CN105785566B - 一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，包括：根据要求的参数计算成像区域的像素；通过SLM对均匀光场调幅、移相，测得各像素和各种幅度下的光传输矩阵；通过对测得的光传输矩阵进行奇异值分解找到对待测平面局部聚焦时SLM的输出光场幅度和相位分布；通过控制SLM对待测平面局部进行聚焦，并重新测量。本发明充分利用光传输矩阵的性质，实现了对有限视角下光声成像的改善。

Description

一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法

技术领域

本发明属于生物医学及图像处理领域，尤其涉及一种能够改善光声成像有限视角的方法。

背景技术

光声成像技术是医学成像中的一种重要成像方式，但在完善的算法体系当中，成平面二维的图像最少需要进行π角度的光声信号的接受。然而实际测量中，往往扫描的角度仅仅被限制在一个半圆，一个平面，甚至是一条线，这就使数据的采集有所限制。同时医学成像的特殊性也不允许花费大量的时间进行数据的采样。因此，不论是时间上还是空间上，都存在对全方位扫描的限制，如果不加以改善而直接引用原算法重建，就会产生图像模糊、错位等问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有光声成像中有限视角带来的数据采集复杂及算法精度不佳的情况，提供了一种从数据采集的角度改善光声成像有限视角问题的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，包括如下步骤：

步骤1，在待测介质平面的一侧依次放置空间光调制器(Spatial LightModulator，简称SLM)和激光脉冲器，激光脉冲器向空间光调制器发射激光脉冲，激光脉冲经过空间光调制器调制为光场射向待测介质平面；在待测介质平面的上方放置有超声探测器阵列，所述超声探测器阵列为一维线性阵列；所述激光脉冲器、空间光调制器和超声探测器均与数据处理和控制设备相连；

步骤2，空间调制器像素单元个数K，待测区域的长L，宽W，选择合适的最终成像比例z以及最终成像图的单个像素的长l₁和宽w₁，得到最终成像图的像素个数M×N，M为长方向的像素个数，N为宽方向像素个数，M＝L×z/l₁，N＝W×z/w₁，使K≥M×N；

步骤3，根据空间光调制器像素单元的个数K，产生K个非线性相关的二值矩阵，以K个非线性相关的二值矩阵作为空间光调制器输出光场幅度的基底；

步骤4，利用移相技术对同一空间光调制器输出光场幅度的基底移相，测出基底处在不同相位下相应的光声信号，利用余弦调制计算得到(M×N)×K的光声传输矩阵T；

步骤5，对光声传输矩阵T进行奇异值分解，通过计算得到每个奇异值所对应到待测介质平面的位置和聚焦该位置时空间光调制器输出光场的幅度分布矩阵F_i，i＝1,2,3,···，M×N；

步骤6，通过数据处理和控制设备控制空间光调制器，使其输出光场的幅度分布矩阵为F_i，依次聚焦到待测介质平面的相应位置，进行测量，测得聚焦待测平面单个像素时的重建图像；

步骤7，将步骤6中逐个像素点测量的重建图像在最终成像图上叠加，得到改善后的重建图像。

其中，步骤4中，所述光声传输矩阵T为空间光调制器输出的光场信号经过移相技术后，在K个基底下，包括待测介质平面的M×N个像素的传输系数的矩阵。

步骤5中，对传输矩阵T进行奇异值分解，得到T＝U∑V^*，其中U是

(M×N)×(M×N)阶的酉矩阵；V^*，即V的共轭转置矩阵，是K×K阶的酉矩阵；∑是T分解后包含奇异值的(M×N)×K的对角矩阵，其中每个奇异值都对应于探测区域的一个光斑点，由于K≥M×N，因而得到M×N个奇异值，记为λ_i。取出λ_i在U矩阵中对应的列向量μ_i，解方程∑V^*·E_i＝_i，得到输入的幅度分布矩阵坐标E_i，对E_i用步骤2中选取的K个基底进行加权并归一化得到另一个幅度矩阵F_i，将F_i作为空间光调制器SLM的输出光场的幅度分布矩阵，此时得到的光声信号将是聚焦后的信号，而聚焦的位置在M×N个元素中相应的编号为i。

本发明中，针对控制设备，主要实现对数据进行信号调制，得到复数域的光传输矩阵T，同时对光传输矩阵进行奇异值分解，并由已知的矩阵解得相应的空间光调制器输出光场，从而控制空间光调制器实现对局部像素的聚焦。

