CN106901693A - 基于环形超声换能器阵列的大景深光声‑声速双模成像法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形超声换能器阵列的大景深光声‑声速双模成像法，首先，利用脉冲激光照射样品产生超声信号，根据信号到达环形超声换能器阵列的时间延迟得到声速分布信息，从而获得声速分布图像；声速分布信息又可以帮助光声图像重构时矫正其声速误差，从而提高光声图像的成像质量。其次，利用环形超声换能器阵列的动态聚焦性能，使得光声图像在较长深度范围内保持高的侧向分辨率，从而获得大景深高质量的光声图像。本发明提出的双模成像方法，无需采用附加手段即可获得声速分布信息，更加避免了由于环境因素和样品多样性造成的声速偏差，从而同步地获得样品的大景深高质量的光声图像和声速分布图像，具有较高的易用性和实用性。

Description

基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法

技术领域

本发明涉及一种利用环形超声换能器阵列实现大景深光声-声速双模成像的方法，具体说是一种利用环形超声换能器阵列各阵元检测到的光声信号的相关性来获得媒质的声速分布，从而获得媒质的超声声速图像；同时，通过环形超声换能器阵列的动态聚焦以及测得的媒质声速，来获得高质量大景深的光声图像。

背景技术

光声显微镜作为一种非侵入性的生物医学成像技术，近几年得到了飞速地发展。光声显微镜既具有声学方法对深层组织分辨率高的优点，又具有光学方法在功能成像、分子成像和成像对比度等方面的优势。

然而，成像景深浅和媒质中声速的不确定性限制了光声显微镜的成像效果。首先，传统的光声显微镜一般使用焦点固定的点聚焦换能器检测光声信号，它仅能在焦平面内获得高分辨的图像，而焦平面范围外图像分辨率急剧下降，因此它的成像景深很浅，一般正比于超声换能器焦点的长度。第二，光声图像的精确重构依赖于获得准确的媒质声速值，传统的方法通常忽视了组织声速的不均匀性，而是根据先验知识预设统一的声速值，抑或使用附加方法获得声速的先验信息，不仅提高了成本，也无法避免由于环境因素、样品差异造成的声速值的不准确，从而导致的图像偏移和图像质量下降。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用环形超声换能器阵列同步实现大景深光声-声速双模成像的方法，是一种同步的大景深声速成像和高质量光声显微镜成像的双模成像方法；该方法通过调节环形超声阵列各环的信号的时间延迟，实现一定深度范围内的动态聚焦，再通过阵列各环检测到的信号的互相关性，得到组织中的声速分布图；进而根据测量得到准确声速值，进一步提高光声图像质量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲激光器照射被成像样品，样品中的光吸收体吸收激光能量后，基于光声效应向周围辐射超声波信号；

步骤2：利用环形超声换能器阵列接收样品辐射出的超声波信号；

步骤3：记环形超声换能器阵列平行于x-y平面，样品中某光吸收体与环形超声换能器阵列的垂直距离记为该光吸收体的深度z；逐点扫描样品，记录超声换能器阵列各位置处接收到的各光吸收体辐射出的超声波信号；

步骤4：从环形超声换能器阵列采集的超声波信号中提取相对光吸收系数信息，具体为：根据环形超声换能器阵列各阵元的有效半径和平均声速，调整超声波信号的相位延时，实现环形超声换能器阵列的动态聚焦，从而重构深度z处的相对光吸收系数，并以此重构样品的光声图像；

步骤5：从环形超声换能器阵列采集的超声波信号中提取平均声速信息，具体为：通过环形超声换能器阵列的中心阵元和其余阵元的互相关函数，测得各阵元间的延迟时间，根据各阵元间的延迟时间和各阵元的有效半径的关系，通过最小二乘法拟合出从环形超声换能器阵列到深度z处的平均声速；

步骤6：基于从环形超声换能器阵列到深度z处的平均声速，通过递归法求得深度z处的绝对声速，从而得到样品中的声速分布，并以此构建样品的声速图像；

步骤7：根据步骤5计算得到的平均声速和步骤6计算得到的绝对声速对步骤4中光声重构公式中的平均声速进行校正，获得具有准确声源位置的高质量光声图像。

具体的，所述步骤4中，样品的光声图像重构过程如下：

步骤41：r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n满足如下关系：

其中，n＝1,2,…,N，N为环形超声换能器阵列的阵元个数，第1个阵元为中心阵元；r_n为第n个阵元的有效半径，C(r；z)为深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速；

