CN103445765B - 一种光声成像中声速矫正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声成像中声速矫正的方法，包括以下步骤：在光声成像系统中用激光照射被测组织；线型传感器采集被照射的组织发出的超声波信号；确定聚焦评价标准并选取聚焦位置；调整声速和延时补偿并用延时求和法重建图像并实现所选点的聚焦；根据声速和延时的关系拟合声速和延时补偿的关系曲线，确定曲线参数；根据不同聚焦深度的关系曲线联立求解得到矫正的声速和延时补偿。本发明采用线型传感器采集信号，用延时求和发重建图像，通过对不同位置的目标声速和延时补偿的调整得到聚焦的声速和延时补偿的关系方程，联立方程得到矫正的声速，操作简便。

Description

一种光声成像中声速矫正的方法

技术领域

本发明涉及光声成像的图像重建领域，特别是一种光声成像中声速矫正的方法。

背景技术

光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。它是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法，结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点，以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，可以提供高对比度和高分辨率的组织影像，为研亢生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段，在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景。

目前重建算法中声速的不准确是造成重建图像质量不高的主要原因之一，而现在的各种重建算法均不能有效的解决这个问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是准均匀介质中声速不准确的问题，针对无法测试声速的光声重建的问题，通过有限次声速和延时补偿的选择拟合不同的曲线方程组，求解得到较准确的声速，从而重建出质量更高的图像。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种光声成像中声速的矫正方法，包括以下步骤：

步骤一，在光声成像的设备系统中用激光器发射激光。

步骤二，线型传感器接收超声波信号。

步骤三，制定聚焦评价标准并选取重建时的聚焦位置。

步骤四，计算像素尺寸，实现重建图像像素位置的固定。

步骤五，用延时求和法重建图像。

步骤六，调整声速和延时补偿的，实现不同聚焦位置的分别聚焦，记录声速和延时补偿的对应关系。

步骤七，根据声速和延时补偿的数据拟合关系曲线，确定曲线参数。

步骤八，联立不同聚焦位置的关系曲线，求解方程，得到矫正声速。

本发明中，优选的，步骤一所采用的光声成像系统中，受照射的组织产生光声效应，满足方程

${\▿}^{2}p(r,t)-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^{2}p(r,t)}{{\∂t}^2}=-\frac{\mathrm{\β}}{C_p}\frac{\∂}{\∂t}H(r,t)---\left(1\right)$

其中p(r，t)为声压，H(r，t)为入射激光在成像区域激发的热源函数，H(r，t)＝A(r)I(t)，A(r)是组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，C_p为比热容，c是经验声速，激光打到生物组织和传感器开始接收信号几乎为同时进行。

本发明中，优选的，步骤二中所采用的传感器为线型，紧贴被测组织，传感器前端为声波透镜，使得经光声效应产生的超声波有一定的汇聚作用，传感器个数越多，采集的信号越多，重建图像的质量也越高。

本发明中，优选的，步骤三里聚焦的概念与超声中聚焦的概念类似，图像中达到聚焦的部分一般成像的质量最高，对比度高。聚焦评价的标准的选择根据重建图像的特点而定，一般聚焦部分具有较高的能量密度，故可采用能量法来检测聚焦程度，同时调整声速和延时补偿可以实现成像目标的聚焦。

本发明中，优选的，步骤四中所用的像素尺寸分为x方向尺寸和z方向尺寸。x方向尺寸小于传感器之间的间距，芯片间的间距一般数倍于x方向的尺寸；z方向的尺寸设置为声速正相关的变量，这样在调整声速时，所观察的成像目标的像素位置保持不变。

本发明中，优选的，步骤五中重建采用的算法是延时求和算法。在光声重建中，应用的比较多的算法是延时求和算法和反投影重建算法，延时求和算法是直接对光声信号求和，而反投影重建算法是对光声信号的时间导数进行加权求和。相比于反投影重建算法，延时求和算法对低频和高频信号都有加权求和，包含了足够的低频信息，重建的图像较为平滑。

本发明中，优选的，步骤六中调整声速和延时补偿对同一个成像目标进行。实验表明，对于同一个成像目标，可以找到不同的声速和延时补偿使其达到聚焦。对于一个图像中的点，在声速固定时，所用的延时补偿小于聚焦所需的补偿时，成像点会变成上凸(传感器方向为上)的弧线，所用的延时补偿大于所需的延时补偿时，成像点变成下凸的弧线。

本发明中，优选的，步骤七中对于步骤六中的数据进行拟合。理论表明，对于同一个成像目标，采取上述过程的成像，其聚焦的声速和延时补偿满足如下关系：

$d=\sqrt{\frac{A}{v^2}+{\mathrm{\γ}}^2}+B---\left(2\right)$

其中d为延时补偿，v为声速，这里的声速为变化的量，区别于经验声速c，γ为与成像目标有关的量，对于固定的目标，γ为常量，A，B为待定系数。对于同一个成像目标，其所用的声速和延时补偿的数据越多，拟合的曲线越准确。

