CN109864707B - 一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学及超声检测领域。本发明公开了一种在有限视角情况下提高光声成像分辨率的方法，包括：设计了一种用于光声信号收集的金属腔体，利用腔体外壳对光声信号的反射以及腔体内光声信号的多重散射过程，将原本丢失的部分高频信号成分传递至换能器阵列；测量该腔体的声信号传输函数的方法；本发明一种含有随机分布散射体的金属腔体收集光声信号，使原本丢失的部分高频信号成分通过多重散射过程传输至接收换能器阵列，随后与测量得到的金属腔体传输函数相结合，采用时间反转法重构光声图像，提高了有限视角情况下，光声断层成像的分辨率。

Description

一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法

技术领域

本发明属于生物医学及超声检测领域，涉及一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法。

背景技术

光声断层成像是一种综合了光学成像和超声成像优点的新型生物医学成像技术，其利用光声效应激发信号，并利用探测器阵列接收信号，最后利用成像算法重构光声图像。所谓光声效应，即生物组织在接收激光脉冲照射时，会吸收光波能量并将其转化为热能，随后由于热胀冷缩向外激发超声波，被激发的超声波称为光声信号。光声断层成像的理想硬件配置是换能器阵列呈环形包围待成像物体，并接收光声信号。然而在实际应用中，扫描的角度往往被限制在一个较小的角度，即所谓的有限视角问题，相比于理想的成像配置，有限视角最大的问题是图像分辨率低下，这是因为，携带物体细节成分的高频信号在空间自由传输过程中衰减很快，被单个换能器接收到的高频成分只占其能量的较小比例，换能器阵列全包围的情况下，通过多个换能器接收到的信号叠加可以获得较多高频成分，故可得到较好的分辨率；有限视角情况下，阵列获得的高频成分不足，故造成成像分辨率低下。本发明从以下思路出发，提出了一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法：设计了一种金属腔体，利用腔体外壳收集较多的光声信号能量向换能器阵列传播；利用腔体内部的钢柱提供多重散射，多重散射可以有效携带声波中的高频成分，经多重散射后到达换能器阵列的光声信号，其内部高频成分明显高于空间自由传输的光声信号；通过测量得到腔体的传输函数；最后将换能器捕捉到的光声信号与传输函数进行时间反转运算，重构光声图像。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

有限视角情况下，由于换能器阵列获得光声信号的高频成分不足，故造成成像分辨率低下。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据光声信号采集接收换能器阵列的中心频率f₀计算出对应的波长λ，λ作为散射体钢柱的直径；其中换能器阵列含有K个单元，K大于1；

步骤2：将腔体的长度L设为两倍平均自由程l(即L＝2l)，根据设定的平均自由程l以及中心频率f₀反推出钢柱应当在腔体中的理论分布密度δ，声波传输路径大于平均自由程；

步骤3：根据腔体的俯视面积S乘以分布密度δ得到钢柱总个数c，随后利用随机分布算法确定各钢柱在腔体中的位置；

步骤4：完成腔体制作，并将其与光声信号采集接收换能器阵列相连接；

步骤5：在腔体开口侧根据成像需求选择一矩形成像区域，并根据成像像素要求，将成像区域划分为若干个像素点，在水浸环境下，测量各像素点至光声信号接收换能器阵列各单元的脉冲信号响应矩阵P；

