CN108261209B - 改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法 - Google Patents

改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，该方法包括：步骤1，使用光声内窥探头进行侧向环形扫描；步骤2，将聚焦传感器探测面分割成多个小单元，并将每个小单元当做一个点探测器；步骤3，采用反投影叠加算法，对不同扫描位置的每个点探测器位置分割后的小单元做信号反投影加权叠加，以得到最终的图像。该方法实现了光声内窥探头在切向上的动态聚焦，从而有效的扩大其成像的景深，从而得到全方位的高分辨声聚焦光声内窥成像结果。

Description

改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法
技术领域
本发明涉及改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法。
背景技术
声聚焦光声内窥成像是一种新兴的集高分辨，高穿透深度，高光学对比度为一体的生物医学内窥成像手段。其在人体直肠、咽喉、食管、宫颈管等对探头尺寸要求比较宽松的场合已经在部分的进行临床前的应用尝试，并且在这些领域有很好的应用前景。
在常规的声聚焦光声内窥成像探头中，其基本的结构构成为在探头外壳下端安装一个中空的聚焦超声探测器，中间穿过多模光纤来进行入射光照明，而在其顶部安装一个由电机带动旋转的45度超声及激光反射镜，从而进行360度环形扫描成像。在此系统成像时，其一般采用类似于B超中常用的超声束直线传播模型，将所得数据直接按照旋转角度进行扇形排列来成像。虽然此种成像方法简单直接，但是由于定焦探头的应用，其只能在焦点位置得到最佳横向分辨率，包括切向上的以及沿着探头的轴向上的最佳分辨率，而在远离焦点区域，其横向分辨率将迅速降低。当超声传感器的数值孔径越大，其最佳横向分辨率最小，但是此种情况下其成像景深也越小，反之亦然。因此在其最佳横向分辨率与焦区景深之间存在着不可调和的矛盾。目前，声聚焦光声成像的研究主要集中在探头的最小化，提高超声传感器中心频率，多模态成像探头研究，及其生物医学应用拓展方面，而在其成像算法上的研究还非常少。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，该改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法克服了现有技术中的最佳横向分辨率与焦区景深之间存在着不可调和的矛盾的问题，实现了光声内窥探头在切向上的动态聚焦，从而有效的扩大其成像的景深，从而得到全方位的高分辨声聚焦光声内窥成像结果。
为了实现上述目的，本发明提供一种改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，该方法包括：
步骤1，使用光声内窥探头中的顶部45度反射镜旋转进行侧向环形扫描；
步骤2，将聚焦传感器探测面分割成多个小单元，并将每个小单元当做一个点探测器；
步骤3，采用反投影叠加算法，对不同扫描位置的每个点探测器位置分割后的小单元做信号反投影加权叠加，以得到最终的图像。
优选地，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure GDA0003061095930000021
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure GDA0003061095930000022
处重建后的图像值，
Figure GDA0003061095930000023
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure GDA0003061095930000024
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度。
优选地，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure GDA0003061095930000025
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure GDA0003061095930000026
处重建后的图像值，
Figure GDA0003061095930000027
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure GDA0003061095930000028
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度；
Figure GDA0003061095930000031
为第j个单元的权重系数。
优选地，在步骤2中，将采用单聚焦超声传感器和45度角反射镜构成的侧向成像系统的聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
优选地，在步骤2中，将采用平面传感器以及45度侧向聚焦凹面反射镜构成的侧向扫描成像系统的等效聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
通过上述技术方案，利用数值动态聚焦，成功的克服了最佳横向分辨率与成像景深之间的矛盾，使得其成像景深得到了极大的提高，并且可以得到比其原来的最佳分辨率更小的分辨率。且基于的延迟叠加算法，自由度大，算法稳定性非常高，且计算简单的算法，也非常利于并行化，非常有利于实时成像。本发明在不需要改变现有的声聚焦超声内窥探头的结构的情况下，可以应用于大多数的声聚焦超声内窥成像中。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的声聚焦光声内窥探头结构图以及扫描等效结构图；
图2为本发明的为声聚焦光声内窥成像改进型反投影叠加算法原理图；
图3为本发明所扫描的物体的结构图；
图4为本发明的采用常规声聚焦光声内窥成像算法结果图；
图5为本发明的采用改进型反投影叠加算法成像结果图；
图6为本发明的在不同深度两种算法的比较结果图；其中，图6(a)，6(b)，6(c)分别为6mm，10mm，14mm处目标的横向轮廓图。
附图标记说明
1 透明外壳 2 中空声聚焦超声传感器
3 多模光纤 4 顶部45度反射镜
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指图1所示的上下左右。“内、外”是指具体轮廓上的内与外。“远、近”是指相对于某个部件的远与近。
本发明提供一种改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，该方法包括：
步骤1，使用光声内窥探头进行侧向环形扫描；
步骤2，将聚焦传感器探测面分割成多个小单元，并将每个小单元当做一个点探测器；
步骤3，采用反投影叠加算法，对不同扫描位置的每个点探测器位置分割后的小单元做信号反投影加权叠加，以得到最终的图像。
本发明相对于现有的算法其不仅考虑了超声传感器接收面的几何尺寸，而且还通过对超声传感器在不同扫描位置的数据进行了反向投影叠加，实现了光声内窥探头在切向和轴向上的动态聚焦，从而有效的扩大其成像的景深，从而得到全方位的高分辨声聚焦光声内窥成像结果。
在本发明的一种具体实施方式中，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure GDA0003061095930000041
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure GDA0003061095930000051
处重建后的图像值，
Figure GDA0003061095930000052
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure GDA0003061095930000053