本发明中，优选的，步骤八中所计算的矫正声速是根据不同的成像目标的曲线方程联立解得的。由于方程中有声速和延时补偿两个变量，所以至少要两个成像目标的曲线方程。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法中装置摆放图。

图3是本发明方法中求解声速的示意图。

具体实施方式

本发明结合延时求和算法，对于不同的成像目标，拟合出其聚焦的声速和延时补偿的关系曲线，然后通过联立这些关系曲线解得矫正的声速。

如图1所示，本发明公开了一种光声成像中声速的矫正方法，包括以下几个步骤：

步骤一，在光声成像的设备系统中用激光器发射激光。

步骤二，线型传感器接收超声波信号。

步骤三，制定聚焦评价标准并选取重建时的聚焦位置。

步骤四，计算像素尺寸，实现重建图像像素位置的固定。

步骤五，用延时求和法重建图像。

步骤六，调整声速和延时补偿的，实现不同聚焦位置的分别聚焦，记录声速和延时补偿的对应关系。

步骤七，根据声速和延时补偿的数据拟合关系曲线，确定曲线参数。

步骤八，联立不同聚焦位置的关系曲线，求解方程，得到矫正声速。

本发明中，步骤一，所采用的光声成像系统中，激光器发出的激光的工作波长范围在532至1064nm，激光器的功率小于20mJ/cm²。传感器紧贴被测组织放置，传感器所在平面一般与激光所在平面垂直。

本发明中，步骤二，传感器接收步骤一中光声效应产生的超声波，超声波经过探头中的声波透镜到达传感器，声压强度被记录。所用的超声传感器越多，重建出图像的分辨率越高。传感器的排列方式为线型。假设传感器数目为N，记录第k路传感器由公式(1)中光声效应产生的声压信号为p_k(t)，k＝1，2...N。

本发明中，步骤三，选择聚焦位置通过下面的步骤进行。首先用经验声速和延时补偿重建图像，延时补偿时是对延时求和算法中延时的补偿。然后求出图像的局部极大值，可以通过如下方式进行：先求得图像灰度的最大值的点，以该点为中心设定区域S，S可为半径为n_r像素的圆或者n_l×n_w的矩形等；然后求得图像中去除S之后的灰度最大值的点，重复上述步骤，这样便获得若干个聚焦成像目标。聚焦标准的确定分为下面的步骤：对于得到的聚焦点和区域S，计算该区域内的像素的能量均值，即对S内的坐标为(i，j)的像素计算E是能量均值，N_s为S内像素数，g(i，j)为像素灰度，然后改变声速和延时补偿，使得E达到最大，这样得到的声速和延时补偿便是聚焦的声速和延时补偿。

本发明中，步骤四，计算重建图像中的像素尺寸。x方向的尺寸为size_dx，z方向的尺寸为size_dz。一种计算size_dx的方法为

size_dx＝span/n  (3)

span是传感器间的间距，n为正整数，一般可取2，3，4等，这样的size_dx一般在小于span量级。size_dz的计算通过下面公式进行

size_dz＝v/b  (4)

v是采用的声速，b是正的常数，由自己设定，一般设定使得size_dz与size_dx在相同数量级。这样size_dz与声速正相关。这样是因为，对于固定的重建的目标，其深度z＝v·t，t为声波从目标传到传感器的时间，则其在z方向的像素数为

$n_z=\frac{z}{\mathrm{size}\_\mathrm{dz}}=t\·b---\left(5\right)$

这里t，b均为常数，固在声速变化时，成像目标的像素位置保持不变。

本发明中，步骤五，图像的重建过程为公式(1)中所述光声效应的逆过程，在传感器阵列上所检测的光声信号为

$p(r_0,t)=\mathrm{\η}\∫\∫\∫d^3\mathrm{rA}\left(r\right)\frac{{\mathrm{\δ}}^{\′}(t-\frac{|r_0-r|}{c})}{4\mathrm{\π}|r_0-r|}---\left(6\right)$

其中η＝β/C_p，β是热膨胀系数，C_p是比热容，A(r)是重建区域光吸收分布，r₀是传感器的坐标向量，|r₀-r|是重建区域到传感器的距离，δ′是激光脉冲产生的δ函数的导函数。上述过程的逆过程即是重建过程，重建方法由下面的公式给出

为传感器的有效孔径，p(r₀，t)是传感器的声压信号，c是一般用来重建的经验声速。在线型传感器的情形下，该吸收分布可近似由延时求和算法求出

$A\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{r}w(k,r)p_k(r,t+T(k,r))}{{\mathrm{\Σ}}_{k}w(k,r)}---\left(8\right)$

其中r代表重建目标的笛卡尔坐标向量，t代表初始延时，即从传感器开始记录到组织受激光照射激发的时间，k表示传感器，w(k，r)表示权重，T(k，r)为从位置r到传感器k的时间，p_k为传感器k所接收到的超声波信号序列。