有益效果：

本发明方法利用空间光调制器，进行一定的测量得到从空间光调制器平面上各像素点到所测介质平面各像素点的光传输矩阵T，再通过对光传输矩阵T的奇异值分解，从而控制空间光调制器SLM(spatial light modulator)输出不均匀的光场分布，聚焦于介质平面各像素点，实现每次只针对一个像素的测量，从而从数据采集的角度改善了有限视角的问题。

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

图1是本发明的设备组成图。

图2是空间光调制器输出平面像素的分布。

图3是探测器阵列的分布。

图4是空间光调制器选取基底的两种示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，用于医学成像特别是光声成像有限视角问题的改善。本发明充分利用光传输矩阵的性质，实现了对有限视角下光声成像的改善。本发明公开了一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，包括如下步骤：

步骤1，在待测介质平面(003)的一侧依次放置空间光调制器(002)和激光脉冲器(001)，激光脉冲器(001)向空间光调制器(002)发射激光脉冲，激光脉冲经过空间光调制器(002)调制为光场射向待测介质平面(003)；在待测介质平面(003)的上方放置有超声探测器阵列(004)，所述超声探测器阵列(004)为一维线性阵列；所述激光脉冲器(001)、空间光调制器(002)和超声探测器(004)均与数据处理和控制设备(005)相连；

步骤2，根据空间调制器像素单元个数K，待测区域的长L，宽W，选择合适的最终成像比例z以及最终成像图的单个像素的长l₁和宽w₁，得到最终成像图的像素个数M×N，M为长方向的像素个数，N为宽方向像素个数，M＝L×z/l₁，N＝W×z/w₁，使K≥M×N；

步骤3，根据空间光调制器像素单元的个数K，产生K个非线性相关的二值矩阵，以K个非线性相关的二值矩阵作为空间光调制器输出光场幅度的基底；

步骤4，利用移相技术对同一空间光调制器输出光场幅度的基底移相，测出基底处在不同相位下相应的光声信号，利用余弦调制计算得到(M×N)×K的光声传输矩阵T；

步骤5，对光声传输矩阵T进行奇异值分解，通过计算得到每个奇异值所对应到待测介质平面的位置和聚焦该位置时空间光调制器输出光场的幅度分布矩阵F_i，i＝1,2,3,···，M×N；

步骤6，通过数据处理和控制设备控制空间光调制器，使其输出光场的幅度分布矩阵为F_i，依次聚焦到待测介质平面的相应位置，进行测量，测得聚焦待测平面单个像素时的重建图像；

步骤7，将步骤6中逐个像素点测量的重建图像在最终成像图上叠加，得到改善后的重建图像。

其中，步骤4中，所述光声传输矩阵T为空间光调制器输出的光场信号经过移相技术后，在K个基底下，包括待测介质平面的M×N个像素的传输系数的矩阵。

步骤5中，对传输矩阵T进行奇异值分解，得到T＝U∑V^*，其中U是(M×N)×(M×N)阶的酉矩阵；V^*，即V的共轭转置矩阵，是K×K阶的酉矩阵；∑是T分解后包含奇异值的(M×N)×K的对角矩阵，其中每个奇异值都对应于探测区域的一个光斑点，由于K≥M×N，因而得到M×N个奇异值，记为λ_i(i＝1,2,3,···，M×N)。取出λ_i在U矩阵中对应的列向量μ_i，解方程∑V^*·E_i＝_i，得到输入的幅度分布矩阵坐标E_i，对E_i用步骤2中选取的K个基底进行加权并归一化得到另一个幅度矩阵F_i，将F_i作为SLM的输出光场的幅度分布矩阵，此时得到的光声信号将是聚焦后的信号，而聚焦的位置在M×N个元素中相应的编号为i。

实施例

如图1所示，本实施例公开的一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，按照如下内容设置部件：在待测介质平面的一侧依次放置空间光调制器002和激光脉冲器001，激光脉冲器朝向Z轴发射激光脉冲经过空间光调制器调制为光场射向待测介质平面；在待测介质平面的上方即Y轴正方向放置有一超声探测器阵列004，所述超声探测器阵列为沿X轴方向分布的一维线性阵列；所述激光脉冲器、空间光调制器和超声探测器均与数据处理和控制设备005相连；

其中图1，本发明的设备组成图中，分别包含激光脉冲器(001)、空间光调制器(002)、待测介质平面(003)、超声探测器阵列(004)以及数据处理和控制设备(005)。

图2，空间光调制器输出平面像素的分布中，空间光调制器表面的总像素个数为K。

图3，探测器阵列的分布中，每个探测器的探测单元都聚焦于其下方的柱状区域。

图4，SLM选取基底的两种示意图，分别为像素基底的示意图，以及改善后的基底示意图，即Hadmard基底，其中矩阵A为Hadamard矩阵，将Hadamard矩阵的行向量按顺序排列成矩阵形式就形成了Hadamard基底。

