基于多角度观测的高分辨率光声成像方法

1.一种基于多角度观测的高分辨率光声成像方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)脉冲激光照射到待测生物组织上，产生光声信号；
(2)利用多元阵列超声探头同步观测光声信号，将采集到的光声信号全部采集、存储并上传到计算机中；
所述多元阵列超声探头阵元面正对待测生物组织，阵元面的中心位置对准待测生物组织的中心，所述多元阵列超声探头选用128阵元的宽带线阵探头；
(3)在计算机上基于相控动态聚焦算法和逆向坐标变换算法对光声图像进行快速重建；
所述相控动态聚焦算法，对探头128个阵元的回波数据采用并行分布式处理的图像重建方式，探头扫查采用整数步距模式：
首先以第1个阵元的回波数据为基准，该阵元的所有回波数据均被视为不同深度的焦点，以聚焦延时作为其它阵元回波数组的地址指针，通过地址查询的方式找到各个阵元共振点，将它们累加起来，就得到了以第1个阵元为主轴线的聚焦声束；
同样，以第2个阵元的回波数据为基准，重复上述过程，可以得到以第2个阵元为主轴线的声束；
同样过程重复128次，重建出一个由128条声束构成的二维光声图像；
所述逆向坐标变换算法，采用逆坐标变换的方式，利用双线性插值方法，将极坐标格式的二维光声图像数据转换为直角坐标系格式的数据；
(4)通过改变动态聚焦参数实现对待测生物组织的多角度观测，将不同角度观测到的图像进行数据融合处理；
实现对待测生物组织的多角度观测，利用同一组原始数据，通过控制聚焦主轴的方向，进而改变动态聚焦参数实现探头对待测生物组织的多角度观测。
2.根据权利要求1所述的基于多角度观测的高分辨率光声成像方法，其特征在于：步骤(4)中，所述图像融合处理，采用数据融合算法，将图像叠加在一起，在检测灵敏度不降低的情况下改善和提高光声图像的横向分辨率和信噪比。

基于多角度观测的高分辨率光声成像方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及光声层析成像技术，尤其涉及一种基于多角度观测的高分辨率光声成像方法。\n背景技术\n[0002] 光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透特性。它是以短脉冲激光作为激励源、光声信号作为信息载体，根据不同生物组织对特定波长激光具有差别较大的光学吸收系数进而辐射不同强度超声波的原理进行成像，通过对采集到的一组光声信号进行图像重建处理而得到组织内部结构信息的一种成像方法。光声成像技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响，因此光声成像技术具有比光学相干层析成像(OCT)技术更好的生物组织穿透性。光声信号既依赖于生物组织的光学特性，也依赖于生物组织的声学特性，能够给医学诊断提供大量的有效信息。肿瘤在生长过程中通常需要更多的血液供应，伴随更多的微血管增生，血管中的血色素使得病变组织对激光的吸收显著增强，明显高于正常部位，光声信号强度也远高于正常组织，因此光声成像技术非常适合用于肿瘤的早期诊断，应用前景广阔，正逐渐成为生物组织无损检测技术领域的一个研究热点。\n[0003] 目前，光声图像受制于阵列式超声探头切割工艺的限制，超声成像的横向分辨率比纵向分辨率一般要低2～3倍，导致光声图像的横向分辨率降低。因此针对这个问题，基于灵活的相控动态聚焦算法，利用同一阵列超声探头同时感知来自不同角度的光声信息，然后将这些不同角度的光声回波数据在同一参考坐标系下进行数据融合处理，即对同一被测目标同时进行多角度的观测，并将观测结果进行数据融合处理，这样处理可有效提高成像的横向分辨率和信噪比，实现光声图像的高分辨率。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于多角度观测的高分辨率光声成像方法。\n[0005] 本发明的目的通过下述技术方案实现，一种基于多角度观测的高分辨率光声成像方法，包括如下步骤：\n[0006] (1)脉冲激光照射到待测生物组织上，产生光声信号；\n[0007] (2)利用多元阵列超声探头同步观测光声信号，将采集到的光声信号全部采集、存储并上传到计算机中；\n[0008] (3)在计算机上基于相控动态聚焦算法和逆向坐标变换算法对光声图像进行快速重建；\n[0009] (4)通过改变动态聚焦参数实现对待测生物组织的多角度观测，将不同角度观测到的图像进行数据融合处理。