本发明中，步骤六，对于选定的聚焦位置，调整其声速和延时补偿，使其达到聚焦。具体可通过如下方式进行，选取声速v₁，设定延时补偿初值和循环步长，延时初值应较小，使得重建区域的点为上凸的弧线。在以重建目标为中心的区域S内，计算S内所有像素灰度的能量均值，改变延时补偿，重复上述过程，求得能量均值达到最大的延时补偿d₁；再改变声速为v₂，重复上述步骤得到d₂，如此得到聚焦声速和延时补偿的数据，拟合的曲线中待定系数有2个，故至少需两组数据，一般可测试3至5组。

本发明中，步骤七，拟合得到聚焦声速和延时补偿的关系曲线。对于选定的成像目标，其受激光照射后发出的超声波与其所达到的器有下面的关系，

$\frac{\sqrt{z^2+{x_i}^2}}{v}-d=t_i---\left(9\right)$

$\frac{\sqrt{z^2+{x_j}^2}}{v}-d=t_j---\left(10\right)$

z为重建目标的z坐标，i，j为传感器的序号，重建的目标在两个传感器的有效角度内，x_i，x_j是传感器x方向的坐标，v是声速，d是所采用的延时补偿，t_i和t_i分别是准确的用于重建的有效时刻。x_i，x_j和z满足如下关系

$\frac{x_i}{z}=\tan {\mathrm{\θ}}_i---\left(11\right)$

$\frac{x_j}{z}=\tan {\mathrm{\θ}}_j---\left(12\right)$

则(9)(10)相减结合(11)(12)可得到

$z=v\frac{t_i-t_j}{\sqrt{\tan {{\mathrm{\θ}}_i}^2+1}-\sqrt{\tan {{\mathrm{\θ}}_j}^2+1}}---\left(13\right)$

记在声速变化导致成像深度z变化时，θ_i，θ_j近似保持不变，这是因为x_i，x_j相比z要小很多，且一般声速变化范围有限，故可认为γ是常数。所以有

z＝vγ  (14)

将公式(14)到代入(11)中得到

$d=\sqrt{{\left(\frac{x_i}{v}\right)}^2+{\mathrm{\γ}}^2-t_i}---\left(15\right)$

故d，v的关系近似为

$d=\sqrt{\frac{A}{v^2}+{\mathrm{\γ}}^2}+B---\left(16\right)$

A，B为待定系数，近似视为常数。拟合时，对于成像目标，先求解得到γ，γ可以用成像目标在z方向的深度除以声速得到。然后根据最小二乘法选择至少两组数据进行拟合，得到关系曲线的A和B。

本发明中，步骤八，按照前述步骤的方法，求得不同成像位置的聚焦声速和延时补偿的关系曲线。对于声速均一的介质，当声速为实际声速时，所用的延时补偿在所有的位置均为固定值，可以此针对不同位置的声速延时补偿关系列出方程组。以两个关系曲线为例，会有如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}d=\sqrt{\frac{A_1}{v^2}+{{\mathrm{\γ}}_1}^2}+B_1\\ d=\sqrt{\frac{A_2}{v^2}+{{\mathrm{\γ}}_2}^2}+B_2\end{array}\right.---\left(17\right)$

其中，γ₁，γ₂是求得的常数，A₁，B₁，A₁，B₂为确定的系数，解此方程组即可得到矫正的声速v_mod和其对应的d，如图3所示。

本发明提供了一种基于线性延时补偿的光声图像优化方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。另外，本实施例中未明确的各组成部分均可以用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在光声成像的设备系统中用激光器发射激光；

步骤二，线型传感器接收超声波信号；

步骤三，制定聚焦评价标准并选取重建时的聚焦位置；

步骤四，计算像素尺寸，实现重建图像像素位置的固定；

步骤五，用延时求和法重建图像；

步骤六，调整声速和延时补偿，实现不同聚焦位置的分别聚焦，记录声速和延时补偿的对应关系；

步骤七，根据声速和延时补偿的数据拟合关系曲线，确定曲线参数；

步骤八，联立不同聚焦位置的关系曲线，求解方程，得到矫正声速。

2.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤三中聚焦情况以能量聚集程度为评价标准，聚焦好的地方图像清晰，对比度好，成像质量高，反之，聚焦不好的地方成像质量差；聚焦标准的选择应结合成像目标的特点制定。

3.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤四中像素尺寸的计算分为传感器所在直线的x方向和深度所在的z方向，x方向的尺寸在小于传感器的间距量级，z方向的尺寸的计算为声速相关，这样就能在声速变化时保持像素数的一致，利于聚焦标准的制定。

4.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤五中图像重建的方法为延时求和算法，该算法采用经验声速和固定的延时补偿，重建速度较快。

5.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤六中声速和延时补偿对应于不同的观察目标，对于每个目标，选取不同的声速和延时补偿实现分别聚焦，这样每个重建目标都有一组声速和延时补偿的数据。

6.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤七中拟合的曲线为同一成像目标达到聚焦时的声速和延时补偿的关系曲线，该曲线有两个待定参数，所以每个成像目标至少需要两组数据。

7.根据权利要求1所述的一种光声成像中的声速矫正方法，其特征在于，所述步骤八中联立的方程为步骤七中的声速延时补偿关系方程，因为有声速和延时补偿两个未知数，故至少需两个不同深度成像目标的的声速延时补偿关系曲线。