CN105342567B - 一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法，其特征在于：包括脉冲激光器、环形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传感器阵列浸没于水中，环形超声传感器阵列采集到的光声信号首先经过预放大器放大后使用高速A/D进行采样，然后送入FPGA采用并行方法对数据进行预处理以增加可以进行图像重建的数据，最后这些数据通过高速接口传输到计算机中实现光声图像的重建、显示和相应参数的提取。本发明通过系统中的装置和算法增加了光声信号数据，从而在重建中提高了光声图像的信噪比，使之可以更准确地反映生物组织内部的信息，同时采用FPGA对光声数据进行并行预处理，提高了数据处理速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光声图像重建技术，尤其涉及一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法。
背景技术
光声成像是一种新型无损的医学成像技术，其物理基础是Bell在1880年发现的光声效应：当光子被物体吸收转化为热时，物体温度快速提升而导致热膨胀，从而产生宽频带的超声波，超声波迅速向组织边界传播并可被一个或多个超声换能器接收到，利用接收到的超声信号可以对组织中初始压力分布进行成像。
目前已有很多算法用于图像重建，如Kruger等提出了一种基于逆Radon变换的光声图像重建算法；L.H.Wang等给出了在平面、柱面、球面扫描模式下图像重建的解析表达形式，光声图像通过对时域光声信号的后向投影进行重建；Da.Xing等使用逆卷积的方法进行重建。这些算法研究都是建立在全方位扫描探测的基础之上，而在实际应用当中，超声传感器的采集位置数目和采样角度会受到硬件条件及空间位置的限制，从而导致重建图像质量的下降。一些文献中对这种情况进行了分析并提出了部分解决方法，如：吴丹，陶超，刘晓峻.有限方位扫描的光声断层成像分辨率研究.物理学报，2010，59(8)：5846-5851；张砚，汪源源，李伟，张建秋，李旦，胡波.基于全变分法重建光声图像光学精密工程，2012，20(1)：204-212。在上述的文献提及的光声信号数据获取及预处理方法中，往往是采用数据采集卡依次得到各位置的数据，然后通过计算机对这些数据进行串行的运算，使得数据处理及后续图像重建的速度受到影响。
发明内容
本发明目的是：提供一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法，通过装置及方法的改良，提高光声图像的信噪比，使之可以更准确地反映生物组织内部的信息，同时采用并行预处理，提高了数据处理速度。
本发明的技术方案是：一种提高重建光声图像信噪比的装置，包括脉冲激光器、环形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传感器阵列浸没于水中：
所述脉冲激光器，用于通过光纤向待测样品发射激光；
所述环形超声传感器阵列，包括若干M个超声传感器，环形均布于待测样品周围，用于采集待测样品被激发出的光声信号；
所述驱动装置，包括步进电机及控制器，通过控制器驱动步进电机运转，调节所述环形超声传感器阵列的位置，所述控制器接收所述计算机控制信号；
所述信号预处理电路，包括预放大电路，A/D转换电路及FPGA现场可编程门阵列，所述预放大电路用于将采集的光声信号放大，所述A/D转换电路接放大后的光声信号并进行模数转换，转换后的光声信号送入所述FPGA现场可编程门阵列进行数据处理；
所述计算机，用于接收所述信号预处理电路输出的信号，通过光声图象重建算法重建出光声图像。
上述技术方案中，所述环形超声传感器阵列中包含环形均布的8个超声传感器，每一超声传感器输出对应一路所述预放大电路及一路A/D转换电路，并行处理声光信号后送至所述FPGA现场可编程门阵列中，A/D转换电路的采样速度大于80MSps，精度为12位。
上述技术方案中，所述驱动装置中，步进电机输出端与一环形安装架连接，所述超声传感器安装于该环形安装架上，所述环形安装架通过步进电机驱动，具有逆时针或顺时针旋转的自由度。
进一步的技术方案为，所述环形安装架逆时针或顺时针旋转一次的角度小于360°/超声传感器个数M度。
本发明的方法技术方案是：其步骤为：
a.脉冲激光器通过光纤发射激光束至待测样品，该待测样品置于水环境中；
b.超声传感器采集待测样品被激发出的光声信号，接收到的光声信号经预放大电路放大后，使用高速A/D转换电路进行数据转换；