\n[0010] 步骤(1)中，所述脉冲激光优选波长为400～1100nm。\n[0011] 步骤(2)中，所述多元阵列超声探头采用的是128阵元的宽带线阵探头，探头带宽为5～10MHz，与光声信号频率保持一致。\n[0012] 步骤(3)中，所述相控动态聚焦算法，对探头128个阵元的回波数据采用并行分布式处理的图像重建方式。探头扫查采用整数步距和1/2步距切换模式，以整数步距为例，首先以第1个阵元的回波数据为基准，该阵元的所有回波数据均被视为不同深度的焦点，以聚焦延时作为其它阵元回波数组的地址指针，通过地址查询的方式找到各个阵元共振点，将它们累加起来，就得到了以第1个阵元为主轴线的聚焦声束。同样，以第2个阵元的回波数据为基准，重复上述过程，可以得到以第2个阵元为主轴线的声束，同样过程重复128次，可以重建出一个由128条声束构成的二维光声图像。\n[0013] 步骤(3)中，所述逆向坐标变换算法，采用逆坐标变换的方式，利用双线性插值方法，将极坐标格式的数据转换为直角坐标系格式的数据。\n[0014] 步骤(4)中，所述实现对待测生物组织的多角度观测，利用同一组原始数据，通过控制聚焦主轴的方向，进而改变动态聚焦参数实现探头对待测生物组织的多角度观测。\n[0015] 步骤(4)中，所述图像融合处理，采用数据融合算法，将图像叠加在一起，确保在检测灵敏度不降低的情况下改善和提高光声图像的横向分辨率和信噪比，实现光声图像的高分辨率。\n[0016] 本发明还提供一种实现上述方法的装置，包括激光器、多元阵列超声探头、多通道并行采集电路和计算机，所述多元阵列超声探头阵元面正对待测生物组织，阵元面的中心位置对准待测生物组织的中心，多元阵列超声探头、多通道并行采集电路和计算机依次电气连接。\n[0017] 所述多元阵列超声探头采用的是128阵元的宽带线阵探头，探头带宽为5～\n10MHz，与光声信号频率保持一致；多通道并行采集电路的通道数为128，通道与阵元一一对应。\n[0018] 本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：\n[0019] (1)本发明针对多元阵列超声探头横向分辨率低的问题，利用同一阵列超声探头对同一被测目标同时进行多角度的观测，并将观测结果进行数据融合处理，有效提高了成像的横向分辨率和信噪比。\n[0020] (2)本发明在计算机上基于相控动态聚焦算法和逆向坐标变换算法进行了光声图像的分布式快速重建，提高了成像速度，实现了装置的数字化，提高了装置的灵敏度和动态范围。\n[0021] (3)本发明不仅可以使多元阵列超声探头在固定位置实现多角度观测成像，也可以移动探头实现多角度、多位置成像，装置适应性强，应用范围广。\n附图说明\n[0022] 图1本发明基于多角度观测的高分辨率光声成像装置的结构示意图。\n[0023] 图2多元阵列超声探头多角度观测示意图。\n[0024] 图1中：\n[0025] 1脉冲激光器\n[0026] 2扩束镜\n[0027] 3反射镜\n[0028] 4聚焦镜\n[0029] 5毛玻璃\n[0030] 6样品池\n[0031] 7耦合液\n[0032] 8待测生物组织\n[0033] 9多元阵列超声探头\n[0034] 10多通道并行采集电路\n[0035] 101主控电路\n[0036] 102TGC放大电路\n[0037] 103预滤波电路\n[0038] 104A/D采样电路\n[0039] 105基于FPGA的数据采集电路\n[0040] 106USB数据传输电路\n[0041] 11计算机\n具体实施方式\n[0042] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。\n[0043] 本发明基于多角度观测的高分辨率光声成像装置的具体结构如图1所示，本装置主要包括脉冲激光器(1)、多元阵列超声探头(9)、多通道并行采集电路(10)和计算机(11)，多元阵列超声探头(9)阵元面正对待测生物组织(8)，阵元面的中心位置对准待测生物组织的中心，多元阵列超声探头(9)、多通道并行采集电路(10)和计算机(11)依次电气连接。