Die Erfindung betrifft ein thermoakustisches Tomographieverfah¬ ren zur Abbildung eines Objekts, wobei das Objekt durch eine Quelle thermisch angeregt wird und die durch die thermische Anregung hervorgerufenen akustischen Wellen des Objekts aus ver¬ schiedenen Richtungen des Objekts mit zumindest einem Detektor erfasst werden und aus den detektierten akustischen Wellen und der Lageinformation ein Abbild des Objekts rekonstruiert wird.

Die Erfindung betrifft auch einen thermoakustischen Tomograph zur Abbildung eines Objekts mit zumindest einer Quelle zur thermischen Anregung des Objekts, zumindest einem Detektor zur Erfassung der vom Objekt durch die Anregung hervorgerufenen akustischen Wellen, mit einer Einrichtung zur Bewegung des Objekts und bzw. oder des zumindest einen Detektors relativ zu¬ einander und mit einer Einrichtung zur Rekonstruktion des Objek¬ ts aus den erfassten akustischen Wellen in Abhängigkeit der jeweiligen Lage des Objekts.

Unter den Begriff Objekt fallen verschiedenste dreidimensionale und zweidimensionale Gebilde.

Wird ein halbtransparentes Objekt beispielsweise mit einem kurz¬ en elektromagnetischen Puls thermisch angeregt, so wird durch die plötzliche thermische Ausdehnung im Inneren des Objekts eine Druckverteilung erzeugt, die eine akustische Welle auslöst. Der dabei erzeugte Schalldruck ist proportional zur räumlichen Ver¬ teilung der absorbierten elektromagnetischen Energie. Die thermoakustische Tomographie rekonstruiert diese räumliche Ver¬ teilung im Objekt aus den gemessenen Schallwellen außerhalb des Objekts. Da beispielsweise karzinogenes Gewebe und gesundes Ge¬ webe stark unterschiedliche elektromagnetische Absorptionskoef¬ fizienten aufweisen, gibt die thermoakustische Tomographie einen guten Kontrast bei der Abbildung dieser beiden Gewebetypen, wel¬ che beispielsweise mit Ultraschallverfahren nicht erzielbar wä¬ ren. Neben der Medizin gibt es aber auch andere Anwendungsgebiete für die thermoakustische Tomographie. Bei bis¬ herigen thermoakustischen Tomographieverfahren werden für die Erfassung der akustischen Wellen außerhalb des Objekts kleine idealerweise punktförmige akustische Detektoren verwendet, wel¬ che relativ zum Objekt bewegt werden und es wird schließlich aus der Fülle an Daten ein Abbild des Objekt rekonstruiert. Alle bisherigen Rekonstruktionsverfahren basieren auf Näherungs¬ modellen, (siehe beispielsweise: R.A. Kruger, D.R. Reinecke, G.A. Kruger: Thermoacoustic computed tomography - technical considerations. Medical Physics, Volume 26 Issue 9, pp 1832 - 1837, 1997/ R.A. Kruger, W.L. Kiser, K.D. Miller, H.E. Reynolds: Thermoacoustic CT: Imaging Principles. Proceedings SPIE 3916, pp 150 - 159, 2000) .

Die US 5,840,023 A beschreibt ein optoakustisches bildgebendes Verfahren für medizinische Anwendungen, bei dem die thermische Anregung des menschlichen Gewebes mittels eines Lasers erfolgt. Zur Detektion der vom Objekt ausgehenden akustischen Wellen wird ein kleiner Detektor oder ein Array mehrerer kleiner Detektoren verwendet. Dabei können sowohl piezoelektrische als auch optische Detektoren zur Anwendung kommen.

Die US 6,567,688 Bl zeigt ein thermoakustisches Tomographie¬ verfahren, bei dem biologisches Gewebe mit Hilfe von Mikrowellen thermisch angeregt wird und die resultierenden Schallwellen mit Hilfe eines Ultraschallwandlers aufgenommen werden. Es handelt sich im Gegensatz zu obigen Patent um ein Echtzeit Rastverfahren (auf Englisch: real time scanning method) und kein Rekonstruk¬ tionsverfahren. Auch dabei wird ein relativ kleiner Detektor oder ein Array mehrerer Detektoren verwendet, die synthetisch fokussiert werden können.