c.采样信号送入FPGA现场可编程门阵列，采用并行方法对数据进行预处理；
d.预处理后的信号送到计算机中通过算法实现光声图像的重建、显示和相应参数的提取。
上述技术方案中，所述步骤b中，采样光声信号包括1～N组，每一组的采样方式为：环形传感器阵列处于起始位置i，包含1～f个超声传感器，采集到的光声信号数据记作第一组数据xi1(t)、xi2(t)、...、xif(t)；在当前位置i停留预定时间X之后，控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置j，使用上述同样的方法采集数据，记为第二组数据xj1(t)、xj2(t)、...、xjf(t)；在当前位置j停留预定时间X之后，再次控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置k，使用上述同样的方法采集数据，记为第三组数据xk1(t)、xk2(t)、...、xkf(t)；重复上述采集方式，直至采集完成第N组数据，完成一次采样的过程。
上述技术方案中，所述FPGA现场可编程门阵列对数据预处理过程中，首先需要增加图像重建时可用的数据量，通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得到，所得到增加数据与实际采集数据均送入数据暂存中存储，由时序主控模块给出控制信号，通过USB接口送入所述计算机中进行光声图像的重建、显示和相应参数的提取工作。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明中环形传感器阵列通过驱动装置可变换位置，从而采集多个角度的数据，以提高光声信号的数据完整性，有利于提升后续重建光声图像的质量；同时，驱动装置由控制器接收计算机信号来驱动，确保采集位置的精确性，可控性；
2.本发明中通过FPGA现场可编程门阵列进行数据预处理，通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得到未实际采集的数据，从而有效解决受机械尺寸限制以及成本太高等问题，在重建中提高了光声图像的信噪比，使之可以更准确地反映生物组织内部的信息；同时，FPGA采用对光声数据的并行预处理方式，提高了数据处理速度；
3.待测样品和传感器都浸没在水中，以便减少高频超声信号的衰减。
附图说明
图1是本发明中实施例一的系统整体结构示意图；
图2是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图(初始位置i)；
图3是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图(初始位置j)；
图4是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图(初始位置k)；
图5是本发明中实施例一中FPGA现场可编程门阵列内部电路原理框图；
图6是本发明中实施例一中重建所得图像与以往重建所得图像对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1～6所示，一种提高重建光声图像信噪比的装置，包括脉冲激光器、环形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传感器阵列浸没于水箱中，
所述脉冲激光器为OPO激光器，其波长在680～950nm之间可调，输出的激光单脉冲能量可达毫焦耳级别，用于通过光纤向待测样品发射激光；
所述环形超声传感器阵列，包括8个超声传感器，环形均布于待测样品周围，用于采集待测样品被激发出的光声信号；
所述驱动装置，包括步进电机及控制器，通过控制器驱动步进电机运转，调节所述环形超声传感器阵列的位置，所述控制器接收所述计算机控制信号；
所述信号预处理电路，包括预放大电路，高速A/D转换电路及FPGA现场可编程门阵列，所述预放大电路用于将采集的光声信号放大，所述高速A/D转换电路接放大后的光声信号并进行模数转换，转换后的光声信号送入所述FPGA现场可编程门阵列进行数据处理；
所述计算机，用于接收所述信号预处理电路输出的信号，通过光声图象重建算法重建出光声图像。
如图2～4所示，所述环形超声传感器阵列中包含环形均布的8个超声传感器，分别编号为1～8，可以同时采集8个位置上的光声信号；每一超声传感器输出对应一路所述预放大电路及一路高速A/D转换电路，并行处理声光信号后送至所述FPGA现场可编程门阵列中，高速A/D转换电路的采样速度100MSps，精度为12位。