步骤42：环形超声换能器阵列的第n个阵元接收到的r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号为p_n(r,t_n)，则在深度z处的光声重构公式为：

其中，H[·]表示·的希尔伯特变换，β(z)是用于抑制旁瓣以提高横向分辨率的相关系数，且

步骤43：根据步骤41中的关系，通过对p_n(r,t_n)的相位延时进行动态调整，使得环形超声换能器阵列的焦点动态地聚焦在不同深度z。

具体的，所述步骤5中，平均声速的拟合过程如下：

步骤51：计算p_n(r,t_n)和p₁(r,t₁)的互相关函数，最大互相关函数值所对应的延迟时间就是第n个阵元和中心阵元间的延迟时间τ_n：

步骤52：根据延迟时间τ_n和r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的中心阵元的时间t₁，得到r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n＝t₁+τ_n；

步骤53：根据步骤41中的关系式得：

该式揭示了和之间的线性关系，该线性关系式的斜率即为C²(r；z)；根据和的值，通过最小二乘法拟合出C²(r；z)并求得C(r；z)。

具体的，所述步骤6中，样品的声速图像构建过程如下：

步骤61：设样品在z方向具有M层不同声速分布的样品分层，第一个样品分层的绝对声速为c₁，则第m个样品分层的绝对声速c_m为：

c₁＝C(r,z₁)

其中，z_m为第m个样品分层的深度，C(r,z₁)为深度z_m处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速，t(z_m)是超声波信号从深度z_m处传播到环形超声换能器阵列表面的时间；

步骤62：根据每一个样品分层的绝对声速，得到整个样品的声速图像。

优选的，所述步骤2和步骤3中的环形超声换能器阵列采集到的超声波信号均先通过小信号放大器放大后，再通过多通道数据采集卡通过采样后存储在计算机中。

有益效果：本发明提供的基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，具有以下优点：1、本发明利用环形超声换能器阵列各单元的可调控时间延迟实现轴向的动态聚焦，实现轴向一段较长范围内都有较高的侧向分辨率，所以可以在很大景深范围内都获得高质量的光声图像；2、本发明利用环形超声换能器阵列各单元检测到的信号的互相关性，可以同步地测量样品中的声速分布，获得声速图像；同时，利用测量获得的准确声速值，可以避免环境因素和样品多样性造成的先验声速的误差，从而可以有效地矫正光声图像重构的图像偏差并提高光声图像质量。

附图说明

图1为本发明基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像系统示意图；

图2为环形超声换能器阵列及其与光吸收体之间的位置关系图；

图3为平均声速测量过程，图3(a)为环形换能器阵列各阵元接收到的声波信号图；图3(b)为中心阵元探测到的信号和其它阵元探测到的信号的互相关函数；图3(c)为和的线性拟合，它的斜率为C²(r；z)，据此可以测得声速C(r；z)；

图4为样品各层绝对声速测量与光声图像重构，图4(a)为采用递归公式获得的样品各层的绝对声速值；图4(b)为采用传统光声显微镜方法获得的光声图像，其中声速根据先验知识设定为1500m/s，点聚焦超声换能器具有固定焦长30mm，该图像成像景深浅、分辨率低、位置有偏移；图4(c)为使用本发明方法获得的光声图像；

图5为光声-声速双模成像结果及其与传统光声成像结果的比较，图5(a)传统光声显微镜利用点聚焦换能器获得的头发丝光声图像，其中图像重构时声速设定为1500m/s，该图成像质量差；图5(b)为采用本发明方法获得的样品中头发丝光声图像，该图成像景深大、分辨率高、成像质量高；图5(c)为采用本发明方法获得的样品中声速分布图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，以对位于具有不同声速的多层仿体中的头发丝成像为例，包括如下步骤：

步骤1：将琼脂、水和正丙醇以不同的比例混合，制作上下多层声速不同的仿体，头发丝作为样品分布在仿体中。利用脉冲激光照射样品，激光脉宽约为10ns(实验系统如图1所示)。