步骤6：使用数字匹配滤波器对矩阵P进行滤波处理，消除探测波形，得到传输函数矩阵T；

步骤7：使用脉冲激光照射待成像样本，并激发光声信号；

步骤8：使用腔体及接收换能器阵列采集光声信号P_d并记录；

步骤9：采用时间反转成像算法进行光声图像重构，成像区第i列，第j行的光声图像幅值为：

依次重构所有像素点，即得到成像区域光声图像A，其中，t₁为记录的信号长度，n为接收换能器阵列(001)中单元的序号，t代理时间，-t代表时间反转。

在步骤1中的钢柱的材质为实心钢材，高度h₁大于超声接收换能器阵列高度h₂。

在步骤4中腔体制作采用两端开口的结构，与光声探测接收换能器阵列相连的一端开口较小，仅能容纳接收换能器阵列，与待成像样本接触的一端开口较大。

在所述的腔体的外壳的材质为匀质薄钢板。

在步骤5中，将步骤4制作的腔体浸入水中，根据成像要求，在腔体开口较大一侧选择一矩形区域作为成像区域，其x轴方向长度为a，y轴方向长度为b，同时根据光声图像像素要求，将成像区域划分为B×C个像素，C为列数，B为行数；选择一单元个数为B，单元长度为b的发射换能器线阵，将其平行于y轴方向放置于成像区域第一列，随后，发射换能器线阵各单元依次向接收换能器阵列发射波形为u(t)的超声脉冲，其中，u(t)的中心频率大于f₀，接收换能器阵列接收并记录脉冲响应，可得到一K×B的脉冲响应矩阵p，元素pi_,j即为发射阵列第j个单元发射，接收阵列第i个单元接收得到的脉冲响应；随后，依次将发射线阵平移至成像区域的第2,3……C列，并重复上述发射、接收、记录过程，最终可获得一个(K×B)×C的三维矩阵P。

所述腔体在Y轴的长度等于接收换能器阵列的长度W,在X轴长度为1.5W，设中心频率为f₀的声波在腔体内的平均自由程为0.75W，根据平均自由程理论可反推出直径为λ的钢柱在腔体内的分布密度δ。

在步骤5中在腔体右侧选择一尺寸为a×b的矩形区域作为成像区域，其中b的值小于等于W。

3、有益效果：

本发明采用一种含有随机分布散射体的金属腔体收集光声信号，使原本丢失的部分高频信号成分通过多重散射过程传输至接收换能器阵列，随后与测量得到的金属腔体传输函数相结合，采用时间反转法重构光声图像，提高了有限视角情况下，光声断层成像的分辨率。

附图说明

图1是金属腔体立体结构及光声信号采集过程示意图。

图2是金属腔体俯视及传输函数测量过程示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例来对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法在步骤1中：根据光声信号采集接收换能器阵列001的中心频率f₀计算出对应的波长λ，λ作为散射体钢柱003的直径；只有当物体尺寸与声波波长相当时，才可以有效产生散射，其中换能器陈列含有K个单元，K大于1。

在步骤2中，将腔体002的长度L设为两倍平均自由程l(即L＝2l)，，根据设定的平均自由程l以及中心频率f₀反推出钢柱003在腔体002中的理论分布密度δ，声波传输路径大于平均自由程，只有当声波传输路径长度大于平均自由程时，才可发生多重散射。

当步骤1、2的条件满足时，腔体内部才能够提供足够的多重散射携带声波的高频信息。

通过步骤3确定各钢柱003在腔体002中的位置，然后完成腔体002的制作，所述腔体002和与光声信号采集换能器阵列001相连接。

在步骤4中腔体002制作采用两端开口的结构，与光声探测换能器阵列001相连的一端开口较小，仅能容纳接收换能器阵列001，与待成像样本接触的一端开口较大，以便收集光声信号。

所述腔体002外壳采用匀质薄钢板，采用匀质薄钢板的目的在于向内反射声波信号，使更多的声波能量参与腔体内部的多重散射。

实施例

接收换能器阵列001内含K个单元，根据换能器阵列001的中心频率f₀计算出对应的波长λ，并将其作为散射体钢柱的直径，所述腔体Y轴的长度b等于接收换能器阵列001的长度W,X轴长度a为1.5W。

设中心频率为f₀的超声脉冲在腔体内的平均自由程为l，设l＝0.75W，则根据平均自由程理论可反推出直径为λ的钢柱在腔体内的分布密度δ，根据声波传播理论，多重散射产生的必要条件是声波传输距离超过平均自由程，此时声波传输距离大于平均自由程，满足多重散射产生条件；

根据c＝δ×S，确定钢柱的总个数c，并由随机分布算法，确定各个钢柱在腔体内部的位置，将钢柱固定好，并按照图1的加工好腔体，腔体的外壳采用匀质薄钢板。

腔体完成后，按照图1将接收换能器阵列001与腔体002连接，随后，测量腔体的传递函数，如图2所示，在腔体右侧选择一尺寸为a×b的矩形区域作为成像区域，其中，b值应当小于等于W值，将成像区域划分为C×B个像素即划分为C列，B行；选择一单元个数为B，单元长度为b的发射换能器线阵，如图2所示，将其平行于y轴方向放置于成像区域第一列，随后，发射换能器线阵004各单元依次向接收换能器阵列发射波形为u(t)的超声脉冲，其中，u(t)的中心频率应不小于f₀，接收换能器阵列接收并记录脉冲响应，可得到一K×B的脉冲响应矩阵p，元素p_i,j即为发射阵列第j个单元发射，接收阵列第i个单元接收得到的脉冲响应；随后，依次将发射线阵平移至成像区域的第2,3……C列，并重复上述发射、接收、记录过程，最终可获得一(K×B)×C的三维矩阵P，P中的各元素即为成像区域各像素点至接收换能器各单元的脉冲响应；

