CN109512389A - 基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限尺寸平面换能器光声层析成像重建算法。在现有的光声层析成像重建算法中，所用的平面超声换能器通常被当做理想点换能器或无限尺寸平面换能器，但是，由于光声层析成像中的大多数超声换能器的平面尺寸是有限的，所以偏离中心的目标将使上述两种重建模型成像的切线方向上模糊。本发明提出的一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，相对于现有的算法，其通过延长反投影距离来匹配探头尺寸，因此有效快速地恢复有限尺寸平面换能器光声层析成像图像的切向畸变，改善其切向分辨率，从而得到全方位的高分辨光声层析成像结果。

Description

基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法

技术领域

本发明涉及光声层析成像技术领域，具体地涉及一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法。

背景技术

光声计算机层析成像技术是近年来发展迅速的一种成像对比度高、对人体伤害小的医学成像技术。二维环形扫描是光声层析成像中最常见的实现方式之一，已广泛应用于小动物脑血管网络的可视化，裸鼠肿瘤检测和人类手指关节结构的成像。在这种扫描模式下，通常采用平面图传感器来执行围绕成像目标的环形扫描(或者存在环形阵列以避免环形机械扫描)。

光声层析成像(CSPAT)***设计的诸多考虑因素包括光学照明，***小型化，成本较低，采集时间较少以及成像对象的几何约束条件等，图像质量和空间分辨率仍然是最重要的优先事项；一方面，超声换能器的分布和特性在CSPAT中获得的图像的空间分辨率中起关键作用，为了确保换能器在CSPAT所需位置收集到图像域中的所有超声源，通常采用大孔径或宽接收角度的传感器，其尺寸为毫米级。另一方面，CSPAT中的大多数重建算法，例如传统的反投影算法，都假定超声换能器是理想点或无限尺寸，在这种情况下，重建算法中有限的换能器尺寸与上述两种重建模型近似之间的模型失配将导致图像中切线方向的一些旋转模糊，由有限的换能器孔径引起的这些自旋模糊伪影是声波在换能器区域上的空间平均的结果，这导致检测到的信号中出现时间拖尾，这会在重建图像中转化为空间拖尾。理论分析表明，对于传统的环形或球形扫描，换能器的带宽固有地限制了图像分辨率，并且切向分辨率与离旋转中心的距离成正比，并等于换能器探测面孔径尺寸。目前，光声层析成像的研究已经开发出许多高级算法来改善切向分辨率，这些算法大部分是基于模型的，通过解决换能器的几何和其他声学特性以改善切向分辨率；然而，这些方法很复杂，需要大量的数值来进行大的矩阵计算。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，该基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法相对于现有的算法通过延长反投影距离来匹配探头尺寸，有效快速地恢复有限尺寸平面换能器CSPAT图像的切向畸变，改善其切向分辨率，从而得到全方位的高分辨光声计算机层析成像结果。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，包括以下步骤：

1)将成像目标固定在环形超声换能器阵列中，环形超声换能器阵列与成像目标之间充满介质水；

2)激光器输出激光脉冲，使激光脉冲均匀照射成像目标，激发成像目标产生超声脉冲信号；

3)环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器同时开始记录到达实际超声换能器的超声脉冲信号，且将超声脉冲信号转化成电信号，通过信号发生接收器将接收到的电信号进行放大，并传输到数据采集***进行电信号采集；对采集的电信号进行处理，得出基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法的重建图形；

4)应用反投影算法计算成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(t)，则成像目标图像处像素点的图像值等于环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器的收到处像素点的信号值的叠加，即

其中，实际超声换能器距离成像目标为R，收到的超声脉冲信号所需时间为t，成像目标图像处的像素点与第i个实际超声换能器Pi的距离为R(x,y,Pi)，成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(R(x,y,Pi)/v)，v为超声在介质中的传播速度；

5)设置虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值为L，图像 处的像素点距离虚拟超声换能器的距离为R′＝R+L，则处像素点的图像值等于各个虚拟超声换能器收到处像素点的信号值的叠加，即

其中，图像处的像素点距离第i个虚拟超声换能器Pi′的距离为R′(x,y,Pi′)，成像目标图像处的像素点对应的实际超声换能器Pi的信号值变为Si[(R′(x,y,Pi′)-L)/v]；