步骤2：样品被脉冲激光照射后，由于光声效应而向周围辐射声波信号，由环形超声换能器阵列接收辐射出的声波信号。环形超声换能器阵列如图2所示，分为等面积的7个阵元，中心频率为5MHz，-6dB带宽为3.8MHz。声波信号经过小信号放大器放大后，经采样率为60MHz的7通道数据采集卡同步采样，并最终保存到计算机中，信号波形如图3(a)所示。

步骤3：通过希尔伯特变换等操作对步骤2中采集的声波信号进行处理，通过对各阵元时间延迟的调控实现动态聚焦，从而获得大景深光声图像。

步骤31：r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n满足如下关系：

其中，n＝1,2,…,N，N为环形超声换能器阵列的阵元个数，第1个阵元为中心阵元；r_n为第n个阵元的有效半径，C(r；z)为深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速。

步骤32：环形超声换能器阵列的第n个阵元接收到的r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号为p_n(r,t_n)，则在深度z处的光声重构公式为：

其中，H[·]表示·的希尔伯特变换，β(z)是用于抑制旁瓣以提高横向分辨率的相关系数，且t_n根据期望聚焦的深度z和步骤31中的公式计算确定。

步骤33：根据步骤31中的关系，通过对p_n(r,t_n)的相位延时进行动态调整，使得环形超声换能器阵列的焦点动态地聚焦在不同深度z。

步骤4：通过对步骤2中采集的声波信号的互相关操作，可以测得各层样品的平均声速。

步骤41：计算p_n(r,t_n)和p₁(r,t₁)的互相关函数，最大互相关函数值所对应的延迟时间就是第n个阵元和中心阵元间的延迟时间τ_n，如图3(b)所示：

步骤42：根据延迟时间τ_n和r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的中心阵元的时间t₁，得到r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n＝t₁+τ_n。

步骤43：根据步骤31中的关系式得：

该式揭示了和之间的线性关系，该线性关系式的斜率即为C²(r；z)；根据和的值，通过最小二乘法拟合出C²(r；z)，如图3(c)所示；求得C(r；z)。

步骤5：基于步骤4中获得的从样品各深度到达换能器的平均声速，可以通过递归公式求得样品中各处的绝对声速。

步骤61：设样品在z方向具有M层不同声速分布的样品分层，第一个样品分层的绝对声速为c₁，则第m个样品分层的绝对声速c_m为：

c₁＝C(r,z₁)

其中，z_m为第m个样品分层的深度，C(r,z₁)为深度z_m处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速，t(z_m)是超声波信号从深度z_m处传播到环形超声换能器阵列表面的时间；如图4(a)所示，测量得到样品各深度所对应的绝对声速与实际声速高度吻合。

步骤62：根据每一个样品分层的绝对声速，得到整个样品的声速图像，如图5(c)所示。

步骤6：根据步骤4计算得到的平均声速和步骤5计算得到的绝对声速对步骤3中光声重构公式中的平均声速进行校正，获得具有准确声源位置的高质量光声图像，如图4(c)和图5(b)所示。

作为比较，图4(b)和图5(a)给出了同样的样品，采用传统的基于点聚焦超声换能器的光声显微镜获得的图像，显然这些图像景深浅、分辨率低，而且有明显的位置偏差。这些结果表明，利用环形超声换能器阵列可以实现大景深的光声-声速双模成像，一方面通过互相关和线性拟合可以获得样品的声速分布图，另一方面能通过声速分布矫正重构公式以获得正确的声源分布位置，同时，通过环形相控阵的动态聚焦，可以在较长聚焦范围内得到较高的分辨率，获得高质量的光声图像。本发明提出的方法无需采用附加手段获得声速的先验知识，更避免了环境变化和样品多样性导致的声速先验知识的误差，有较高的准确性。因此，本方法同步实现了大景深高质量的光声-声速双模成像，具有较高的易用性和实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims (5)

1.一种基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：使用脉冲激光器照射被成像样品，样品中的光吸收体吸收激光能量后，基于光声效应向周围辐射超声波信号；

步骤2：利用环形超声换能器阵列接收样品辐射出的超声波信号；

步骤3：记环形超声换能器阵列平行于x-y平面，样品中某光吸收体与环形超声换能器阵列的垂直距离记为该光吸收体的深度z；逐点扫描样品，记录超声换能器阵列各位置处接收到的各光吸收体辐射出的超声波信号；