所述驱动装置中，步进电机输出端与一环形安装架连接，所述超声传感器安装于该环形安装架上，所述环形安装架通过步进电机驱动，具有逆时针或顺时针旋转的自由度。
具体方法为：
a.OPO激光器通过光纤发射激光束至待测样品，该待测样品置于水箱中；
b.超声传感器采集待测样品被激发出的光声信号，接收到的光声信号经预放大电路放大后，使用高速A/D转换电路进行数据转换；
c.采样信号送入FPGA现场可编程门阵列，采用并行方法对数据进行预处理；预处理过程中，如图5所示，首先需要增加图像重建时可用的数据量，通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得到，所得到增加数据与实际采集数据均送入数据暂存中存储，由时序主控模块给出控制信号，通过USB接口送入所述计算机中进行光声图像的重建、显示和相应参数的提取工作；
d.预处理后的信号送到计算机中通过算法实现光声图像的重建、显示和相应参数的提取。
本实施例中，在系统工作时，操作人员通过计算机中运行的软件给出步进电机的控制信号，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于起始位置i(如图2所示)；然后控制OPO激光器发出周期性激光脉冲，同时输出信号送入FPGA现场可编程门阵列中作为数据采集的触发信号，此时采集到的光声信号数据记作xi1(t)、xi2(t)、...、xi8(t)；在当前位置i停留60秒之后，控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针旋转15°，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置j(如图3所示)，使用上述同样的方法采集数据，记为xj1(t)、xj2(t)、...、xj8(t)；在当前位置j停留60秒之后，再次控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针旋转15°，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置k(如图4所示)，使用上述同样的方法采集数据，记为xk1(t)、xk2(t)、...、xk8(t)；在位置k采集数据60秒之后，完成了一次检测的过程；
在FPGA中对数据预处理的过程中，为增加图像重建时可用的数据量，未实际停留48个位置上的数据通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得到，故输出的共有72个位置点上的数据：x1(t)、x2(t)、...、x72(t)，即采样圆周上每间隔5°一组数据。数据预处理方法如下所述：
(1)得到第一次采集到的光声信号数据xi1(t)、xi2(t)、...、xi8(t)后，实际采样的8个位置点数据直接对应最终x1(t)、x2(t)、...、x72(t)中的x1(t)、x10(t)、...、x64(t)(72个点位，每5°一间隔，对应8个平均分布的实际测得数据，分别为第1、10、28、37、46、55、64点位上)，其余各点的数据通过相邻±45°内的实际采样点数据定量系数加权(系数大小为预先设计数据，分别以位置的重要程度为依据定立。)运算得到，以x2(t)为例，在第一次采样后只有xi1(t)和xi2(t)这两个实际采样点在±45°内的范围之内，而在后续的两次采样中仍有实际的采样点满足此条件，所以当前得到的是最终x2(t)的中间运算结果
x2temp1(t)＝0.3×xi1(t)+0.05×xi2(t)
其余各点的运算过程与此类似，其中1、0.3、0.05为预设的加权系数。此运算过程在FPGA内部设计为并行运算电路，通过硬件加法器和乘法器快速得到计算结果并暂存。
⑵得到第二次采集到的光声信号数据xj1(t)、xj2(t)、...、xj8(t)后，将满足计算条件的采样点数据带入上述(1)中的计算过程，以x2(t)为例，在第二次采样后有xj1(t)、xj2(t)和xj3(t)这三个实际采样点在±45°内的范围之内，而在后续的一次采样中仍有实际的采样点满足此条件，所以当前得到的是最终x2(t)的中间运算结果：
x2temp2(t)＝x2temp1(t)+0.2×xj1(t)+0.1×xj2(t)+0.08×xj3(t)
其余各点的运算过程与此类似。此运算过程在FPGA内部设计为并行运算电路，通过硬件加法器和乘法器快速得到计算结果并暂存。
