CN113367664B - 一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统。首先以探测最小的浅表血管直径为理论前提，分析其所需要系统分辨率对应的声波频率范围，计算该频段内声波在组织传播中的衰减特性，进而选择最优化的声学探测频率；其次，采用虚拟探测器方法对聚焦换能器进行声场补偿；最后，在波数项中考虑衰减和散射效应，修正传统的波场延拓算法，并结合人体不同软组织层内的声学频率幂律衰减的模式，以高效获取特定频率范围内声学衰减补偿，提升高频超声的有效穿透能力。本发明能够有效处理空间变化的声学衰减效应、消除离散引起的重建误差、提高图像分辨率及降低计算成本，属于光声成像技术领域。

Description

一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统

技术领域

本发明属于光声显微成像技术领域，涉及一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统。

随着高分辨率、大视场、快速光声成像技术的不断发展，高分辨光声显微术结合临床人体浅表血管学的特征成为光声成像技术临床推广应用的一个重要的方向。根据光学和声学配置的不同，目前光声显微术主要分为光分辨率和声分辨率成像模式。光学分辨率光声显微系统虽然能够实现对人体皮肤内的黑色素细胞及真皮微血管网络的高分辨率可视化，但其受光子散射影响，人体皮肤组织内光的聚焦一般局限于深度不超过1mm范围内，难以满足人体浅表深层组织微血管的无损高分辨显像要求。而声学分辨率光声显微系统利用高频超声波的低散射和深聚焦的优势，最大成像深度可达几个厘米，其在无创高分辨率血管成像中表现出较高的临床应用价值。

在光声成像中，脉冲激光诱导的超声波在频域内通常是非常宽频的。一般来说，低频超声波的衰减可以忽略，但随着频率的增加衰减会变得显著。因此，衰减类似一个低通滤波器，高频超声波在人体组织传播过程中会逐渐衰减。超声波的衰减补偿是在图像重建之前的一种简单信号处理方法，利用频域滤波器记录每一个时间序列。近年来，它已被用于光声穿过已知厚度吸收层的衰减补偿。但是，固定的频域滤波器系数不能完全补偿不同传播距离引起的超声波衰减。另一种方法是利用有耗波动方程进行时延图像重建。它的工作原理是将记录的声压信号按时间倒序重新传输到时域，并使用带标记吸收项反转的有耗波动方程的数值实现。但是，由于它是基于时间反转重建，这种衰减补偿的主要限制是效率低。

鉴于现有的超声衰减补偿算法具有位置误差且效率低的问题，同时没有对声学探测频率的进行最优化，也未考虑血管的管状结构和非均匀人体软组织对声波衰减与散射的变化影响，难以满足光声显微成像系统的实际应用。因此，如何高效获取特定频率范围内声学衰减补偿，提升高频超声的有效穿透能力，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统，以解决现有的超声衰减补偿算法具有位置误差且效率低的问题。本发明中的声学补偿方法及系统能够有效处理空间变化的声学衰减效应、消除离散引起的重建误差、提高图像分辨率及降低计算成本等特点，可以适配各种光声显微成像系统，更重要的是完全可适配于临床血管检测的声分辨率光声显微成像系统及仪器设备。

为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：

步骤101：基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化；

步骤102：对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息；

步骤103：基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿，并在波数项中考虑衰减和散射效应，对所述声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓，获得声学衰减补偿和声学波场延拓后的所述光声频域信息；

步骤104：对不同层的人体软组织的进行所述声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配。

可选的，所述基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化，具体包括：

声分辨率光声显微系统的横向分辨率取决于超声换能器的声场特性，计算公式为：

其中，LR_AR-PAM是声分辨率光声显微系统的横向分辨率,λ_a是超声信号(光声信号)的中心波长；NA_a是超声换能器的声学数值孔径(NA)；v是声速；f_c是超声信号的中心频率。

声分辨率光声显微系统的轴向分辨率AR_AR-PAM主要由超声换能器的带宽决定，如下所示：

其中，△f_c是超声换能器的带宽；v是声速。

可选的，所述对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息，所述光声信号的声压p(x,y,z,t)可以分解得到一组谐波分量P_v：

其中，k_x和k_y分别表示x，y方向的波数；ω表示时间轴上的频率；z为任意深度。

可选的，所述基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿，并在波数项中考虑衰减和散射效应，对所述声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓，并进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和声学波场延拓后的所述光声频域信息，具体包括：