所述的激光脉冲器001位于测量设备的最前方，以一定时间(根据激光脉冲器与待测平面、待测平面与探测器阵列的距离以及待测平面的尺寸取为ns级别)为周期发射激光脉冲，用于数据采集，每次发射的激光为幅度一致、均匀的激光脉冲。

所述的空间光调制器002，如图2所示，作为一种调制装置，位于激光脉冲器与待测平面之间，为了算法的简化，将其调制后的输出光平面的分辨率与待测平面所需的分辨率选为一致的分辨率。

所述的超声探测器阵列004，如图3所示，为一线性传感器阵列，传感器阵列的分布方向与待测平面的行方向(X方向)平行，每个探测器单元对其下方的长直形的圆柱形的区域聚焦，因而每个探测器单元负责对待测平面的列方向(Y方向)的像素发射的光声信号进行探测。

所述的数据处理和控制设备005，实现对探测器阵列测得的数据进行适当的量化处理，对处理后的数据进行余弦调制，计算出光传输矩阵。数据处理设备同时也要实现对光传输矩阵的奇异值分解，并由已知的矩阵解得相应的空间光调制器输出光场，从而控制空间光调制器实现对局部像素的聚焦。

控制设备执行如下步骤实现对待测平面的成像：

步骤一，选取比例合适的图像像素尺寸，得到成像区域的像素个数M×N；

步骤二，空间光调制器像素单元的个数K，产生K个非线性相关的二值矩阵，以此为空间光调制器输出光场幅度的基底，则任一个输出光场的幅度分布都可以用K维的坐标向量E表示，即其真正的光场幅度分布可由E中每一个坐标分量分别与K个基底矩阵加权求和所得；

步骤三，将产生的空间光调制器输出光场幅度多次移相测出相应的声信号，获得在这K个基底下所探测区域的M×N个像素单元的光声传输系数，得到一个(M×N)×K的光声传输矩阵T；

步骤四，对传输矩阵T进行奇异值分解，通过计算得到每个奇异值λ_i(i＝1,2,3，···，M×N)所对应到待测平面的位置和聚焦该位置时空间光调制器输出光场的幅度分布F_i(i＝1,2,3,···，M×N)；

步骤五，控制空间光调制器，使其输出光场的幅度分布为F_i(i＝1,2,3,···，M×N)，依次聚焦到待测平面的相应位置，进行测量，实现探测区域的单像素测量；

步骤六，将步骤五中逐个像素点测量的数据在最终成像图上叠加，得到改善后的重建图像。

步骤一中，得到比例合适的图像像素尺寸需要综合考虑待测区域的尺寸、空间光调制器的像素个数。

步骤二中，SLM基底选取的不同对数据的余弦调制的效果和信噪比等参数都有所影响，如图4所示，本实例中选取Hadamard基底(Hadamard矩阵的行向量排列成矩阵形式)代替了像素基底(矩阵对应位置的元素取1，其余取0)，实现了更好的数据采集效果，因此将M×N选取为Hadamard矩阵的尺寸，即2ⁿ，可取M＝N＝2^n-1。

步骤三中，本例中的移相技术采用余弦调制。测得的光传输矩阵T：表示声信号在步骤二中选取的K个基底下，待测区域的M×N个像素的传输系数矩阵，记该矩阵第m行，第k列的元素为β(m,k)·exp[j·θ(m,k)]，则有探测区域的第m(m＝1,2,3，···，M×N)个像素单元对应测得的声信号 其中E_k表示空间光调制器上第k个像素单元的输出光的复值，即探测区域的光声信号的幅值分布为E_out＝T·E，其中E表示空间光调制器输出光场幅度以步骤二所选二值矩阵为基底的坐标。

步骤四中，对传输矩阵T进行奇异值分解，得到T＝U∑V^*，其中U是(M×N)×(M×N)阶的酉矩阵；V^*，即V的共轭转置矩阵，是K×K阶的酉矩阵；∑是T分解后包含奇异值的(M×N)×K的对角矩阵，其中每个奇异值都对应于探测区域的一个光斑点，由于K≥M×N，因而得到M×N个奇异值，记为λ_i(i＝1,2,3,···，M×N)。这里假设上述的奇异值分解是非退化的，即U、V矩阵的列向量分别是M×N维K空间的正交基(即使分解退化也可将U、V列向量取为正交基)，找到λ_i在U矩阵中对应的列向量μ_i,当输入幅度的分布坐标E_i使∑V^*·E_i＝_i，即就使得中第i个像素的输出最大，而由于正交基的性质使得其他位置像素的输出光声信号受到抑制。

