CN103637775A - 一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，包括以下步骤：利用疏密分布的环形光声传感装置对组织进行第一次光声采集；利用压缩感知理论对采集到的光声信号进行第一次重建；根据第一次重建结果旋转环形光声传感装置，使传感装置密集端对准组织关键部位，并进行第二次光声采集；利用压缩感知理论对第二次采集到的光声数据进行重建。本发明结合压缩感知理论，在传感器数量受限的条件下，利用疏密分布的环形光声传感装置采集到的光声信号对目标组织进行两次光声重建，从而使组织关键部位的最终成像效果更为突出。

Description

一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置

技术领域

本发明涉及生物医学图像处理领域，特别是一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置。

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，它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，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。随着科学技术的进步，生物组织无损检测技术蓬勃发展，医学对人体某些疾病的检测，如人体组织成分(血糖、血氧)检测、组织病变细胞检测、以及组织切片检测等，正由传统的基于症状的有创检测模式向以信息为依据的无损检测模式转变。基于光声效应的时频域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响，因此光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性，同时还具有分辨率高、无副作用等特点，并正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。

压缩感知，又称压缩采样，压缩传感。它作为一个新的采样理论，它通过开发信号的稀疏特性，在远小于奈圭斯特采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。利用压缩感知理论可以在有限传感器数据的情况下，获得更好的光声重建结果。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对传统等间隔传感器布置得到的光声重建结果中关键部位成像不够清晰的问题，提供一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，包括以下步骤：

步骤一，利用疏密分布的环形光声传感装置对组织进行第一次光声采集；

步骤二，利用压缩感知理论对采集到的光声信号进行第一次重建；

步骤三，根据第一次重建结果旋转环形光声传感装置，使传感装置密集端对准组织关键部位，并进行第二次光声采集；

步骤四，利用压缩感知理论对第二次采集到的光声数据进行重建。

本发明中，优选地，所述步骤一，假定传感器数量为N且固定，将放置传感器的环等分为M×N个位置点，M≥1。其中，每个位置点可以放置或者不放置传感器。根据所要检测组织(比如乳房、内脏等)的普遍结构，设置特定的疏密布置。环形光声传感装置的密集端对应组织的关键部位，稀疏端对应组织的非关键部位，其中关键部位即为需要获得更加清晰成像的组织部分。另外，在密集端放置的传感器间距较小，稀疏端放置的传感器间距较大，密集端及稀疏端各自可以等间距的放置传感器。

本发明中，优选地，所述步骤二中利用压缩感知理论进行重建的方法，假定重建的光声图像大小为P×Q，对所有N个传感器采集得到的数据做快速傅里叶变换，然后从各频谱数据中选取L个采样点，组成N×L大小的抽样矩阵Y，根据所要重建光声图像中像素点的坐标计算测量矩阵K，最后利用正交匹配跟踪算法(OMP)重建得到光声图像。

本发明中，优选地，所述步骤三，在步骤二中的第一次重建结果生成后，观察组织的光声重建图像，选取组织的关键部位，并旋转环形光声传感装置使其密集端对准组织的关键部位，进行第二次光声采集，旋转时保持环形光声传感装置的圆心位置固定。

本发明中，优选地，所述步骤四再次利用压缩感知理论进行光声重建，由于步骤三将环形光声传感装置的密集端对准了组织的关键部位，第二次重建结果中关键部位的成像效果将更加清晰。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明方法的环形光声传感装置的疏密布置示意图。

图2是一种疏密逐渐变化的环形光声传感装置的疏密布置示意图。

图3是一种疏密逐渐变化且对称的环形光声传感装置的疏密布置示意图。

具体实施方式：

本发明结合压缩感知技术，通过疏密相间的环形光声传感装置对组织进行两次重建，根据第一次重建结果确定关键部位的具体位置，然后旋转环形光声传感装置使密集端对准关键部位，并进行第二次重建，从而获得组织关键部位的清晰成像结果。

如图1所示，本发明公开了一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，包括以下步骤：

步骤一，利用疏密分布的环形光声传感装置对组织进行第一次光声采集；

步骤二，利用压缩感知理论对采集到的光声信号进行第一次重建；

步骤三，根据第一次重建结果旋转环形光声传感装置，使传感装置密集端对准组织关键部位，并进行第二次光声采集；

步骤四，利用压缩感知理论对第二次采集到的光声数据进行重建。

本发明中，步骤一，假定传感器数量固定为N(N一般为128)，将放置传感器的环等分为M×N个位置点，每个位置点可以放置或者不放置传感器，其中M≥1且通常为整数。根据所要检测组织的普遍结构，比如乳房、内脏等，设置特定的疏密布置。如图1所示，假设所要检测的组织普遍存在三个关键部位，则环形光声传感装置上设置三处密集端，并对准该组织的三处关键部位，环形光声传感装置余下各部分作为稀疏端，并对应组织的非关键部位。另外，在密集端放置的传感器间距较小，稀疏端放置的传感器间距较大，密集端及稀疏端各自可以等间距的放置传感器。图2和图3给出了另外可能存在的两种布置环形光声传感装置的方案，具体使用何种疏密布置方案不对本专利构成限制。