Die US 6,633,774 B2 beschreibt ein thermoakustisches bildge¬ bendes System zur Strukturuntersuchung von Gewebe, welches durch eine elektromagnetische Strahlungsquelle thermisch angeregt wird. Eine drehbare Anordnung mehrerer Detektoren erfasst die vom Objekt ausgehenden akustischen Wellen. Dabei finden Arrays mehrerer kleiner Detektoren Anwendung. Mit den aufgezeichneten Daten wird das Objekt näherungsweise rekonstruiert. Zur Anregung können auch mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sein, welche miteinander synchronisiert werden. Als Detektoren kommen Piezo- Elemente zur Anwendung. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines thermoakustischen Tomographieverfahrens und eines thermoakustischen Tomographen, durch welche eine optimale Bild¬ qualität und Auflösung bei vertretbarem Aufwand zur Rekonstruk¬ tion der Bilddaten verbunden ist. Dabei soll möglichst auf bekannte Rekonstruktionsmethoden zugegriffen werden können. Nachteile bekannter Verfahren und Systeme sollen vermieden bzw. reduziert werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch, dass die vom Detektor erfassten akustischen Wellen zumindest in einer Richtung über eine Länge von mindes¬ tens 48-d integriert werden, wobei d den maximalen Abstand eines Punktes des abzubildenden Objekts vom Detektor bezeichnet. Es wird also beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Detektor verwendet, der eine Größe aufweist, die zumindest in einer Dimension mindestens 48-d beträgt, so dass die mit dem Detektor erfassten akustischen Wellen über diese Länge integriert werden. Durch die Integration über diese Dimension des Detektors können nun zur Rekonstruktion des Abbilds des Objekts Rechenmethoden herangezogen werden, die eine sehr hohe Auflösung ermöglichen. Die Größe des Detektors ermöglicht die Messung des vom Objekt ausgehenden gesamten Schalldrucks auf die Ebene, die den Detek¬ tor enthält.

Je nach Form des Detektors mit der erfindungsgemäßen Dimension können verschiedene aus anderen bildgebenden Verfahren bekannte mathematische Verfahren angewendet werden. Der Detektor wird in an sich bekannter Weise um das Objekt bzw. das Objekt um den De¬ tektor bewegt und entsprechend viele Daten aufgenommen, welche schließlich eine Rekonstruktion des Objekts zulassen. Im Gegen¬ satz zum erfindungsgemäßen Verfahren werden bei herkömmlichen thermoakustischen Tomographieverfahren die Messdaten an den akustischen Detektoren als Punktmessdaten interpretiert. Diese Näherung impliziert, dass die Auflösung der Rekonstruktion physikalisch durch die Größe der Detektoren limitiert wird. Durch die Verwendung von großflächigen integrierenden Detektoren kann diese Annäherung vermieden werden. In diesem Fall ist die räumliche Auflösung nur durch die maximal detektierbare Frequenz der akustischen Schallwellen begrenzt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die vom Detektor erfassten akustischen Wellen in einer Richtung über die Länge von mindestens yfß-d integriert werden. Durch die Verwendung derartiger linienförmiger oder streifenförmiger De¬ tektoren kann auf bekannte mathematische Rekonstruktionsverfah¬ ren zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zu flächigen Detektoren müssen nämlich derartige linienförmige Detektoren nicht in alle Raumrichtungen gedreht werden, sondern können auf einer festen Achse geführt werden bzw. kann das Objekt um eine feste Achse gedreht werden.

Ebenso ist es natürlich möglich, dass die Detektoren großflächig sind, wobei der Durchmesser der Fläche mindestens ^[8-d beträgt.

Sofern die Detektoren eben ausgebildet sind, kann die Rekon¬ struktion des Abbildes des Objekts beispielsweise mit Hilfe der inversen Radon-Transformation erfolgen. Die Radon-Transformation ist in der digitalen Bildverarbeitung wohl bekannt, weshalb eine Reihe von Berechnungs- und Inversionsmethoden existieren, welche eine Rekonstruktion der Abbildung des Objekts erleichtern. Bei der Radon-Transformation handelt es sich um die von Johann Radon 1917 definierte und später nach ihm benannte lineare Integral¬ transformation. Diese spielt in der Computertomographie zur Re¬ konstruktion von zweidimensionalen Funktionen aus eindimensionalen Projektionen eine fundamentale Rolle. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen großflächigen Detektoren kann die Inversion der dreidimensionalen Wellengleichung, welche bei punktförmigen Detektoren zur Rekonstruktion angewendet wird, auf die Lösung eines Systems von eindimensionalen Wellengleichungen reduziert werden.