6)将图像处的像素点与第i个虚拟超声换能器Pi′的距离的极坐标转换成直角坐标,则式(2)变为：

其中，R是实际超声换能器扫描轨迹的直径，N是实际超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处实际超声换能器接收的信号值，θ_i是第i个实际超声换能器位置的角坐标，v为超声在介质中的传播速度，R+L为虚拟超声换能器扫描轨迹的直径；

7)根据向量减法及距离公式，则成像目标的图像重建算法公式如下：

其中，I为图像处重建后的图像值，n为环形超声换能器阵列的扫描位置数，S_i(t)为第i个实际超声换能器收到的信号值，为第i个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度。

优选地，在图像重建过程中，利用环形超声换能器阵列进行球形扫描，在三维空间中，球形扫描由m个二维平面扫描过程构成，即各实际超声换能器总共有n×m个扫描位置，则公式(4)变为：

其中，I为图像处重建后的图像值，S_i,j(t)为(i,j)位置的实际超声换能器收到的信号，为第(i,j)个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度，n×m为实际超声换能器扫描点数。

优选地，步骤2)中所述激光器为脉冲激光器，所述激光脉冲波长532nm。

优选地，相邻的所述实际超声换能器之间的角度间距为1度，所述环形超声换能器阵列安装有360个实际超声换能器。

优选地，步骤3)所述对采集的电信号进行处理，是结合计算机中的MATLAB软件程序应用公式(4)的图像重建算法执行信号处理进行图像重建。

优选地，所述对采集的电信号进行处理，是结合计算机中的MATLAB软件程序应用公式(5)的图像重建算法执行信号处理进行图像重建。

通过上述技术方案，本发明的有益效果：

(1)现有的基于环形扫描的光声层析成像中，大多数采用理想点换能器或无限尺寸平面换能器的模型来进行成像，易造成偏离中心的成像目标在切线方向上成像模糊。本发明通过延长虚拟换能器距离，成功的克服了这个问题，使得其切向分辨率得到了极大的提高；

(2)本发明基于延迟叠加算法，是一种模型简单，自由度大，算法稳定性非常高，且计算简单的算法；

(3)本发明不需要改变现有的光声层析探头的结构，可以适应所有的超声换能器尺寸。

附图说明

图1a是光声层析成像使用理想点换能器模型的反投影算法的示意图；

图1b是光声层析成像使用无限尺寸换能器模型的反投影算法的示意图；

图1c是光声层析成像使用有限尺寸换能器模型的反投影算法的示意图；

图1d是光声层析成像使用有限尺寸换能器模型的成像过程示意图；

图2a是光声层析成像采用理想点换能器模型重建算法得出的图像；

图2b是光声层析成像采用无限尺寸换能器模型重建算法得出的图像；

图2c是光声层析成像采用有限尺寸换能器模型重建算法得出的图像；

图3a是光声层析成像三种模型重建算法在距成像目标中心2mm处横向轮廓数据图表；

图3b是光声层析成像三种模型重建算法在距成像目标中心4mm处横向轮廓数据图表；

图3c是光声层析成像三种模型重建算法在距成像目标中心6mm处横向轮廓数据图表；

图4是光声层析成像***示意图。

附图标记说明

1理想点换能器 2无限尺寸换能器 3有限尺寸换能器

4虚拟超声换能器 5投影线 6成像目标

61点目标

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，包括以下步骤：

将成像目标固定在环形超声换能器阵列中，环形超声换能器阵列与成像目标之间充满介质水；

激光器输出激光光束并发出超声触发信号；

当激光脉冲均匀照射成像目标后，成像目标吸收光迅速受热膨胀接着收缩从而产生超声脉冲信号，超声脉冲信号在介质水中开始以固定声速v向四周传播；

在激光脉冲发出的瞬间同时，环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器同时开始记录到达实际超声换能器的超声脉冲信号；收集到的超声脉冲信号被实际超声换能器转化成电信号后，通过信号发生接收器将接收到的超声电信号进行放大，并传输到数据采集***进行超声信号采集；

再结合计算机中的软件程序(使用执行信号处理)应用反投影算法进行图像重建，设定超声换能器距离成像目标为R，收到的超声脉冲信号所需时间为t，按照时间t与距离R的关系t＝R/ν,ν＝1.495mm/μs应用反投影算法计算成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(t)，成像目标图像处的像素点与第i个实际超声换能器Pi的距离为R(x,y,Pi)，成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(R(x,y,Pi)/v)，则成像目标图像处像素点的图像值等于环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器的收到 处像素点的信号值的叠加，即

