一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，包括以下步驟：在目標(biāo)組織周圍放置M個傳感器；用寬束短脈沖激光周期性照射組織W次，各傳感器采集光聲信號；對各傳感器采集的W次光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號；對每組平均光聲信號做FFT，得到M組頻譜數(shù)據(jù)；設(shè)定M個隨機(jī)向量，根據(jù)各隨機(jī)向量對各組頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣；選取正交基矩陣，根據(jù)傳感器脈沖響應(yīng)及隨機(jī)抽樣得到的頻率值計(jì)算測量矩陣；利用壓縮感知求解目標(biāo)生物組織的光吸收分布，得到光聲重建圖像。本發(fā)明結(jié)合壓縮感知，利用少量傳感器采集的光聲信號完成目標(biāo)生物組織內(nèi)部的三維圖像重建，具有傳感器數(shù)量少、傳感器擺放位置相對任意等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別是一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲成像以超聲波作為信息的載體，反映生物組織的空間光學(xué)吸收分布特性，它同時具備了純光學(xué)成像和超聲成像二者的優(yōu)點(diǎn)，在保證一定成像深度的同時又具有高的對比度和空間分辨率，尤其適合于對生物軟組織的成像。光聲成像可根據(jù)待測目標(biāo)的光學(xué)吸收特性選取合適的激勵光波長，可定量的測量與光學(xué)吸收相關(guān)的生理參數(shù)，并可在完全無損傷的情況下對生物的高級功能活動進(jìn)行觀察并提供各方向高分辨率和高對比度的組織斷層圖像。盡管光聲成像具備以上優(yōu)勢，但由于使用單傳感器進(jìn)行圓周掃描采集信號周期長或多傳感器陣列受制于傳感器的帶寬、陣元數(shù)及間距而制造價(jià)格昂貴，該技術(shù)若要步入到臨床實(shí)踐階段，仍需做出大量研究和改善。
[0003]壓縮感知技術(shù)是一種新的采樣理論，其認(rèn)為只要信號是可壓縮的或在某個變換域中是稀疏的，就可以利用隨機(jī)采樣直接得到壓縮數(shù)據(jù)，然后通過求解最優(yōu)化問題從采集到的少量壓縮數(shù)據(jù)中重建出原始信號。利用壓縮感知技術(shù)可以大大減少光聲重建需要采集的數(shù)據(jù)，從而可以利用少量觀測角度采集到的信息或較少數(shù)量傳感器采集到的信息進(jìn)行光聲重建，大大節(jié)省傳感器采樣時間和制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)光聲重建方法信號采樣周期長或傳感器陣列制造成本高的問題，提供一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知技術(shù)的光聲圖像重建方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一，在目標(biāo)組織周圍放置M個傳感器；
[0007]步驟二，用寬束短脈沖激光周期性照射組織W次，各傳感器采集光聲信號；
[0008]步驟三，對各傳感器采集的W次光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號；
[0009]步驟四，對每組平均光聲信號做FFT，得到M組頻譜數(shù)據(jù)；
[0010]步驟五，設(shè)定M個隨機(jī)向量，根據(jù)各隨機(jī)向量對各組頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣；
[0011]步驟六，選取正交基矩陣，根據(jù)傳感器脈沖響應(yīng)及隨機(jī)抽樣得到的頻率值計(jì)算測量矩陣；
[0012]步驟六，利用壓縮感知求解目標(biāo)生物組織的光吸收分布，得到光聲重建圖像。
[0013]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟一中M個傳感器可以放置在目標(biāo)生物組織周圍的任何位置，比如放置于組織一側(cè)的矩形網(wǎng)格中的任意網(wǎng)格點(diǎn)上，或放置在包圍組織的整個球體網(wǎng)格中的任意網(wǎng)格點(diǎn)上，M的取值與所要重建光聲圖像經(jīng)過正交基矩陣變換后的圖像的稀疏度有關(guān)，圖像越稀疏，所需要的傳感器個數(shù)就越少，通?？蛇x擇在30~150之間。
[0014]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟二中激光發(fā)射器周期性的發(fā)射寬束短脈沖激光，照射整個生物組織。每發(fā)射一次激光，所有傳感器就采集組織發(fā)出的光聲信號，重復(fù)發(fā)射W次，接收過程中不需改變傳感器位置。
[0015]本發(fā)明中，步驟三對每個傳感器采樣得到的W組光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號，以減少隨機(jī)噪聲干擾，其中W的值太小重建圖像受噪聲影響較大，W的值太大將耗費(fèi)大量信號采樣時間，通?？蛇x擇在I~128之間。
[0016]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟四中需要對每組平均光聲信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟五中針對不同傳感器計(jì)算得到的頻譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同的隨機(jī)向量對該頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣，將M組抽樣得到的N點(diǎn)頻譜數(shù)據(jù)合并為一個M行N列的頻譜抽樣矩陣Y，其中N即為重建圖像寬度。 [0018]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟六中正交基矩陣Φ應(yīng)根據(jù)需要重建圖像在該正交基變換后的系數(shù)是稀疏的或可壓縮的為前提進(jìn)行選擇，通?？梢允歉道锶~正交基、小波正交基、曲波正交基中的一種；測量矩陣K可根據(jù)傳感器和聲源的相對位置、隨機(jī)抽樣得到的頻率值及傳感器脈沖響應(yīng)計(jì)算得到。
