CN111938571A - 一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统，包括：获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；根据实际声源位置、虚拟声源位置和声速，确定第一Green函数；获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；根据声速、密度、第一光声信号、信号频率响应和第一Green函数，确定第二Green函数；获取超声探测器位置的第二光声信号；根据第二Green函数和第二光声信号，确定待测生物组织表面各点初始声压值；对各初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。本发明通过考虑成像组织声学特性的非均匀介质，对光声内窥图像进行重建，以提高图像的质量。

Description

一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，特别是涉及一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统。
背景技术
生物光声内窥(Photoacoustic endoscopy，PAE)成像是一种新型的非电离式生物医学功能成像技术，既具有光学成像的高对比度又具有超声成像的高分辨率。该技术以生物组织的光声效应为物理基础，以组织的光吸收系数和散射系数作为成像参数，可实时获取生物腔体内的形态结构和组织功能成分。
在从超声探测器采集的声压时间序列中反演重建腔体横截面上的初始声压分布或者光吸收分布图像的过程中，为了简化问题，通常假设成像组织是声学特性均匀介质，超声波在组织中传播时不会发生声散射现象。但在实际应用中，大多数生物组织都是非均匀介质，具有声散射特性，在该假设前提下重建出的图像通常存在严重的声学畸变、伪影、模糊以及目标错位等问题。因此，非均匀组织的图像重建是PAE成像中需要解决的关键问题。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统，以提高光声内窥图像的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法，所述方法包括：
获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；
根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数；
获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；
根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数；
获取超声探测器位置的第二光声信号；
根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值；
对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
可选的，所述根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和实际声源处声速，确定第一Green函数，具体包括：
Figure BDA0002059878370000021
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数。
可选的，所述根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数，具体包括：
根据
Figure BDA0002059878370000022
这个公式确定第二Green函数；
其中，ρ(r)表示实际声源处生物组织密度，c(r)表示实际声源处声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure BDA0002059878370000023
是第一Green函数的复共轭，
Figure BDA0002059878370000024
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P*(ω)表示P(ω)的复共轭，P(ω)表示第一光声信号的频谱，F(ω)表示滤波器的频谱。
可选的，所述根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值，具体包括：
对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号；
根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场；
根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
一种非均匀介质的光声内窥图像重建系统，所述系统包括：
第一数据获取模块，用于获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；
第一Green函数确定模块，用于根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数；
第二数据获取模块，用于获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；
第二Green函数确定模块，用于根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数；
第三数据获取模块，用于获取超声探测器位置的第二光声信号；
初始声压值确定模块，用于根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值；
初始声压值处理模块，用于对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
可选的，所述第一Green函数确定模块，具体包括：
Figure BDA0002059878370000031
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数。
可选的，所述第二Green函数确定模块，具体包括：
第二Green函数确定单元，用于根据
Figure BDA0002059878370000032
这个公式确定第二Green函数；
其中，ρ(r)表示实际声源处生物组织密度，c(r)表示实际声源处声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure BDA0002059878370000041
是第一Green函数的复共轭，
Figure BDA0002059878370000042
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P*(ω)表示P(ω)的复共轭，P(ω)表示第一光声信号的频谱，F(ω)表示滤波器的频谱。
可选的，所述初始声压值确定模块，具体包括：
第二光声信号获取单元，用于对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号；
时间反转声场确定单元，用于根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场；
初始声压值确定单元，用于根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统，通过考虑成像组织声学特性的非均匀介质，得到非均匀介质中的第二Green函数，然后根据光声信号在组织中传播的时间反转不变性，确定待测生物组织表面的初始声压值，最终得到重建图像，上述方法减少PAE重建图像中由声学特性不均匀所致的失真和伪影，有效改善图像的聚焦效果，提高图像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法的流程图；
