CN111214213B - 一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，包括：根据目标体半径为r0确定换能器扫描半径rd≥4r0；换能器阵列的探测步长小于等于3°；激光器为脉宽为8ns的Nd:YAG脉冲激光器；激光器照射目标体，目标体经激光照射后，换能器阵列接收反射的光声信号；从第n个光声信号开始，每个光声信号与其相邻的光声信号进行时延处理，将时延依次代入公式运算求出相关系数，找出中最大值对应的值，进行迭代运算，当迭代停止时，得到每个光声信号的最优声速；将最优声速代入延迟叠加DAS算法中，便能够重构出光声断层图像。本方法可有效提高光声断层成像质量。

Description

一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法
技术领域
本发明属于生物医学及超声检测领域，具体涉及一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法。
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，其具有光学成像对比度高和超声成像能在组织深处获取高分辨率图像的特点。所谓光声效应，即生物组织在接收激光脉冲照射时，其内部的光吸收体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。光声断层成像利用布置在被成像物体周围的探测器阵列接收光声信号，并利用特定的成像算法重构物体内部的光吸收系数分布图像，简称光声图像。目前，绝大多数的光声断层成像算法采用的是延迟叠加(DAS)算法,其要求将每个换能器探测到的光声信号传播速度代入计算。一般情况下，人们无法获得被测组织的准确声速，故通常假设各换能器接到到的光声信号以某一恒定速度传播，即假设被测对象是声速均匀分布的，例如：在对软组织进行成像时，常常假设声速为1500m/s。但是，实际生物组织的声速分布都是不均匀的，实际声速和假设声速之间的偏差会造成光声断层成像图像畸变，噪声增加，甚至完全无法获得有效信息。
基于此，需要一种方法先能够准确获取各换能器接到到的光声信号的介质声速，然后将准确的介质声速代入延迟叠加(DAS)算法中，即可有效获得光声断层图像，相比于传统的DAS成像方法，本方案可有效提升光声断层图像质量。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
为了解决上述技术问题，本发明提出一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，本方法中利用环形换能器阵列扫描半径大于成像区域半径的4倍，并且阵列中的各个换能器单元布置到预设的紧密程度时，相邻的两个换能器单元探测到的光声信号具有高度的相关性，并且波形的相关性中含有关于介质声速的信息的特点；本发明设计的一种迭代算法，可以有效获得阵列中各换能器单元获得的光声信号的准确声速；最后将计算得到的各光声信号的声速代入延迟叠(DAS)算法中，即可有效获得光声断层图像，相比于传统DAS成像算法，本方案可有效提升光声断层图像质量。
2.技术方案：
一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据实际需要在样品上设置一圆形成像区域，并根据成像区域的尺寸，确定环形换能器阵列尺寸；具体为若成像区域半径为r0，所述换能器阵列扫描半径为rd，则rd≥4r0；同时，成像区域应位于换能器阵列的中心位置。
步骤二：所述换能器阵列中各换能器单元呈等间距布置，且相邻两个换能器单元间距小于等于3°。
步骤三：确定激光器；所述激光器为脉宽为8ns的Nd:YAG脉冲激光器，其脉冲能量调整至80mJ,激光脉冲经准直、扩束后产生的圆形光斑大小与成像区域相同，并覆盖成像区域。
步骤四：激光器照射目标体，目标体经激光照射后，所述目标体中的光吸收体发出光声信号，并被换能器阵列接收，将各个换能器单元接收到的光声信号记为：p(1,t)、p(2,t),、……，p(n,t),；其中n表示各个换能器对应的编号；所述换能器接收到的光声信号为一时间序列，t表示时间。
步骤五：将探测到的光声信号的声速初速设为1500m/s，即
Figure GDA0002459719330000021
1其中上标n代表各个换能器单元对应的编号，下标0表示设置的初始值。
步骤六：从第n个换能器接收到的光声信号p(n,t)开始，每个光声信号与其相邻的光声信号进行时延处理，时延量分别为：rd/(c0 n+Δc)和rd/(c0 n-Δc)，其中，Δc为声速调节变化区间，Δc＝[-10:0.05:10]，共计401个数值，将401组时延依次代入公式(3)进行运算，求相关系数
Figure GDA0002459719330000022
其中上标n为各个换能器单元对应的编号，下标m代表迭代次数：
Figure GDA0002459719330000023
(3)式中，Cov为协方差，Var为方差；运算后，
Figure GDA0002459719330000024
为一含有401个元素的数组，找出
Figure GDA0002459719330000025
中最大值对应的Δc值，即Δcopt；如式(4)所示：
Figure GDA0002459719330000026
随后，令
Figure GDA0002459719330000027