本发明中，步骤二，假设传感器采集到的光声信号

与组织的光吸收分布(即光声重建结果)有如下关系：

$p_n({\stackrel{\→}{r}}_n,t)=\frac{\mathrm{\β}}{4\mathrm{\πC}}\∫d{\stackrel{\→}{r}}^{\′}A\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)\frac{{\mathrm{\δ}}^{\′}(t-|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}^{\′}|/c)}{|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}^{\′}|}\⊗g_n\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，

为第n(n＝1，2，...，N)个传感器采集到的光声信号，t表示时间，

为第n个传感器所在位置，c为声速，C为比热，β为等压膨胀系数，g_n(t)为第n个传感器的时域脉冲响应函数，为

处组织的光吸收分布，

表示第n个传感器到

处组织的欧氏距离。

公式(1)在傅里叶域的表示形式为：

${\stackrel{\‾}{p}}_n({\stackrel{\→}{r}}_n,k)=-\mathrm{ick}{g}_n\left(k\right)\∫d{\stackrel{\→}{r}}^{\′}A\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)\frac{e^{\mathrm{ik}|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}^{\′}}}{|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}^{\′}}---\left(2\right)$

其中k＝2πf/c，f为频率值，g_n(k)为第n个传感器的频域脉冲响应函数，i为虚数单位。

分别对N个传感器计算得到的频谱数据进行L点抽样得到N×L大小的抽样矩阵Y。测量矩阵K可根据公式(2)的离散化结果提取得到：

$K_{n,l}(s,t)=-\mathrm{ic}{k}_{n,l}\frac{e^{{\mathrm{ik}}_{n,l}|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}_{s,t}|}}{|{\stackrel{\→}{r}}_n-{\stackrel{\→}{r}}_{s,t}|}{g}_{n,l}---\left(3\right)$

其中(s，t)为需要重建的组织中某像素点的坐标，g_n，l为第n个传感器的脉冲响应在第l个位置处的值，k_n，l＝2πf_n，l/c，f_n，l为第n个传感器的第l个频谱抽样值。根据公式(3)计算得到的测量矩阵K以及抽样得到的频谱抽样矩阵Y利用正交匹配跟踪算法(OMP)求解压缩感知最优化问题：

$\min {{\left|\right|\mathrm{\θ}\left|\right|}_1}_{1}s.t.Y=\mathrm{K\Φ\θ}---\left(4\right)$

A＝Φθ     (5)

其中，Φ为正交基矩阵，可以是傅里叶正交基、小波正交基、曲波正交基等，A为目标生物的光吸收分布矩阵，即为所需重建的光声图像。

本发明中，所述步骤三，在步骤二的第一次重建结果生成后，观察组织的光声重建图像，选取组织的关键部位，并将环形光声传感装置上的密集端旋转对准组织的关键部位，旋转时保持环形光声传感装置的圆心位置固定，进行第二次光声采集。

本发明中，所述步骤四，将步骤三采集到的光声数据利用步骤二中压缩感知的方法进行第二次光声图像重建，使组织关键部位的成像效果变得更加清晰。

本发明提供了一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，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用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，利用疏密分布的环形光声传感装置对组织进行第一次光声采集；

步骤二，利用压缩感知理论对采集到的光声信号进行第一次重建；

步骤三，根据第一次重建结果旋转环形光声传感装置，使传感装置密集端对准组织关键部位，并进行第二次光声采集；

步骤四，利用压缩感知理论对第二次采集到的光声数据进行重建。

2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，所述步骤一中环形光声传感装置上的传感器可根据所检测组织的普遍结构进行事先的疏密布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，所述步骤二中利用压缩感知理论进行重建的方法为，针对所有N个传感器，分别对各个传感器采集到的光声数据做快速傅里叶变换，然后从得到的频谱数据中抽取L个采样点，组成N×L大小的抽样矩阵Y，根据所要重建图像像素点的坐标计算测量矩阵K，然后用正交匹配跟踪算法(OMP)进行光声图像的重建。

4.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，所述步骤三，在第一次重建结果生成后，观察组织的重建图像，选择组织中所感兴趣的部分作为关键部位。保持环形光声传感装置的圆心位置不变，将环形光声传感装置上的密集端旋转对准组织的关键部位，然后进行第二次光声采集。

5.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，所述步骤四，再次利用压缩感知理论对旋转对准后的环形光声传感装置采集到的光声数据进行重建，提高组织关键部位的成像清晰度。

6.根据权利要求2所述的一种基于压缩感知理论的环形光声传感装置，其特征在于，所述疏密布置的方法为，在传感器数量N有限的条件下，将环等分为M倍传感器数量的位置点，每个位置点可以放置或者不放置传感器，布置时使密集端的传感器间距较小，稀疏端的传感器间距较大。

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