根据声学波场延拓算法，超声换能器被认为是在其焦平面上的一个虚拟探测器，其需要有空间(x,y,z)的相移(乘以

)和时间t的相移(乘以

)在初始压力p(x,y,z＝0,t)时，

其中，

表示关于x，y和t的傅里叶变换；c为声速；z_vd为焦距；其中，k_x,k_y,k_z分别表示x，y,z方向的波数；ω表示时间轴上的频率；z为任意深度；声学衰减补偿后，对谐波分量P_v进行的声学波场延拓。

可选的，所述声学衰减补偿的波场延拓，具体包括：

根据衰减伴随着声的散射，会导致超声波在传播过程中会改变形状。散射方程为：

其中，α为声衰减系数，α₀为幂律前因子，n为幂律指数，幂律指数一般在1到2之间，c₀为等熵声速。iα₀|ω|ⁿ+α₀ω|ω|^n-1tan(πn/2)表示声的衰减和散射效应。

可选的，所述进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声频域信息，具体为，获得修正波场延拓后的谐波分量：

其中，α₀为幂律前因子。

可选的，声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声信号的强度可以表示为：

其中，I(x,y,z)是光声信号强度，

表示关于x和y的傅里叶反变换。

本发明还提供了一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿系统，所述系统包括：

声学探测频率优化模块，基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化；

傅里叶变换模块，用于对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息；

声场补偿模块，用于基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿；

声场延拓模块，用于在波数项中考虑衰减和散射效应，对声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓；

声学参数匹配模块，用于对不同层的人体软组织的进行声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配。

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：

本发明提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统，采用所述声学补偿方法及系统能够高效获取特定频率范围内声学衰减补偿，提升高频超声的有效穿透能力。与现有声学补偿方法及系统相比，本发明可以有效处理空间变化的声学衰减效应、消除离散引起的重建误差、提高图像分辨率及降低计算成本，实现人体浅表组织的大深度光声显微成像，在匹配声分辨率光声显微仪器的临床应用方面能够达到更佳的效果。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法的方法流程图；

图2为本发明提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿系统的结构示意图；

图3为经本发明所述声学补偿前后的人体皮肤成像的光声信号幅值的对照图；

图4为经本发明所述声学补偿前后的仿体成像的对照图；

图5为经本发明所述声学补偿前后的光声信号强度随成像深度变化的对照图；

图6为经本发明所述声学补偿前后的人体皮下血管成像的对照图；

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基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统，以高效获取特定频率范围内声学衰减补偿，提升高频超声的有效穿透能力。

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为本发明提供的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法的方法流程图。参见图1，本发明提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法包括：

步骤101：基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化，具体包括：

声分辨率光声显微系统的横向分辨率取决于超声换能器的声场特性，计算公式为：

其中，LR_AR-PAM是声分辨率光声显微系统的横向分辨率,λ_a是超声信号(光声信号)的中心波长；NA_a是超声换能器的声学数值孔径(NA)；v是声速；f_c是超声信号的中心频率。

声分辨率光声显微系统的轴向分辨率AR_AR-PAM主要由超声换能器的带宽决定，如下所示：

其中，△f_c是超声换能器的带宽；v是声速。

步骤102：对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息。

步骤103：基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿，并在波数项中考虑衰减和散射效应，对所述声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓，并进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和声学波场延拓后的所述光声频域信息，具体包括：

根据声学波场延拓算法，超声换能器被认为是在其焦平面上的一个虚拟探测器，其需要有空间(x,y,z)的相移(乘以

)和时间t的相移(乘以

)在初始压力p(x,y,z＝0,t)时，

其中，

表示关于x，y和t的傅里叶变换；c为声速；z_vd为焦距；其中，k_x,k_y,k_z分别表示x，y,z方向的波数；ω表示时间轴上的频率；z为任意深度；声学衰减补偿后，对谐波分量P_v进行的声学波场延拓。

所述对所述声学衰减补偿进行的所述声学波场延拓，具体包括：根据衰减伴随着声的散射，会导致超声波在传播过程中会改变形状。散射方程为：

其中，α为声衰减系数，α₀为幂律前因子，n为幂律指数，幂律指数一般在1到2之间，c₀为等熵声速。iα₀|ω|ⁿ+α₀ω|ω|^n-1tan(πn/2)表示声的衰减和散射效应。

所述进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声频域信息，具体为，获得修正波场延拓后的谐波分量：

其中，α₀为幂律前因子。

声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声信号的强度可以表示为：

其中，I(x,y,z)是光声信号强度，

表示关于x和y的傅里叶反变换。

步骤104：对不同层的人体软组织的进行所述声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配。

本发明还提供了一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿系统。图2为本发明提供一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿系统的结构示意图。参见图2，所述系统包括：

声学探测频率优化模块201，基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化；

傅里叶变换模块202，用于对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息；

声场补偿模块203，用于基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿；

声场延拓模块204，用于在波数项中考虑衰减和散射效应，对声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓；