随后将n个cm+1值代入公式(3)，(4)，(5)中重复进行迭代运算，定义迭代过程收敛时声速误差为
Figure GDA0002459719330000028
令Cerr＜2-4×10mm/μs，为迭代停止的条件；当迭代停止时，公式(5)得到的结果即为每个光声信号的最优声速：
Figure GDA0002459719330000029
步骤七：将步骤六得到的最优声速copt代入延迟叠加DAS算法中，便能够重构出光声断层图像。
进一步地，所述换能器阵列为多个换能器构成环形换能器阵列；所述环形换能器阵列中的各个换能器应呈等间距布置，探测单元数目大于等于120个，即环形换能器阵列的中相邻两个换能器单元间距小于等于3°。
进一步地，所述换能器阵列为单个换能器；所述单个换能器能够在在步进电机带动下围绕样品做圆周运动，单次扫描步长小于等于3°。
3.有益效果：
本发明提出了一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，利用该方法可准确测得各换能器接收到的光声信号的传播声速，将计算得到的声速代入延迟叠加(DAS)算法中，可有效提高光声断层成像质量。
附图说明
图1为具体实施例中本发明的理论的探测场景示意图；
图2为本发明涉及的实验系统图；
图3为具体实施例的实验样品图；
图4为具体实施例的不同迭代次数下获得的声速分布曲线；
图5为具体实施例的成像效果对比图，其中a为利用未优化的声速获得的光声图像，b为利用本方法优化后的声速获得的光声图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据实际需要在样品上设置一圆形成像区域，并根据成像区域的尺寸，确定环形换能器阵列尺寸；具体为若成像区域半径为r0，所述换能器阵列扫描半径为rd，则rd≥4r0；同时，成像区域应位于换能器阵列的中心位置。
步骤二：所述换能器阵列中各换能器单元呈等间距布置，且相邻两个换能器单元间距小于等于3°。
步骤三：确定激光器；所述激光器为脉宽为8ns的Nd:YAG脉冲激光器，其脉冲能量调整至80mJ,激光脉冲经准直、扩束后产生的圆形光斑大小与成像区域相同，并覆盖成像区域。
步骤四：激光器照射目标体，目标体经激光照射后，所述目标体中的光吸收体发出光声信号，并被换能器阵列接收，将各个换能器单元接收到的光声信号记为：p(1,t)、p(2,t),、……，p(n,t),；其中n表示各个换能器对应的编号；所述换能器接收到的光声信号为一时间序列，t表示时间。
步骤五：将探测到的光声信号的声速初速设为1500m/s，即
Figure GDA0002459719330000041
1其中上标n代表各个换能器单元对应的编号，下标0表示设置的初始值。
步骤六：从第n个换能器接收到的光声信号p(n,t)开始，每个光声信号与其相邻的光声信号进行时延处理，时延量分别为：rd/(c0 n+Δc)和rd/(c0 n-Δc)，其中，Δc为声速调节变化区间，Δc＝[-10:0.05:10]，共计401个数值，将401组时延依次代入公式(3)进行运算，求相关系数
Figure GDA0002459719330000042
其中上标n为各个换能器单元对应的编号，下标m代表迭代次数：
Figure GDA0002459719330000043
(3)式中，Cov为协方差，Var为方差；运算后，
Figure GDA0002459719330000044
为一含有401个元素的数组，找出
Figure GDA0002459719330000045
中最大值对应的Δc值，即Δcopt；如式(4)所示：
Figure GDA0002459719330000046
随后，令
Figure GDA0002459719330000047
随后将n个cm+1值代入公式(3)，(4)，(5)中重复进行迭代运算，定义迭代过程收敛时声速误差为
Figure GDA0002459719330000048
令Cerr＜2-4×10mm/μs，为迭代停止的条件；当迭代停止时，公式(5)得到的结果即为每个光声信号的最优声速：
Figure GDA0002459719330000049
步骤七：将步骤六得到的最优声速copt代入延迟叠加DAS算法中，便能够重构出光声断层图像。
进一步地，所述换能器阵列为多个换能器构成环形换能器阵列；所述环形换能器阵列中的各个换能器应呈等间距布置，探测单元数目大于等于120个，即环形换能器阵列的中相邻两个换能器单元间距小于等于3°。
进一步地，所述换能器阵列为单个换能器；所述单个换能器能够在在步进电机带动下围绕样品做圆周运动，单次扫描步长小于等于3°。
本发明的理论：
本发明所涉及的探测场景如图1所示，中间圆圈为成像目标，其内部4个小黑点为光吸收体。成像目标区域周边媒质可分为两个部分，媒质Ⅰ声速为1460m/s，媒质ⅠⅠ声速为1540m/s，媒质外是若干个换能器构成的环形探测阵列。当被激光脉冲照射后，光吸收体发出光声信号，周边换能器接收光声信号。位于rd处的换能器接收到的光声信号可表示为：
Figure GDA0002459719330000051
其中c为生物组织声速，通常设为定值1500m/s，A(r)为空间位置光吸收函数，H(t)为照射激光波形函数，t表示时间，∫VdV表示体积分。
对于位于rd’处的换能器，若rd’与rd间距等于或小于3°，并且环形换能器阵列的半径大于等于成像区域半径的4倍，则在两个位置探测到的光声信号波形有如下关系：
p(rd',t)≈p(rd,t+τ), (2)