图2为本发明实施例生物腔体组织横截面PAE成像示意图；
图3为本发明实施例声场的时间反转示意图；
图4为本发明实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法及其系统，以提高光声内窥图像的质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法的流程图，参见图1，实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度。
图2为本发明实施例生物腔体组织横截面PAE成像示意图，其中(a)部分是生物腔体组织成像结构示意图，其中(b)部分是生物腔体组织PAE成像平面示意图，参见图2，X-Y表示平面直角坐标系，X表示X-Y平面直角坐标系的横轴，Y表示X-Y平面直角坐标系的纵轴，O表示X-Y平面直角坐标系的坐标原点，成像平面中的一个组织区域V包含声学特性非均匀区域、虚拟声源和超声探测器，声学特性非均匀区域位于r1与r0之间，
Figure BDA0002059878370000052
是V的边界，以Y轴为分界线分为
Figure BDA0002059878370000053
和
Figure BDA0002059878370000054
两部分，即
Figure BDA0002059878370000055
步骤S2：根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数。
步骤S2具体包括：
第一Green函数表达式：
Figure BDA0002059878370000051
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数也就是均匀组织中的Green函数。
步骤S3：获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应。
步骤S4：根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数。
步骤S4具体包括：
PAE成像中超声信号的检测满足远场条件，故对于单极声源，非均匀介质中的Green函数表达式为：
Figure BDA0002059878370000061
其中，ρ(r)表示实际声源密度，c(r)表示实际声源声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure BDA0002059878370000062
是第一Green函数的复共轭，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，Gs(r0,r)表示第三Green函数，
Figure BDA0002059878370000064
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域。
所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第三Green函数之间存在如下关系：
K(r0,r)＝Gs(r0,r)P(ω) (3)
其中，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P(ω)表示第一光声信号的频谱。
根据公式(2)和公式(3)，得到
Figure BDA0002059878370000063
其中，P*(ω)表示P(ω)的复共轭。
采用波形滤波器对公式(4)进行滤波，以消除所述第一光声信号的影响，得到第二Green函数
Figure BDA0002059878370000071
其中，F(ω)表示滤波器的频谱，
Figure BDA0002059878370000072
根据公式(5)，得到公式(5)的时域形式：
Figure BDA0002059878370000073
其中，符号
Figure BDA0002059878370000074
是卷积运算，k(r0,r,t)是位于r0处的超声探测器接收来自实际声源r处的光声信号时的单位冲激响应，f(r,t)是F(ω)的时域表达式，gs(r0,r1,t)是Gs(r0,r1)的时域表达式，g0(r1,r,-t)是
Figure BDA0002059878370000075
的时域表达式。
实际声源位置r和虚拟声源位置r1之间为均匀介质，则有第一Green函数表达式：
Figure BDA0002059878370000076
第一Green函数时域表达式：
Figure BDA0002059878370000077
步骤S5：获取超声探测器位置的第二光声信号。
步骤S6：根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
图3为本发明实施例声场的时间反转示意图，其中(a)部分是前向问题示意图，其中(b)部分是时间反演重建示意图，参见图2，步骤S6具体包括：
步骤S601：对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号。
步骤S602：根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场，
Figure BDA0002059878370000078
其中，P(r0,T-t0)表示反转第二光声信号，T表示超声探测器测量到的光声信号长度，Σ表示超声探测器的扫描轨迹。
步骤S603：根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值，
根据时间反演的原理，有
pTR(r1,t)＝p(r1,T-t) (9)
其中，pTR(r1,t)能准确地汇聚到虚拟声源处，时刻T的反转声压pTR(r1,T)与激光照射生物组织产生的初始声压p(r1,0)的幅值相等，因此可得到组织表面各点的初始压强值，记为矩阵P，在平面扫描模式下，r1＝(x,y)，所以矩阵P的构成方式为：
Figure BDA0002059878370000081
其中，p(xi,ym)为矩阵P的第i行第m列元素的值，i＝1,2,…,L，m＝1,2,…,L；L2是组织表面的位置数。
步骤S7：对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
具体的，将P按照公式(11)进行归一化处理转换为L×L维的灰度矩阵
Figure BDA0002059878370000085
即可得到重建图像，
Figure BDA0002059878370000082
其中，max(abs(P))为矩阵P所有元素中幅值的最大值，
Figure BDA0002059878370000083
为L×L维矩阵
Figure BDA0002059878370000084
的第i行m列元素。
本发明实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法，所述方法首先得到非均匀介质中第二Green函数的表达式，然后，根据第二光声信号在组织中传播的时间反转不变性，重建腔体横截面上非均匀组织表面的初始声压分布图，上述方法可以减少PAE重建图像中由声学特性不均匀所致的失真和伪影，有效改善图像的聚焦效果，提高图像质量。
图4为本发明实施例一种非均匀介质的光声内窥图像重建系统的结构示意图，参见图4，一种非均匀介质的光声内窥图像重建系统，所述系统包括：
第一数据获取模块201，用于获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；
第一Green函数确定模块202，用于根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数；
第二数据获取模块203，用于获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；
