具有应用。热声成像使用短脉冲的电磁(EM)能量(即，激发能量)来快速加热吸收EM能量(激发部位)的对象内的特征。这种快速加热导致材料(例如，组织)的压力稍微增加，引发作为超声波从激发部位辐射的声脉冲。这些声脉冲使用位于材料表面处的声接收器(诸如，超声波换能器阵列)来检测。通过使用飞行时间和相关算法的信号处理来分析和解释所得到的测量结果，其重建了所吸收的EM能量的分布，有时被称为热声计算的断层摄影(TCAT)。结果可以作为深度剖面图或作为2维、3维或4维图像显示给用户。

对于在发射-接收模式中操作的临床超声波换能器相对在热声成像中采用的只接收超声波换能器有不同的要求。构建和优化临床超声波换能器阵列以在发射和接收的超声模式二者中工作。这些超声波换能器在发射和接收超声波能量中需要高的操作效率，这不是对用在热声成像中的只接收发射器的要求。临床超声波换能器通常使用透镜来提供最佳的聚焦深度，并且以优化的操作频率设计。常规的超声波成像依赖于对图像分辨率的窄带接收。

相比之下，在热声成像中，对于只接收换能器来说，接收和处理宽频带是重要的。热声换能器的元件和阵列被设计为在只接收模式中以高灵敏度操作，而只接收换能器不必满足对发射-接收的元件和阵列的传输效率要求。热声图像分辨率由声信号的频率决定。该频率由被成像的材料的特性决定，而不是由所发出的电磁能量(“EM”能量或激发能量)的频率决定。为了能够区分热声成像中的材料性质的范围(例如，小型结构和大型结构；成像浅层材料和成像深层材料)，宽的接收带宽至关重要。大约3-6MHz的接收带宽被认为是相当宽的范围，并且更高的带宽是令人期望的。