取出λ_i在U矩阵中对应的列向量μ_i，解方程∑V^*·E_i＝_i，得到输入的幅度分布矩阵坐标E_i，对E_i用步骤二中选取的K个基底进行加权并归一化得到另一个幅度矩阵F_i，将F_i作为SLM的输出光场的幅度分布矩阵，此时得到的光声信号将是聚焦后的信号，而聚焦的位置在M×N个元素中相应的编号为i。

步骤五中，在进行聚焦的重复测量时，可以设定一个阈值，本实施例中取阈值λ_threshold＝0.01×λ_max,其中λ_max为奇异值λ_i(i＝1,2,3,···，M×N)中的最大值，将奇异值λ_i(i＝1,2,3,···，M×N)中小于该阈值的部分看作噪声和误差影响，在聚焦测量时可以忽略，图像重建时将其看作没有光吸收的区域，即暗区域，因此只对奇异值较大的像素进行测量。

步骤六中，根据所得图像的质量以及时间等多种因素，可以考虑以所得的光传输矩阵进行聚焦、移相等操作重复测得更加精确的光传输矩阵，从而再次重复步骤四、五、六得到更精确的图像。

本发明提出了一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，应当指出，所需的脉冲激光器、空间光调制器的形式不对本专利构成限制；所采用的SLM基底选取方式不对本专利构成限制；光声探测器的分布可以是线性的，同样也可以是其他形式，具体使用何种分布形式不对本专利构成限制。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离发明原理的前提下还可以做出若干改进和润饰，这些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 (3)

1.一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在待测介质平面的一侧依次放置空间光调制器和激光脉冲器，激光脉冲器向空间光调制器发射激光脉冲，激光脉冲经过空间光调制器调制为光场射向待测介质平面；在待测介质平面的上方放置有超声探测器阵列，所述超声探测器阵列为一维线性阵列；所述激光脉冲器、空间光调制器和超声探测器均与数据处理和控制设备相连；

步骤2，根据空间调制器像素单元个数K，待测区域的长L，宽W，选择最终成像比例z以及最终成像图的单个像素的长l₁和宽w₁，得到最终成像图的像素个数M×N，M为长方向的像素个数，N为宽方向像素个数，M＝L×z/l₁，N＝W×z/w₁，使K≥M×N；

步骤3，根据空间光调制器像素单元的个数K，产生K个非线性相关的二值矩阵，以K个非线性相关的二值矩阵作为空间光调制器输出光场幅度的基底；

步骤4，利用移相技术对同一空间光调制器输出光场幅度的基底移相，测出基底处在不同相位下相应的光声信号，利用余弦调制计算得到(M×N)×K的光声传输矩阵T；

步骤5，对光声传输矩阵T进行奇异值分解，通过计算得到每个奇异值所对应到待测介质平面的位置和聚焦该位置时空间光调制器输出光场的幅度分布矩阵F_i，i＝1,2,3,···，M×N；

步骤6，通过数据处理和控制设备控制空间光调制器，使其输出光场的幅度分布矩阵为F_i，依次聚焦到待测介质平面的相应位置，进行测量，测得聚焦待测平面单个像素时的重建图像；

步骤7，将步骤6中逐个像素点测量的重建图像在最终成像图上叠加，得到改善后的重建图像。

2.根据权利要求1所述的一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，其特征在于，步骤4中，所述光声传输矩阵T为空间光调制器输出的光场信号经过移相技术后，在K个基底下，包括待测介质平面的M×N个像素的传输系数的矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种利用空间光调制器改善光声成像有限视角的方法，其特征在于，步骤5中，对传输矩阵T进行奇异值分解，得到T＝U∑V^*，其中U是(M×N)×(M×N)阶的酉矩阵；V^*，即V的共轭转置矩阵，是K×K阶的酉矩阵；∑是T分解后包含奇异值的(M×N)×K的对角矩阵，其中每个奇异值都对应于探测区域的一个光斑点，由于K≥M×N，因而得到M×N个奇异值，记为λ_i，取出λ_i在矩阵U中对应的列向量μ_i，解方程∑V^*·E_i＝_i，得到输入的幅度分布矩阵坐标E_i，对E_i用步骤2中选取的K个基底进行加权并归一化得到另一个幅度矩阵F_i，将F_i作为空间光调制器的输出光场的幅度分布矩阵，此时得到的光声信号将是聚焦后的信号，而聚焦的位置在M×N个元素中相应的编号为i。