Bei den oben genannten linienförmigen Detektoren können Kombina¬ tionen verschiedener anderer Rekonstruktionsverfahren zum Ein¬ satz kommen.

Zur Rekonstruktion des Abbildes des Objekts können die erfassten Werte mehrerer Detektoren verarbeitet werden. Dies reduziert auch die Messdauer, da die notwendigen Bewegungen der Detektoren um das Objekt bzw. umgekehrt durch die Anzahl der verwendeten Detektoren entsprechend reduziert werden.

Das Verfahren wird meist dadurch erleichtert, dass der zumindest eine Detektor um das Objekt bewegt wird. Eine Drehung des Objek¬ ts bzw. eine gegenseitige Bewegung der Detektoren und des Objek¬ ts zueinander ist auch möglich.

Vorteilhafterweise wird das rekonstruierte Abbild des Objekts auf einem Bildschirm oder dgl. angezeigt.

Wenn die durch die thermische Anregung hervorgerufenen akustischen Wellen des Objekts im Ultraschallfrequenzbereich bis zu einigen GHz erfasst werden, kann dadurch unter Verwendung entsprechend geeigneter Detektoren, wie z.B. besonders dünner Piezo-Folien oder Schichten eine Ortsauflösung im Mikrometerbe¬ reich erzielt werden. Die räumliche Auflösung der Abbilder des Objekts ist bei Verwendung entsprechender Detektoren nur durch diese maximale detektierbare Ultraschallfrequenz begrenzt.

Zur Erzielung besserer Messergebnisse kann das Objekt auch mit Kontrastmitteln zur Beeinflussung des Absorptionsverhaltens versehen werden. Dabei können wie bei anderen bildgebenden Verfahren beispielsweise in der Medizin übliche Kontrastmittel zum Einsatz kommen.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben erwähnten thermoakustischen Tomographen, bei dem der zumindest eine Detektor zumindest in einer Dimension eine Ausdehnung auf¬ weist, welche mindestens ^8-d beträgt, wobei d den maximalen Ab¬ stand eines Punktes des abzubildenden Objekts vom Detektor bezeichnet. Durch die Verwendung derartiger Detektoren mit großer Dimension wird erreicht, dass der durch das Objekt her¬ vorgerufene gesamte Schalldruck auf die Ebene des Detektors erfasst wird. Dadurch kann für die Rekonstruktion des dreidimensionalen Objekts auf bekannte mathematische Methoden, beispielsweise auf die inverse Radon-Transformation zurückge¬ griffen werden, wodurch auf stabile numerische Computeralgorith¬ men zurückgegriffen werden kann bei gleichzeitig besonders hoher Auflösung des rekonstruierten Objektes. Dabei können die Detektoren linien- oder streifenförmig ausge¬ bildet sein, wobei die Länge des Detektors mindestens ^8-d be¬ trägt.

Im Falle der Anwendung derartiger länglicher Detektoren können auch mehrere linien- oder streifenförmige Detektoren parallel zueinander angeordnet sein.

Ebenso kann natürlich der Detektor flächig ausgebildet sein, wobei der Durchmesser der Fläche mindestens y[8-d beträgt.

Wenn der zumindest eine Detektor eben ausgeführt ist, wird einerseits eine einfache Konstruktion der Detektoren und andererseits die Anwendung der inversen Radon-Transformation ermöglicht.

Andererseits ist es auch möglich, dass der zumindest eine Detek¬ tor gewölbt und beispielsweise in Form eines Halbzylinders aus¬ geführt ist, wobei bei den Rekonstruktionsverfahren auf diese Form des Detektors Rücksicht genommen werden muss. Der Vorteil derartiger gewölbter Detektoren besteht darin, dass sie gegen¬ über eben ausgeführten Detektoren mit gleich großer Fläche geringere Außenabmessungen aufweisen. Die mathematischen Rekon¬ struktionsverfahren werden dadurch aber etwas komplizierter.

Vorteilhafterweise beträgt die obere Grenzfrequenz des Detektors mehrere GHz. Durch eine derartig hohe obere Grenzfrequenz wird eine besonders hohe Auflösung im Mikrometerbereich erzielt.