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度。
在本发明的一种具体实施方式中，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure GDA0003061095930000054
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure GDA0003061095930000055
处重建后的图像值，
Figure GDA0003061095930000056
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure GDA0003061095930000057
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度；
Figure GDA0003061095930000058
为第j个单元的权重系数。
在本发明的一种具体实施方式中，在步骤2中，将采用单聚焦超声传感器和45度角反射镜构成的侧向成像系统的聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
在本发明的一种具体实施方式中，在步骤2中，将采用平面传感器以及45度侧向聚焦凹面反射镜构成的侧向扫描成像系统的等效聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
如图1所示，通常探头包括透明外壳1，中空声聚焦超声传感器2，多模光纤3，以及顶部45度反射镜4部件，其用来进行光和超声的反射。在扫描时，随着顶部反射镜的旋转，其可以进行侧向的环形扫描成像。其中图中L1表示中空聚焦超声传感器与反射镜中心之间的距离，L2表示反射镜中心与中空聚焦超声传感器焦点之间的距离。由于反射镜的存在，相当于在扫描时，中空聚焦超声传感器处于图中虚线所标示的镜像位置。因此，在扫描过程中，相当于中空聚焦超声传感器围绕着旋转中心在以L1为半径的扫描路径上进行旋转扫描。
在普通的声聚焦光声内窥重建算法中，其通常采用类似于B超成像中所用的超声束直线传播模型，在这种算法中，图像上用极坐标表示的任意一点(θ,r)的重建数值仅仅由单个探测器的信号决定：
I(θ,r)＝Sθ(r/v)) (1)
其中Sθ(t)表示在θ角度的时候超声传感器收到的信号，v为超声在介质中的传播速度。然而，因为其没有考虑超声传感器的探测面的尺寸以及形状，造成了其只能在其聚焦的位置得到最好的分辨率结果。
而本发明考虑了超声传感器的探测面的形状，以及其在不同角度扫描的时候，对图像中任意一点
Figure GDA0003061095930000061
的影响，来综合得到最后图像重建的数值，从而极大的提高了离焦区域的分辨率。如图2所示，在本算法中，首先将聚焦传感器探测面分割为多个小单元，每个小单元可以看做一个点探测器。然后，由于对同一个点来说，比如图2中任意一点
Figure GDA0003061095930000062
超声传感器在多个位置均可收到其信号，只是信号大小不同，因此本发明采用如下的算法综合考虑多个扫描位置以及超声传感器探测面尺寸的影响来得到最终的像素值：
Figure GDA0003061095930000063
其中，I为图像
Figure GDA0003061095930000064
处重建后的图像值，
Figure GDA0003061095930000065
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure GDA0003061095930000066
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度；
Figure GDA0003061095930000067
为第j个单元的权重系数。
以图3所示的情况为例，此探测背景中空直径为10mm，整体外围直径为40mm，在x方向上在6mm到18mm的位置均匀分布着7个点目标。采集时所用的聚焦超声传感器直径为10mm，焦距为20mm，焦点到旋转中心的距离L2为10mm。聚焦超声传感器中心频率为15MHz，带宽为75％。
图4即用常规声聚焦光声内窥算法得到的图像。其中可以看出，只有在10mm位置的目标的横向分辨率最高，离开焦点区域越远，目标的横向分辨率扩展越大，系统的景深受限很大。图5为采用本发明中的改进型的声聚焦光声内窥成像反投影算法得到的图像。对比图4可以看出，采用本发明中算法除10mm位置目标的横向分辨率和图4基本差不多外，图中其余目标的横向分辨率都得到了显著的提高。
图6(a)-(c)分别是图4和图5中6mm、10mm、14mm处目标提取的横向轮廓。其中粗的实线是从图5中提取的用本发明中算法重建的横向轮廓，细的星点线是图4中提取的用常规算法重建的横向轮廓。对比可以看出，采用本发明中算法能显著的提高声聚焦光声内窥图像的横向分辨率。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1，使用光声内窥探头中的顶部45度反射镜旋转进行侧向环形扫描；
步骤2，将聚焦传感器探测面分割成多个小单元，并将每个小单元当做一个点探测器；
步骤3，采用反投影叠加算法，对不同扫描位置的每个点探测器位置分割后的小单元做信号反投影加权叠加，以得到最终的图像。
2.根据权利要求1所述的改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，其特征在于，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure FDA0003061095920000011
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure FDA0003061095920000012
处重建后的图像值，
Figure FDA0003061095920000013
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure FDA0003061095920000014
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度。
3.根据权利要求1所述的改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，其特征在于，在步骤3中，通过如下的公式计算得到最终的图像：
Figure FDA0003061095920000015
其中，n为探测器的位置数；m为探测器所分割的小单元数；I为图像
Figure FDA0003061095920000016
处重建后的图像值，
Figure FDA0003061095920000017
为第i个探测器的权重因素，Si(t)为第i个探测器收到的信号，
Figure FDA0003061095920000021
为将第i个探测器探测面分割成小单元后第j个单元的位置，v为超声在介质中的传播速度；
Figure FDA0003061095920000022
为第j个单元的权重系数。
4.根据权利要求1所述的改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，其特征在于，在步骤2中，将采用单聚焦超声传感器和45度角反射镜构成的侧向成像系统的聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
5.根据权利要求1所述的改进型的高分辨声聚焦光声内窥成像反投影成像的方法，其特征在于，在步骤2中，将采用平面传感器以及45度侧向聚焦凹面反射镜构成的侧向扫描成像系统的等效聚焦传感器探测面分割成多个小单元。
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