⑶得到第三次采集到的光声信号数据xk1(t)、xk2(t)、...、xk8(t)后，将满足计算条件的采样点数据带入上述(1)中的计算过程，以x2(t)为例，在第三次采样后有xk1(t)、xk2(t)和xk3(t)这三个实际采样点在±45°内的范围之内，所以当前得到的是最终x2(t)的运算结果：
x2(t)＝x2temp2(t)+0.1×xk1(t)+0.2×xk2(t)+0.1×xk3(t)
其余各点的运算过程与此类似。此运算过程在FPGA内部设计为并行运算电路，通过硬件加法器和乘法器快速得到计算结果并暂存。
上述在FPGA中对数据的预处理可以在采集的同时并行执行，其内部电路原理框图如图5所示，当数据处理完成之后，通过USB接口传递给计算机进行图像重建工作。
在实验中的结果对比如图6所示，左侧A为经过预处理装置重建所得图像，右侧B为未经预处理之间重建的图像，可见图像的信噪比得到了明显的提升。
Claims (7)
1.一种提高重建光声图像信噪比的装置，其特征在于：包括脉冲激光器、环形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传感器阵列浸没于水中，
所述脉冲激光器，用于通过光纤向待测样品发射激光；
所述环形超声传感器阵列，包括若干M个超声传感器，环形均布于待测样品周围，用于采集待测样品被激发出的光声信号；
所述驱动装置，包括步进电机及控制器，通过控制器驱动步进电机运转，调节所述环形超声传感器阵列的位置，所述控制器接收所述计算机控制信号；
所述信号预处理电路，包括预放大电路，A/D转换电路及FPGA现场可编程门阵列，所述预放大电路用于将采集的光声信号放大，所述A/D转换电路接放大后的光声信号并进行模数转换，转换后的光声信号送入所述FPGA现场可编程门阵列进行数据处理；
所述计算机，用于接收所述信号预处理电路输出的信号，通过光声图象重建算法重建出光声图像。
2.根据权利要求1所述的提高重建光声图像信噪比的装置，其特征在于：所述环形超声传感器阵列中包含环形均布的8个超声传感器，每一超声传感器输出对应一路所述预放大电路及一路A/D转换电路，并行处理声光信号后送至所述FPGA现场可编程门阵列中，A/D转换电路的采样速度大于80MSps，精度为12位。
3.根据权利要求1所述的提高重建光声图像信噪比的装置，其特征在于：所述驱动装置中，步进电机输出端与一环形安装架连接，所述超声传感器安装于该环形安装架上，所述环形安装架通过步进电机驱动，具有逆时针或顺时针旋转的自由度。
4.根据权利要求3所述的提高重建光声图像信噪比的装置，其特征在于：所述环形安装架逆时针或顺时针旋转一次的角度小于360°/超声传感器个数M度。
5.采用权利要求1的装置实现提高重建光声图像信噪比的方法，其步骤为：
a.脉冲激光器通过光纤发射激光束至待测样品，该待测样品置于水环境中；
b.超声传感器采集待测样品被激发出的光声信号，接收到的光声信号经预放大电路放大后，使用高速A/D转换电路进行数据转换；
c.采样信号送入FPGA现场可编程门阵列，采用并行方法对数据进行预处理；
d.预处理后的信号送到计算机中通过算法实现光声图像的重建、显示和相应参数的提取。
6.根据权利要求5所述的实现提高重建光声图像信噪比的方法，其特征在于：所述步骤b中，采样光声信号包括1～N组，每一组的采样方式为：环形传感器阵列处于起始位置i，包含1～f个超声传感器，采集到的光声信号数据记作第一组数据xi1(t)、xi2(t)、...、xif(t)；在当前位置i停留预定时间X之后，控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置j，使用上述同样的方法采集数据，记为第二组数据xj1(t)、xj2(t)、...、xjf(t)；在当前位置j停留预定时间X之后，再次控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置k，使用上述同样的方法采集数据，记为第三组数据xk1(t)、xk2(t)、...、xkf(t)；重复上述采集方式，直至采集完成第N组数据，完成一次采样的过程。
7.根据权利要求5所述的实现提高重建光声图像信噪比的方法，其特征在于：所述FPGA现场可编程门阵列对数据预处理过程中，首先需要增加图像重建时可用的数据量，通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得到，所得到增加数据与实际采集数据均送入数据暂存中存储，由时序主控模块给出控制信号，通过USB接口送入所述计算机中进行光声图像的重建、显示和相应参数的提取工作。
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