Der Detektor kann durch einen piezoelektrischen Sensor gebildet sein, welcher nach dem piezoelektrischen Effekt die auf¬ treffenden Schallwellen direkt in elektrische Signale umwandelt. Piezoelektrische Materialien sind beispielsweise PVDF (Polyveny- lidenfluorid oder ZNO (Zink-Oxid) ) . Derartige Materialien sind in Folienform oder als Schichten auf Substratmaterial mit beson¬ ders geringer Dicke im Mikrometer- bis sogar Nanometerbereich erhältlich. Durch die besonders geringe Dicke wird eine gute Ortsauflösung erzielt. Die Folien sind metallisiert und kon¬ taktiert und können somit einfach mit den nachfolgenden elektronischen Schaltungen, insbesondere Verstärkern verbunden werden.

Ebenso ist es möglich die Detektoren durch andere Einrichtung zur Erfassung akustischer Schallwellen zu realisieren. Bei¬ spielsweise können optische Sensoren, insbesondere Lichtwellen¬ leiter herangezogen werden, welche durch die auftreffenden Schallwellen verformt werden und somit eine Veränderung der durch den Lichtwellenleiter geleiteten Signale bewirkt.

Die Anregungsquelle kann durch einen Laser gebildet sein, wobei sich insbesondere Infrarotlaser eignen.

Alternativ dazu kann die thermische Anregung des dreidimensiona¬ len Objekts auch durch eine Mikrowellenquelle realisiert werden.

Um die Schallausbreitungseigenschaften zwischen Objekt und De¬ tektor zu verbessern, wird der zumindest eine Detektor und das Objekt vorteilhafterweise in einem flüssigen Koppelmedium ange¬ ordnet. Für dieses flüssige Koppelmedium kann destilliertes Wasser oder auch Mineralöl Verwendung finden.

Zum Schutz des Detektors kann dieser mit einer Schutzfolie versehen sein. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Emp¬ findlichkeit des Detektors durch diese Schutzfolie nicht ver¬ ringert wird.

Als Bewegungseinrichtung zur Bewegung des zumindest einen Detek¬ tors relativ zum Objekt bzw. umgekehrt kann ein Schrittmotor herangezogen werden.

Die Rekonstruktionseinrichtung wird üblicherweise durch einen Rechner gebildet.

Schließlich kann eine Anzeige zur Darstellung des Abbildes des Objekts vorgesehen sein.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeich¬ nungen näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines thermoakustischen Tomographen gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen linienförmigen Detektor gemäß der vorliegenden Er¬ findung;

Fig. 3 einen flächigen ebenen Detektor mit kreisrundem Querschnitt;

Fig. 4 einen flächigen ebenen Detektor mit quadratischem Querschnitt;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines konkav gewölbten De¬ tektors; und

Fig. 6 die Anordnung mehrerer linienförmiger Detektoren im Bezug auf das abzubildende dreidimensionale Objekt.

Fig. 1 zeigt einen thermoakustischen Tomographen 1 zur Abbildung eines beispielsweise dreidimensionalen Objekts 2, beispielsweise einer Gewebsprobe. Über eine Quelle 3, beispielsweise einem Pulslaser oder einer Mikrowellenquelle wird das Objekt 2 thermisch angeregt. Die vom Objekt 2 durch die thermische Anre¬ gung hervorgerufenen akustischen Wellen 4 werden von einem De¬ tektor 5 erfasst und die erfassten Signale einem Verstärker 6 zugeführt. Zur Erzielung einer Bewegung des Objekts 2 relativ zum Detektor 5 ist eine Bewegungseinrichtung 7, beispielsweise ein Schrittmotor mit dem Objekt 2 oder dem Detektor 5 verbunden. Die vom Verstärker 6 herrührenden Signale zusammen mit den Steuersignalen der Bewegungseinrichtung 7 werden einer Einrich¬ tung 8 zur Rekonstruktion des Objekts 2 zugeführt, welche bei¬ spielsweise durch eine entsprechende Rechnereinrichtung gebildet sein kann. Dabei ist zur entsprechenden Steuerung der thermischen Anregung die Anregungsquelle 3 auch mit der Rekon¬ struktionseinrichtung 8 verbunden. Schließlich kann das rekon¬ struierte Abbild des Objekts 2 auf einer Anzeige 9 dargestellt werden. Zur Verbesserung der Schallausbreitungseigenschaften vom Objekt 2 zum Detektor 5 sind das Objekt 2 und der Detektor 5 in einem Behälter 10 mit einem flüssigen Koppelmedium 11 angeord¬ net. Dieses flüssige Koppelmedium 11 kann durch destilliertes Wasser oder auch ein Mineralöl gebildet sein, welches möglichst gute Schallausbreitungsgeschwindigkeiten aufweist. Erfindungsge¬ mäß ist der Detektor 5 zumindest in einer Dimension mindestens yj~8-d groß, wobei d den maximalen Abstand eines Punktes des abzu¬ bildenden Objekts 2 vom Detektor 5 bezeichnet (siehe Figur 2) . Natürlich können auch mehrere Detektoren 5 nebeneinander ange¬ ordnet sein, um die Aufnahmedauer für das Tomographieverfahren zu reduzieren (nicht dargestellt) .