设置虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值为L，则图像 处的像素点距离虚拟超声换能器的距离为R′＝R+L，图像处的像素点距离第i个虚拟超声换能器Pi′的距离为R′(x,y,Pi′)；成像目标图像处的像素点对应的实际超声换能器Pi的信号值变为Si[(R′(x,y,Pi′)-L)/v]；则处像素点的图像值等于各个虚拟超声换能器的收到处像素点的信号值的叠加，即

将图像处的像素点与第i个虚拟超声换能器Pi′的距离的极坐标转换成直角坐标,则式(2)变为：

其中，R是实际超声换能器扫描轨迹的直径，N是实际超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处实际超声换能器接收的信号值，θ_i是第i个实际超声换能器位置的角坐标，v为超声在介质中的传播速度，R+L为虚拟超声换能器扫描轨迹的直径；

根据向量减法及距离公式，则成像目标的图像重建算法公式如下：

其中，I为图像处重建后的图像值，n为环形超声换能器阵列的扫描位置数，S_i(t)为第i个实际超声换能器收到的信号值，为第i个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度。

其中，可以对实验过程进行简单变换，即使单独实际超声换能器在步进电机驱动下做360度转动的方式代替环形超声换能器阵列，参照图1d所示(图中仅表示出N＝1时的情形)，当实际超声换能器在P1位置时，在t1时刻，因为X1这条曲线上的点和实际超声换能器的距离都相等，所以此时实际超声换能器收到的信号为X1上的所有的点产生的超声脉冲信号在实际超声换能器位置P1处的叠加；同理t2时刻，实际超声换能器收到的信号为X2曲线上所有的点产生的超声脉冲信号的叠加；这样根据不同点的超声脉冲信号到达实际超声换能器的时间不同，实际超声换能器在经过一个激光脉冲后，就收集了一个时间序列的信号；然后实际超声换能器通过步进电机旋转至实验要求指定的下一个位置，即图中的P2继续采集超声信号，重复上述过程直至旋转一周，就能够同样实现环形超声换能器阵列的功能。

在应用环形超声换能器阵列的整个环形扫描的情形中，相邻两个实际超声换能器之间的角度φ相同，且实际超声换能器总数目为N。

在重建过程中，也可以采用基于球形扫描的光声层析成像技术，在三维空间中，由m个二维采集平面过程构成，即利用环形超声换能器阵列沿轴向不断移动一定距离重复采集超声脉冲信号，直至完成轴向扫描，即实际超声换能器总共有n×m个扫描位置，则公式(4)变为：

其中，I为图像处重建后的图像值，S_i,j(t)为(i,j)位置的实际超声换能器收到的信号，为第(i,j)个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度，n×m为实际超声换能器扫描点数。

本发明的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法的成像能力，主要与理想点换能器模型重建算法和无限尺寸换能器模型重建算法进行对比；成像目标6样品采用琼脂粉制成的仿体模型，其中，先将2g琼脂粉加入100mL水中，加温溶解后倒入相应的模具中静置，冷却成为圆柱形琼脂块凝胶；再将铅芯作为点目标61，分别***距仿体中心0mm、2mm、4mm和6mm的位置，得到成像目标6样品。成像目标6***直径为40mm，在横向x方向上距离成像目标6中心0mm到6mm的位置均匀分布着4个点目标61；激光器采用Nimma-600型号的Q-switched Nd:YAG.纳秒激光器，输出激光波长532nm，脉宽8ns，重复频率10Hz；采集所用的平面换能器的直径为5mm，中心频率为5MHz，带宽为71％；成像目标6中心与平面换能器之间的距离R为22mm；环形超声换能器阵列有360个平面换能器，平面换能器之间的角度间隔为1度，成像目标6位于环形扫描的旋转中心；横向可用x方向表示，切向可用y方向表示。