[0019]本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述步驟七中利用壓縮感知技術(shù)，根據(jù)隨機(jī)抽樣得到的頻譜抽樣矩陣Y、用于稀疏信號表示的正交基矩陣Φ以及計(jì)算得到的測量矩陣K，通過求解最優(yōu)化問題，求解得到目標(biāo)生物組織的空間光吸收分布。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說明，本發(fā)明的上述和/或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會變得更加清楚。
[0021]圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
[0022]圖2是本發(fā)明方法的設(shè)備安放示意圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0023]本發(fā)明結(jié)合壓縮感知技術(shù)，通過隨機(jī)放置的少數(shù)傳感器采集光聲信號，并轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行隨機(jī)抽樣，利用隨機(jī)抽樣得到的頻譜數(shù)據(jù)、計(jì)算得到的測量矩陣以及用于稀疏化重建圖像的正交基矩陣，通過求解一個最優(yōu)化過程重建出生物組織的空間光吸收分布。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，包括以下步驟:
[0025]步驟一，在目標(biāo)組織周圍放置M個傳感器；
[0026]步驟二，用寬束短脈沖激光周期性照射組織W次，各傳感器采集光聲信號；
[0027]步驟三，對各傳感器采集的W次光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號；
[0028]步驟四，對每組平均光聲信號做FFT，得到M組頻譜數(shù)據(jù)；
[0029]步驟五，設(shè)定M個隨機(jī)向量，根據(jù)各隨機(jī)向量對各組頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣；
[0030]步驟六，選取正交基矩陣，根據(jù)傳感器脈沖響應(yīng)及隨機(jī)抽樣得到的頻率值計(jì)算測量矩陣；
[0031]步驟六，利用壓縮感知求解目標(biāo)生物組織的光吸收分布，得到光聲重建圖像。
[0032]本發(fā)明中，步驟一，將M(30~150)個傳感器安放在目標(biāo)生物組織周圍的任何位置，比如放置于組織一側(cè)的矩形網(wǎng)格中的任意網(wǎng)格點(diǎn)上，也可以放置在包圍組織的整個球體網(wǎng)格中的任意網(wǎng)格點(diǎn)上。一種安放激光發(fā)生器、生物組織、球體網(wǎng)格傳感器陣列等裝置的示意圖如圖2所示，其中透鏡用來將較窄的激光束進(jìn)行擴(kuò)束，以覆蓋到整個生物組織。
[0033]本發(fā)明中，步驟二，激光發(fā)射器周期性的發(fā)射寬束短脈沖激光，照射整個生物組織。每發(fā)射一次激光，所有傳感器就采集組織發(fā)出的光聲信號，重復(fù)發(fā)射w(l~128)次，接收過程中不需改變傳感器位置。
[0034]本發(fā)明中，步驟三對每個傳感器采樣得到的W組光聲信號求平均，得到M組平均光
聲信號Pm(rm，t）:
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，在目標(biāo)組織周圍放置M個傳感器； 步驟二，用寬束短脈沖激光周期性照射組織W次，各傳感器采集光聲信號； 步驟三，對各傳感器采集的W次光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號； 步驟四，對每組平均光聲信號做FFT，得到M組頻譜數(shù)據(jù)； 步驟五，設(shè)定M個隨機(jī)向量，根據(jù)各隨機(jī)向量對各組頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣； 步驟六，選取正交基矩陣，根據(jù)傳感器脈沖響應(yīng)及隨機(jī)抽樣得到的頻率值計(jì)算測量矩陣； 步驟七，利用壓縮感知求解目標(biāo)生物組織的光吸收分布，得到光聲重建圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟一中放置傳感器，可以任意放置在位于生物組織一側(cè)的矩形網(wǎng)格中，或放置在包圍生物組織的球體網(wǎng)格中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟二激光發(fā)生器每發(fā)射一次激光，M個傳感器同時采集一段光聲信號，并重復(fù)W次，測量中，不需改變傳感器位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟三分別對每個傳感器采樣得到的W組光聲信號求平均，得到M組平均光聲信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟四需要分別對每組平均光聲信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到對應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟五需要分別為各組頻譜數(shù)據(jù)設(shè)定隨機(jī)向量并對其進(jìn)行N點(diǎn)隨機(jī)抽樣，將M組頻譜抽樣結(jié)果合并為一個MXN大小的頻譜抽樣矩陣Y。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟六中選擇的正交基矩陣Φ可以是傅里葉正交基、小波正交基、曲波正交基中的一種，也可以選取其它正交基矩陣；所述步驟六中測量矩陣K可根據(jù)傳感器和聲源的位置、隨機(jī)抽樣得到的頻率值及傳感器脈沖響應(yīng)計(jì)算得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的光聲圖像重建方法，其特征在于，所述步驟七中利用壓縮感知理論，使用壓縮感知信號重建時的最優(yōu)化求解方法，結(jié)合選擇的正交基Φ、計(jì)算得到的測量矩陣K以及隨機(jī)抽樣得到的頻譜抽樣矩陣Y，求解得到生物組織的光吸收分布，即為光聲圖像的重建結(jié)果。
【文檔編號】A61B5/00GK103584835SQ201310436669
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】袁杰, 邵真天, 夏煦菁, 封婷, 朱毅, 李文超, 張星, 儲哲琪, 溫馨, 顧鵬, 沈慶宏, 都思丹 申請人:南京大學(xué)