Handelt es sich beim Objekt 2 um ein zweidimensionales Objekt 2, dann genügt die Drehung um eine Achse. Wenn ein dreidimensiona¬ les Objekt 2 untersucht wird, muss der Detektor 5 tangential um die Oberfläche des Objekts 2 in allen möglichen Richtungen be¬ wegt werden bzw. umgekehrt das Objekt 2 in Bezug auf die Detek¬ toren 5 bewegt werden. Zur Rekonstruktion des Objekts 2 können verschiedene bekannte, neue aber auch Kombinationen verschie¬ denster Methoden angewendet werden. Beispielsweise wird auf die von Köstli und Beard beschriebene Rekonstruktion verwiesen (K.P. Köstli, P.C. Beard: Two-dimensional photoacoustic imaging by use of Fousotropic response. Applied Optics, 42(10), 2003) . Bei Verwendung ebener flächiger Detektoren 5 kann die Rekonstruktion über die zweidimensionale inverse Radon-Transformation in beson¬ ders geeigneter und wenig aufwendiger Art erfolgen.

Figur 2 zeigt ein perspektivisches Detail der Lage des Detektors 5 in Bezug auf das Objekt 2. Der Detektor 5 ist in Form eines linienförmigen Detektors ausgebildet, wobei die Abmessung 1 des Detektors 5 in einer Dimension mindestens ^[8-d beträgt, wobei d den maximalen Abstand eines Punktes des abzubildenden Objekts 2 vom Detektor 5 bezeichnet.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsvariante eines Detektors 5 in Form eines flächigen ebenen Detektors mit kreisrunder Gestalt, wobei der Durchmesser D mindestens V#-d beträgt.

Figur 4 zeigt eine Variante eines Detektors 5 in Form eines flä¬ chigen ebenen Detektors mit quadratischem Querschnitt, wobei die Länge 1 des Quadrats mindestens 48-d beträgt.

Schließlich zeigt Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines ge- wölbt ausgeführten Detektors 5, wobei der Radius R der Wölbung entsprechend den Gegebenheiten und auch der Größe des Objekts 2 verschiedenartig ausfallen kann. Durch die Wölbung des Detektors 5 sind die Außenabmessungen geringer, wodurch der Detektor 5 leichter um das Objekt 2 bewegt werden kann. Die Wölbung muss jedoch bei der Rekonstruktionsberechnung berücksichtigt werden.

Schließlich zeigt Figur 6 die Anordnung mehrerer linienförmiger Detektoren 5 parallel zueinander in Abstand vom Objekt 2. Bei dieser Ausführungsform wird das Objekt 2 beispielsweise um eine feste Achse gedreht und die vom Objekt 2 ausgehenden akustischen Wellen von den parallelen Detektoren 5 erfasst. Für jeden Dreh¬ winkel des Objekts 2 wird der durch die thermische Anregung her¬ vorgerufene akustische Schalldruck von den Detektoren 5 aufgenommen und aus den gewonnenen Daten schließlich das Abbild des Objekts 2 rekonstruiert. Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Einrichtung ermöglicht die Rekonstruktion besonders hoch aufgelöster Bilder von Objekten mit Detektoren, wie z.B. Piezo-Elementen oder optischen Sensoren mit hoher Grenzfrequenz. Das thermoakustische Tomographieverfahren eröffnet insbesondere in der Medizin neue Möglichkeiten, welche mit derzeitigen bildgebenden Verfahren nicht erreicht werden können.