使用数字匹配滤波器对矩阵P进行滤波处理，消除探测波形，得到传输函数矩阵T。

如图1所示，使用脉冲激光照射待成像样本，并激发光声信号。

如图1所示，使用腔体及接收换能器阵列采集光声信号P_d,并记录，探测过程应保证目标体位于成像区域内；

采用时间反转成像算法进行光声图像重构，成像区第i列，第j行像素点的光声图像幅值为：

依次重构所有像素点，即得到成像区域光声图像A，其中，t₁为记录的信号长度，n为接收换能器中单元的序号。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (7)

1.一种在有限视角情况下提高光声断层成像分辨率的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据光声信号采集接收换能器阵列(001)的中心频率f₀计算出对应的波长λ，λ作为散射体钢柱(003)的直径；其中换能器阵列含有K个单元，K大于1；

步骤2：将腔体(002)的长度L设为两倍平均自由程l(即L＝2l)，根据设定的平均自由程l以及中心频率f₀反推出钢柱(003)在腔体(002)中的理论分布密度δ，使声波传输路径大于平均自由程；

步骤3：根据腔体(002)的俯视面积S乘以分布密度δ得到钢柱(003)总个数c，随后利用随机分布算法确定各钢柱(003)在腔体(002)中的位置；

步骤4：完成腔体(002)制作，并将其与光声信号采集接收换能器阵列(001)相连接；

步骤5：在腔体(002)开口侧根据成像需求选择一矩形成像区域，并根据成像像素要求，将成像区域划分为若干个像素点，在水浸环境下，测量各像素点至光声信号接收换能器阵列(001)各单元的脉冲信号响应矩阵P；

步骤6：使用数字匹配滤波器对矩阵P进行滤波处理，消除探测波形，得到传输函数矩阵T；

步骤7：使用脉冲激光照射待成像样本，并激发光声信号；

步骤8：使用腔体(002)及接收换能器阵列(001)采集光声信号P_d并记录；

步骤9：采用时间反转成像算法进行光声图像重构，成像区第i列，第j行像素点的光声图像幅值为：

依次重构所有像素点，即得到成像区域光声图像A，其中，t₁为记录的信号长度，n为接收换能器阵列(001)中单元的序号，t代理时间，-t代表时间反转。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中的钢柱(003)的材质为实心钢材，高度h₁大于超声接收换能器阵列(001)高度h₂。

3.如权利要求1的方法，其特在于：步骤4中腔体(002)制作采用两端开口的结构，与光声探测接收换能器阵列(001)相连的一端开口较小，仅能容纳接收换能器阵列(001)，与待成像样本接触的一端开口较大。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述的腔体(002)的外壳的材质为匀质薄钢板。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5中，将步骤4制作的腔体(002)浸入水中，根据成像要求，在腔体(002)开口较大一侧选择一矩形区域作为成像区域，其x轴方向长度为a，y轴方向长度为b，同时根据光声图像像素要求，将成像区域划分为C×B个像素，C为列，B为行；选择一单元个数为B，单元长度为b的发射换能器线阵(004)，将其平行于y轴方向放置于成像区域第一列，随后，发射换能器线阵(004)各单元依次向接收换能器阵列(001)发射波形为u(t)的超声脉冲，其中，u(t)的中心频率大于f₀，接收换能器阵列接收并记录脉冲响应，可得到一K×B的脉冲响应矩阵p，元素pi_,j即为发射阵列第j个单元发射，接收阵列第i个单元接收得到的脉冲响应；随后，依次将发射线阵平移至成像区域的第2,3……C列，并重复上述发射、接收、记录过程，最终可获得一个(K×B)×C的三维矩阵P。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述腔体(002)在Y轴的长度等于接收换能器阵列(001)的长度W,X轴长度为1.5W，设中心频率为f₀的声波在腔体(002)内的平均自由程为0.75W，根据平均自由程理论可反推出直径为λ的钢柱(003)在腔体(002)内的分布密度δ。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在腔体(002)右侧选择一尺寸为a×b的矩形区域作为成像区域，其中b的值小于等于W。

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