第二Green函数确定模块204，用于根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数；
第三数据获取模块205，用于获取超声探测器位置的第二光声信号；
初始声压值确定模块206，用于根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值；
初始声压值处理模块207，用于对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
优选的，所述第一Green函数确定模块202，具体包括：
Figure BDA0002059878370000091
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数。
优选的，所述第二Green函数确定模块204，具体包括：
第二Green函数确定单元，用于根据
Figure BDA0002059878370000092
这个公式确定第二Green函数；
其中，ρ(r)表示实际声源处生物组织密度，c(r)表示实际声源处声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure BDA0002059878370000093
是第一Green函数的复共轭，
Figure BDA0002059878370000094
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P*(ω)表示P(ω)的复共轭，P(ω)表示第一光声信号的频谱，F(ω)表示滤波器的频谱。
优选的，所述初始声压值确定模块206，具体包括：
第二光声信号获取单元，用于对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号；
时间反转声场确定单元，用于根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场；
初始声压值确定单元，用于根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种非均匀介质的光声内窥图像重建方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；
根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数；
获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；
根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数；
获取超声探测器位置的第二光声信号；
根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值；
对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
2.根据权利要求1所述的非均匀介质的光声内窥图像重建方法，其特征在于，所述根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和实际声源处声速，确定第一Green函数，具体包括：
Figure FDA0002059878360000011
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数。
3.根据权利要求1所述的非均匀介质的光声内窥图像重建方法，其特征在于，所述根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数，具体包括：
根据
Figure FDA0002059878360000012
这个公式确定第二Green函数；
其中，ρ(r)表示实际声源处生物组织密度，c(r)表示实际声源处声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure FDA0002059878360000021
是第一Green函数的复共轭，
Figure FDA0002059878360000022
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P*(ω)表示P(ω)的复共轭，P(ω)表示第一光声信号的频谱，F(ω)表示滤波器的频谱。
4.根据权利要求1所述的非均匀介质的光声内窥图像重建方法，其特征在于，所述根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值，具体包括：
对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号；
根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场；
根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
5.一种非均匀介质的光声内窥图像重建系统，其特征在于，所述系统包括：
第一数据获取模块，用于获取待重建图像内实际声源位置、虚拟声源位置、超声探测器位置以及实际声源处声速和实际声源处生物组织密度；
第一Green函数确定模块，用于根据所述实际声源位置、所述虚拟声源位置和所述实际声源处声速，确定第一Green函数；
第二数据获取模块，用于获取实际声源位置的第一光声信号以及实际声源和超声探测器间的信号频率响应；
第二Green函数确定模块，用于根据所述实际声源处声速、所述实际声源处生物组织密度、所述第一光声信号、所述信号频率响应和所述第一Green函数，确定第二Green函数；
第三数据获取模块，用于获取超声探测器位置的第二光声信号；
初始声压值确定模块，用于根据所述第二Green函数和所述第二光声信号，确定待测生物组织表面各点的初始声压值；
初始声压值处理模块，用于对各所述初始声压值进行归一化处理，得到重建图像。
6.根据权利要求5所述的非均匀介质的光声内窥图像重建系统，其特征在于，所述第一Green函数确定模块，具体包括：
Figure FDA0002059878360000031
其中，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，c(r)表示实际声源处声速，j表示虚数单位，ω表示傅里叶变换的角频率，G0(r1,r)表示第一Green函数。
7.根据权利要求5所述的非均匀介质的光声内窥图像重建系统，其特征在于，所述第二Green函数确定模块，具体包括：
第二Green函数确定单元，用于根据
Figure FDA0002059878360000032
这个公式确定第二Green函数；
其中，ρ(r)表示实际声源处生物组织密度，c(r)表示实际声源处声速，r0表示超声探测器位置，r表示待重建图像内实际声源位置，r1表示待重建图像内虚拟声源位置，
Figure FDA0002059878360000033
是第一Green函数的复共轭，
Figure FDA0002059878360000034
表示V的部分边界，s表示包围V的闭合曲线，V表示成像平面中的一个组织区域，Gs(r0,r1)表示第二Green函数，K(r0,r)表示实际声源和超声探测器间的信号频率响应，P*(ω)表示P(ω)的复共轭，P(ω)表示第一光声信号的频谱，F(ω)表示滤波器的频谱。
8.根据权利要求5所述的非均匀介质的光声内窥图像重建系统，其特征在于，所述初始声压值确定模块，具体包括：
第二光声信号获取单元，用于对所述第二光声信号进行时间反转，得到反转第二光声信号；
时间反转声场确定单元，用于根据所述反转第二光声信号和所述第二Green函数，确定成像区域内的时间反转声场；
初始声压值确定单元，用于根据时间反演的原理对所述时间反转声场进行处理，确定待测生物组织表面各点的初始声压值。
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