本发明采用有限尺寸平面换能器3的同时找到反投影算法的简洁形式，从而极大提高了图像切向分辨率。

如图4所示，信号发生接收器采用Olympus奥林巴斯超声脉冲发生/接收器(型号5072PR、5073PR)，数据采集***采用北京迪阳世纪科技有限公司生产的信号为LDI400VSE的数据采集***；激光器向成像目标6发射激光脉冲，成像目标6受热产生超声脉冲信号，超声脉冲信号被环形超声换能器阵列中的各个超声换能器接收并转化成电信号，再经过信号发生接收器的放大后被数据采集***采集；若是采用单独的超声换能器进行扫描，则超声换能器需要在步进电机作用下绕轴旋转来实现环形扫描，若是进行球形扫描，则环形超声换能器阵列在步进电机作用下沿轴向移动来实现球形扫描，也可以采用单独的超声换能器先绕轴旋转、再沿轴向移动来实现球形扫描，其中，驱动器在计算机控制下驱动步进电机工作；再结合计算机中的MATLAB软件程序应用反投影算法对所采集的信号数据进行图像重建，最终得到成像目标的图像。

如图1c所示，在本发明中，首先创建一个远离实际超声换能器位置的虚拟超声换能器4，设置虚拟超声换能器4与实际超声换能器之间的距离值为L，则实际超声换能器接收的信号可以近似为由虚拟超声换能器4接收的信号，只是具有时间延迟L/v；将代入直角坐标，则本发明得到的图像点(x,y)处的重建值由实际超声换能器的位置的信号和虚拟超声换能器的扫描半径决定：

其中，R是实际超声换能器扫描轨迹的直径，N是实际超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处实际超声换能器接收的信号，θ_i是第i个实际超声换能器位置的角坐标，v为超声在介质中的传播速度，R+L为虚拟超声换能器扫描轨迹的直径。

通常的反投影算法示意图如图1a、1b所示，反投影算法首先测量像素和每个超声换能器之间的时间延迟，然后由相应时间延迟的超声换能器信号之和得出最终像素值。

图1a显示了换能器被视为理想点换能器1时的图像重建示意图，这也是当前大多数CSPAT重建算法的原理，在这种基于理想点的CSPAT重建算法中，投影线5(或者说相等的时间延迟线)是以实际超声换能器位置为中心的一组同心曲线，在这种算法中，图像上位于(x,y)处的重建数值由换能器位置的信号决定：

其中，R是超声换能器扫描轨迹的直径，N是总超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处超声换能器接收的信号，θ_i是第i个超声换能器的角坐标，v为超声在介质中的传播速度；该等式可以为理想点换能器1提供均匀的分辨率，但对于具有有限尺寸的平面换能器，当点目标61远离成像目标6中心位置时，图像切向分辨率将恶化。

普通反投影算法的第二种模型是基于大尺寸线换能器，即被视为无限尺寸的换能器2，这种情况的示意图如图1b所示，投影线5与无限尺寸换能器2平面平行；在这种算法中，图像上位于(x,y)处的重建数值为：

其中，R是超声换能器扫描轨迹的直径，N是总超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处超声换能器接收的信号，θ_i是第i个超声换能器的角坐标，v为超声在介质中的传播速度；然而，对于较小的超声换能器，当点目标61远离成像目标6中心位置时，图像切向分辨率将恶化。

图2a是采用理想点换能器1模型成像算法，即公式(6)得出的图像，图2b即采用无限尺寸换能器2模型成像算法，即公式(7)得出的图像。其中可以看出，距离成像目标6中心4mm和6mm的两个点目标61，与距离成像目标6中心0mm和2mm处的两个点目标61相比横向轮廓显著延长，距离成像目标6中心越远，目标的切向y方向畸变越明显，***的切向y方向分辨率变差。

图2c为采用本发明的有限尺寸换能器3模型成像算法，即公式(3)得到的图像，根据向量减法及距离公式，公式(3)可以转化为公式(4)，在进行球形扫描的情况下，公式(4)可以转化为公式(5)。其中选择的虚拟超声换能器4与实际超声换能器3之间的距离值为27mm。对比图2a和图2b可以看出，采用本发明算法中除0mm、2mm位置目标的切向分辨率与图2a和图2b中基本差不多外，图中其余目标的切向分辨率都得到了显著地提高，切向模糊伪影得到了有效的恢复。