\n[0044] 所述多通道并行采集电路(10)包括主控电路(101)、TGC放大电路(102)、预滤波电路(103)、A/D采样电路(104)、基于FPGA的数据采集电路(105)和USB数据传输电路(106)，TGC放大电路(102)、预滤波电路(103)、A/D采样电路(104)、基于FPGA的数据采集电路(105)和USB数据传输电路(106)依次电气连接，主控电路(101)与除预滤波电路(103)外的其它各电路均有电气连接。\n[0045] 本发明装置构件选型如下：激光器(1)选用倍频的Q-Switched Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm，脉冲宽度为7ns，重复频率是30Hz；多元阵列超声探头(9)选用128阵元的宽带线阵探头，探头带宽为5～10MHz，阵元间距为0.3mm。\n[0046] 利用上述装置实现本发明方法的实施步骤是：\n[0047] (1)主控电路(101)触发脉冲激光器(1)，发射脉冲激光照射到待测生物组织(8)上，产生光声信号；\n[0048] (2)利用多元阵列超声探头(9)观测光声信号，利用多通道并行采集电路(10)对光声信号进行同步采集、TGC放大、信号预滤波、AD采样、缓存，最终上传到计算机(11)内存中；\n[0049] (3)在计算机(11)上基于相控动态聚焦算法和逆向坐标变换算法对光声图像进行快速重建；\n[0050] (4)通过改变动态聚焦参数实现对待测生物组织(8)的多角度观测，将不同角度观测到的图像进行数据融合处理，得到最佳的图像效果。\n[0051] 本发明多元阵列超声探头多角度观测示意图如图2所示，被测对象经过激光照射后产生的光声信号是向各个方向传播的，所以多元阵列超声探头9的每个阵元敏感到的是多个角度光声回波信号的叠加，而最终哪个方向的回波信号得到加强、哪个受到抑制，完全取决于聚焦主轴线的位置。\n[0052] 对被测对象可以利用同一帧原始数据，通过控制聚焦主轴的偏转方向，从而改变动态聚焦参数，实现对被测对象的多角度观测。其中，声束主轴的偏转角为 当声束与探头法线方向(X方向)存在一定偏角时，声束主轴线上的回波数据R在探头的横向(Y方向)上会有投影，这样可以利用轴向的高分辨率来弥补横向分辨率的不足。阵列超声探头的最大观测角度与探头阵元间距和工艺密切相关，当观测角度为0°时，探头阵元的观测灵敏度最高，随着观测角度的加大，观测灵敏度会显著下降。因此，可以对被测对象进行多角度观测，然后采用数据融合技术将这些图像叠加在一起，确保在检测灵敏度不降低的情况下改善和提高图像的横向分辨率。但是，声束扫查是以极坐标的格式存储，而最终的显像是在直角坐标系下进行的，因此不同角度的观测图像在叠加之前必须进行坐标变换处理。\n[0053] 从该性能的角度考虑，采用逆坐标变换的方式。坐标变换的过程如图2所示，(x，y)对应像素点上的位置，对其进行如下逆变换处理：\n[0054] \n[0055] 式(1)中，R、θ的整数部分分别作为帧存储器的轴向地址、线地址，R、θ的小数部分Rfrac、θfrac作为插值系数。利用双线性插值方法，得到(x，y)点的像素值P(x，y)：\n[0056] P(x，y)＝[P(R0，θ0)·(1-Rfrac)+P(R1，θ0)·Rfrac]·(1-θfrac)[0057] +[P(R0，θ1)·(1-Rfrac)+P(R1，θ1)·Rfrac]·θfrac\n[0058] ＝P(R0，θ0)·(1-Rfrac)·(1-θfrac)+P(R1，θ0)·Rfrac·(1-θfrac) (2)[0059] +P(R0，θ1)·(1-Rfrac)·θfrac+P(R1，θ1)·Rfrac·θfrac\n[0060] 经过式(2)所示坐标变换后可进行图像融合处理，最简单快速的融合方法将坐标变换后的数据直接叠加，这肯定不是最优的。此处应考虑将数据融合与坐标变换紧密结合起来，将数据融合过程放在双线形插值之前，从多个观测角度的图像数据中挑选最佳插值点，选择最佳的探头观测角度，最优的融合算法使融合后光声图像的横向分辨率最佳。