步骤4：从环形超声换能器阵列采集的超声波信号中提取相对光吸收系数信息，具体为：根据环形超声换能器阵列各阵元的有效半径和平均声速，调整超声波信号的相位延时，实现环形超声换能器阵列的动态聚焦，从而重构深度z处的相对光吸收系数，并以此重构样品的光声图像；

步骤5：从环形超声换能器阵列采集的超声波信号中提取平均声速信息，具体为：通过环形超声换能器阵列的中心阵元和其余阵元的互相关函数，测得各阵元间的延迟时间，根据各阵元间的延迟时间和各阵元的有效半径的关系，通过最小二乘法拟合出从环形超声换能器阵列到深度z处的平均声速；

步骤6：基于从环形超声换能器阵列到深度z处的平均声速，通过递归法求得深度z处的绝对声速，从而得到样品中的声速分布，并以此构建样品的声速图像；

步骤7：根据步骤5计算得到的平均声速和步骤6计算得到的绝对声速对步骤4中光声重构公式中的平均声速进行校正，获得具有准确声源位置的高质量光声图像。

2.根据权利要求1所述的基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，其特征在于：所述步骤4中，样品的光声图像重构过程如下：

步骤41：r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n满足如下关系：

$z^2=C^2(r;z)t_n^2-r_n^2$

其中，n＝1,2,…,N，N为环形超声换能器阵列的阵元个数，第1个阵元为中心阵元；r_n为第n个阵元的有效半径，C(r；z)为深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速；

步骤42：环形超声换能器阵列的第n个阵元接收到的r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号为p_n(r,t_n)，则在深度z处的光声重构公式为：

$A(r;z)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\mathrm{\β}\left(z\right)\·H\[p_n(r,t_n)\]$

其中，H[·]表示·的希尔伯特变换，β(z)是用于抑制旁瓣以提高横向分辨率的相关系数，且

步骤43：根据步骤41中的关系，通过对p_n(r,t_n)的相位延时进行动态调整，使得环形超声换能器阵列的焦点动态地聚焦在不同深度z。

3.根据权利要求2所述的基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，其特征在于：所述步骤5中，平均声速的拟合过程如下：

步骤51：计算p_n(r,t_n)和p₁(r,t₁)的互相关函数，最大互相关函数值所对应的延迟时间就是第n个阵元和中心阵元间的延迟时间τ_n：

$\max imum=\mathrm{cov}\[p_n(r,t_1-\mathrm{\τ}),p_1(r,t_1)\]{|}_{\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_n}$

步骤52：根据延迟时间τ_n和r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的中心阵元的时间t₁，得到r＝(x,y)、深度z处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列的第n个阵元的时间t_n＝t₁+τ_n；

步骤53：根据步骤41中的关系式得：

$r_n^2=C^2(r;z)t_n^2-z^2$

该式揭示了和之间的线性关系，该线性关系式的斜率即为C²(r；z)；根据和的值，通过最小二乘法拟合出C²(r；z)并求得C(r；z)。

4.根据权利要求3所述的基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，其特征在于：所述步骤6中，样品的声速图像构建过程如下：

步骤61：设样品在z方向具有M层不同声速分布的样品分层，第一个样品分层的绝对声速为c₁，则第m个样品分层的绝对声速c_m为：

c₁＝C(r,z₁)

$c_m=\frac{t\left(z_m\right)C(r,z_m)-t\left(z_{m-1}\right)C(r,z_{m-1})}{t\left(z_m\right)-t\left(z_{m-1}\right)}$

其中，z_m为第m个样品分层的深度，C(r,z₁)为深度z_m处的光吸收体产生的超声波信号到达环形超声换能器阵列表面的平均声速，t(z_m)是超声波信号从深度z_m处传播到环形超声换能器阵列表面的时间；

步骤62：根据每一个样品分层的绝对声速，得到整个样品的声速图像。

5.根据权利要求1所述的基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，其特征在于：所述步骤2和步骤3中的环形超声换能器阵列采集到的超声波信号均先通过小信号放大器放大后，再通过多通道数据采集卡通过采样后存储在计算机中。