声学参数匹配模块205，用于对不同层的人体软组织的进行声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配。

实施例1

运用本发明中的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统，测试其性能。

将本发明提出的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统配置在声分辨率光声显微成像系统后，先后获得了声学补偿前后的人体组织光声信号对照图，如图3所示；声学补偿前后的仿体成像的对照图，如图4所示；声学补偿前后的光声信号强度随成像深度变化的对照图，如图5所示；声学补偿前后的人体皮下血管成像的对照图，如图6所示。

正如背景技术部分所述，鉴于现有的超声衰减补偿算法具有位置误差且效率低的问题，同时没有对声学探测频率的进行最优化，也未考虑血管的管状结构和非均匀人体软组织对声波衰减与散射的变化影响，难以满足光声显微成像系统的实际应用。本发明提供了一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法及系统，能够有效处理空间变化的声学衰减效应、消除离散引起的重建误差、提高图像分辨率及降低计算成本等特点，因此本发明可高效获取特定频率范围内声学衰减补偿，提升高频超声的有效穿透能力。

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 (7)

1.一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤101：基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化；

步骤102：对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息；

步骤103：基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿，并在波数项中考虑衰减和散射效应，对所述声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓，获得声学衰减补偿和声学波场延拓后的所述光声频域信息；

步骤104：对不同层的人体软组织的进行所述声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配；

其特征在于，基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿，并在波数项中考虑衰减和散射效应，对所述声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓，并进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和声学波场延拓后的所述光声频域信息，具体包括：

根据声学波场延拓算法，超声换能器被认为是在其焦平面上的一个虚拟探测器，其需要有空间(x,y,z)的相移乘以

和时间t的相移乘以

在初始压力p(x,y,z＝0,t)时，

其中，

表示关于x，y和t的傅里叶变换；c为声速；z_vd为焦距；其中，k_x,k_y,k_z分别表示x，y,z方向的波数；ω表示时间轴上的频率；z为任意深度；声学衰减补偿后，对谐波分量P_v进行的声学波场延拓。

2.根据权利要求1所述的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，所述基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化，具体包括：

声分辨率光声显微系统的横向分辨率取决于超声换能器的声场特性，计算公式为：

其中，LR_AR-PAM是声分辨率光声显微系统的横向分辨率,λ_a是超声信号光声信号的中心波长；NA_a是超声换能器的声学数值孔径NA；v是声速；f_c是超声信号的中心频率，

声分辨率光声显微系统的轴向分辨率AR_AR-PAM主要由超声换能器的带宽决定，如下所示：

其中，△f_c是超声换能器的带宽；v是声速。

3.根据权利要求1所述的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，所述对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息，所述光声信号的声压p(x,y,z,t)可以分解得到一组谐波分量P_v：

其中，k_x和k_y分别表示x，y方向的波数；ω表示时间轴上的频率；z为任意深度。

4.根据权利要求1所述的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，所述对所述声学衰减补偿进行的所述声学波场延拓，具体包括：

根据衰减伴随着声的散射，会导致超声波在传播过程中会改变形状；散射方程为：

其中，k(ω)为散射方程，α＝α₀|ω|ⁿ为声衰减系数，α₀为幂律前因子，n为幂律指数，幂律指数一般在1到2之间，c₀为等熵声速；iα₀|ω|ⁿ+α₀ω|ω|^n-1tan(πn/2)表示声的衰减和散射效应。

5.根据权利要求1的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，所述进一步修正波场延拓，获得声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声频域信息，具体为，获得修正波场延拓后的谐波分量：

其中，α₀为幂律前因子。

6.根据权利要求1的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法，其特征在于，声学衰减补偿和波场延拓后的所述光声信号的强度可以表示为：

其中，I(x,y,z)是光声信号强度，

表示关于x和y的傅里叶反变换。

7.一种用于执行权利要求1的一种基于人体浅表皮肤光声显微成像的声学补偿方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

声学探测频率优化模块，基于超声换能器的特性，选择最优化的声学探测频率，在满足不同疾病检测的成像深度上实现分辨率及信噪比的最优化；

傅里叶变换模块，用于对采用所述最优化的声学探测频率检测到的光声信号进行傅里叶变换得到人体浅表皮肤光声频域信息；

声场补偿模块，用于基于人体浅表皮肤光声频域信息对超声换能器进行声学衰减补偿的声场补偿；

声场延拓模块，用于在波数项中考虑衰减和散射效应，对声学衰减补偿的波场进行声学波场延拓；

声学参数匹配模块，用于对不同层的人体软组织的进行声学衰减补偿和所述声学波场延拓，实现软体组织内声学衰减与散射系数的个性化匹配。

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