其中，τ＝(Δc/c)t，其中c为rd处探测到的光声信号的声速，Δc为rd’处探测到的光声信号声速的增量。根据上述推导，可得出：如果给每个换能器探测到的光声信号加上一组合适的时延，则所有相邻的光声信号波形之间的相关性会达到最大，并且通过时延可确定每个光声信号的最优传播声速。
在本方案中，DAS是一种广泛应用的常规光声成像技术手段，其成像需要两个条件：1、获得光声信号；2、知道这些光声信号的传播速度。条件2一般情况无法满足，对于生物组织应用场合，大家一般就假设为1500m/s，但成像效果不好。
具体实施例：下面以含有两种不同声速的样品，采用一个被步进电机驱动做圆周运动的换能器为例：
首先采用图2的实验系统图产生脉宽为8ns，波长为532nm的Nd:YAG脉冲激光器照射图3所示样品，激光器的激光脉冲能量大约为80mJ,光斑直径大约为1.5cm。样品为琼脂及埋在其中的拼成血管图样的五根头发构成，(图中以1、2、3、4、5标注出)，琼脂分为两个区域，区域Ⅰ声速大约为1460m/s，区域ⅠⅠ声速大约为1588m/s，故样品的声速分布是不均匀的。在接收激光照射后，头发发出光声信号并向四周传播，一个超声换能器在步进电机驱动下围绕样品旋转并探测光声信号，超声换能器中心频率为5MHz，为保证相邻两个位置探测到的光声信号波形具有高度相关性，将探测步长设置为3°，即相当于一个含有120个单元的圆形换能器阵列，换能器采集到的光声信号经放大和数据采集后送入上位机进行后期处理。
在得到120个光声信号后，将这些信号代入上述步骤所提出的迭代算法进行处理，迭代停止条件为Cerr＜2.5-4×10mm/μs，其中
Figure GDA0002459719330000052
迭代在6000次时停止，不同迭代次数下，计算出的各探测位置的光声信号传播速度如图4所示。
为比较本发明提出的方法和传统方法的成像效果，我们将预设的1500m/s的声速和利用本发明提出的方法获得的声速分别代入DAS成像算法中，获得的光声图像如图5所示。
由图5可见，相比于传统方法，本方法获得的光声图像伪像、畸变明显降低，图中5根头发清晰可见，图像质量得到了明显提高。
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 (1)

1.一种适用于声速不均匀介质的光声断层成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据实际需要在样品上设置一圆形成像区域，并根据成像区域的尺寸，确定换能器阵列尺寸；具体为若成像区域半径为r0，所述换能器阵列扫描半径为rd，则rd≥4r0；同时，成像区域应位于换能器阵列的中心位置；
步骤二：所述换能器阵列中各换能器单元呈等间距布置，且相邻两个换能器单元间距小于等于3°；
步骤三：确定激光器；所述激光器为脉宽为8ns的Nd:YAG脉冲激光器，其脉冲能量调整至80mJ,激光脉冲经准直、扩束后产生的圆形光斑大小与成像区域相同，并覆盖成像区域；
步骤四：激光器照射目标体，目标体经激光照射后，所述目标体中的光吸收体发出光声信号，并被换能器阵列接收，将各个换能器单元接收到的光声信号记为：p(1,t)、p(2,t)、……，p(n,t)；其中n表示各个换能器对应的编号；所述换能器接收到的光声信号为一时间序列，t表示时间；
步骤五：将探测到的光声信号的声速初速设为1500m/s，即
Figure FDA0003861723000000011
其中上标n代表各个换能器单元对应的编号，下标0表示设置的初始值；
步骤六：从第n个换能器接收到的光声信号p(n,t)开始，每个光声信号与其相邻的光声信号进行时延处理，时延量分别为：rd/(c0 n+Δc)和rd/(c0 n-Δc)，其中，Δc为声速调节变化区间，Δc＝[-10:0.05:10]，共计401个数值，将401组时延依次代入公式(3)进行运算，求相关系数
Figure FDA0003861723000000012
其中上标n为各个换能器单元对应的编号，下标m代表迭代次数：
Figure FDA0003861723000000013
(3)式中，Cov为协方差，Var为方差；运算后，
Figure FDA0003861723000000014
为一含有401个元素的数组，找出
Figure FDA0003861723000000015
中最大值对应的Δc值，即Δcopt；如式(4)所示：
Figure FDA0003861723000000016
随后，令
Figure FDA0003861723000000017
随后将n个cm+1值代入公式(3)，(4)，(5)中重复进行迭代运算，定义迭代过程收敛时声速误差为
Figure FDA0003861723000000018
令Cerr<2×10-4mm/μs，为迭代停止的条件；当迭代停止时，公式(5)得到的结果即为每个光声信号的最优声速：
Figure FDA0003861723000000021
步骤七：将步骤六得到的最优声速copt代入延迟叠加DAS算法中，便能够重构出光声断层图像；
当换能器阵列为多个换能器构成环形换能器阵列，所述环形换能器阵列中的各个换能器呈等间距布置，探测单元数目大于等于120个，即环形换能器阵列的探测步长小于等于3°；
当换能器阵列为单个换能器时，所述单个换能器能够在步进电机带动下围绕样品做圆周运动，单次扫描步长小于等于3°。
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