图3a、3b和图3c分别是图2a、图2b和图2c在距离成像目标6中心2mm、4mm、6mm处点目标61提取的横向数据轮廓。

其中实线是用本发明中算法重建的横向轮廓，星点线是用理想点模型算法重建的横向轮廓，圆点线是用无限模型算法重建的横向轮廓。

纵坐标为图2a/2b/2c横坐标2/4/6mm处像素点灰度值的归一化数据值，0为黑，1为白；横坐标为图2a/2b/2c中像素点的纵坐标；

将横坐标2mm处像素点的灰度值分别除以该横坐标处像素点灰度值的最大值，即得到归一化数据值；

重复代入横坐标4mm、6mm处像素点的图像值得到对应的归一化数据值；将归一化数据值作为纵坐标，且将对应图2a/2b/2c中像素点的y轴坐标作为横坐标可以得到图3a、3b和图3c所示的轮廓数据图表。

对比可以看出，采用本发明的有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法的CSPAT图形切向模糊伪影被有效地恢复。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不局限于上述实施例的限制，上述的具体实施方式用于对本发明进行解释，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变，例如数据前处理和后处理等，均应视为等效的置换方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将成像目标固定在环形超声换能器阵列中，环形超声换能器阵列与成像目标之间充满介质水；

2)激光器输出激光脉冲，使激光脉冲均匀照射成像目标，激发成像目标产生超声脉冲信号；

3)环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器同时开始记录到达实际超声换能器的超声脉冲信号，且将超声脉冲信号转化成电信号，通过信号发生接收器将接收到的电信号进行放大，并传输到数据采集***进行电信号采集；对采集的电信号进行处理，得出基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法的重建图形；

4)应用反投影算法计算成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(t)，则成像目标图像处像素点的图像值等于环形超声换能器阵列中的各个实际超声换能器的收到处像素点的信号值的叠加，即

其中，实际超声换能器距离成像目标为R，收到的超声脉冲信号所需时间为t，成像目标图像处的像素点与第i个实际超声换能器Pi的距离为R(x,y,Pi)，成像目标图像处的像素点对应的第i个实际超声换能器Pi的信号值Si(R(x,y,Pi)/v)，v为超声在介质中的传播速度；

5)设置虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值为L，图像 处的像素点距离虚拟超声换能器的距离为R′＝R+L，则处像素点的图像值等于各个虚拟超声换能器收到处像素点的信号值的叠加，即

其中，图像处的像素点距离第i个虚拟超声换能器Pi′的距离为R′(x,y,Pi′)，成像目标图像处的像素点对应的实际超声换能器Pi的信号值变为Si[(R′(x,y,Pi′)-L)/v]；

6)将图像处的像素点与第i个虚拟超声换能器Pi′的距离的极坐标转换成直角坐标,则式(2)变为：

其中，R是实际超声换能器扫描轨迹的直径，N是实际超声换能器的数量，S_i(t)是由第i处实际超声换能器接收的信号值，θ_i是第i个实际超声换能器位置的角坐标，v为超声在介质中的传播速度，R+L为虚拟超声换能器扫描轨迹的直径；

7)根据向量减法及距离公式，则成像目标的图像重建算法公式如下：

其中，I为图像处重建后的图像值，n为环形超声换能器阵列的扫描位置数，S_i(t)为第i个实际超声换能器收到的信号值，为第i个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，在图像重建过程中，利用环形超声换能器阵列进行球形扫描，在三维空间中，球形扫描由m个二维平面扫描过程构成，即各实际超声换能器总共有n×m个扫描位置，则公式(4)变为：

其中，I为图像处重建后的图像值，S_i,j(t)为(i,j)位置的实际超声换能器收到的信号，为第(i,j)个实际超声换能器的位置，L为虚拟超声换能器与实际超声换能器之间的距离值，v为超声在介质中的传播速度，n×m为实际超声换能器扫描点数。

3.根据权利要求1或2所述的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，步骤2)中所述激光器为脉冲激光器，所述激光脉冲波长532nm。

4.根据权利要求1或2所述的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，相邻的所述实际超声换能器之间的角度间距为1度，所述环形超声换能器阵列安装有360个实际超声换能器。

5.根据权利要求1所述的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，步骤3)所述对采集的电信号进行处理，是结合计算机中的MATLAB软件程序应用公式(4)的图像重建算法执行信号处理进行图像重建。

6.根据权利要求2所述的基于有限尺寸平面换能器的光声层析成像重建算法，其特征在于，所述对采集的电信号进行处理，是结合计算机中的MATLAB软件程序应用公式(5)的图像重建算法执行信号处理进行图像重建。