一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法。該方法包括獲取光聲信號(hào)的掃描數(shù)據(jù)；對(duì)聲波的波動(dòng)方程進(jìn)行離散，建立時(shí)域有限差分的計(jì)算網(wǎng)格；根據(jù)單向波方程建立時(shí)域有限差分的網(wǎng)格吸收邊界條件；對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)并加載到對(duì)應(yīng)的接收位置；最后，對(duì)時(shí)域有限差分公式進(jìn)行時(shí)間步進(jìn)并計(jì)算最大方差范數(shù)，當(dāng)最大方差范數(shù)達(dá)到最小時(shí)停止時(shí)間步進(jìn)，輸出重建的圖像。本發(fā)明可用于聲速均勻和非均勻介質(zhì)并且不受掃描方式的限制，實(shí)現(xiàn)了光聲信號(hào)在時(shí)間和空間上的雙重聚焦，能夠精確地重建出生物組織的光學(xué)吸收分布，具有極強(qiáng)地實(shí)際使用意義。
【專利說(shuō)明】
一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲 圖像重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光聲成像技術(shù)結(jié)合了純聲學(xué)成像技術(shù)高穿透性和高分辨率的優(yōu)勢(shì)和純光學(xué)成像 的高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避開(kāi)了光學(xué)成像中高散射的影響，此外光聲成像具有非電離輻射 的特性，在檢測(cè)過(guò)程中不對(duì)生物組織產(chǎn)生傷害。目前光聲成像已被用于腫瘤檢測(cè)和血管成 像等結(jié)構(gòu)性成像，以及血液動(dòng)力學(xué)檢測(cè)等功能性成像。
[0003] 光聲成像是利用脈沖激光照射生物組織，當(dāng)組織吸收光能量后產(chǎn)生彈性膨脹從而 誘導(dǎo)出超聲信號(hào)，即光聲信號(hào)。超聲換能器分布在組織周?chē)邮諄?lái)自各個(gè)方向的光聲信號(hào)， 利用特殊的重建算法獲得組織光吸收分布的圖像。目前的成像算法主要有逆Radon變換法、 濾波反投影法、延遲疊加法、時(shí)域重建法和反卷積重建法等
[0004] 上述方法無(wú)需迭代，成像速度快，但都具有兩個(gè)缺點(diǎn)，首先上述方法都是建立在成 像物體是聲速均勻介質(zhì)的假設(shè)條件下；其次這些方法都局限于特定的掃描方式，大多都是 圓形或線性掃描。然而上述兩點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中往往并不滿足。本發(fā)明提出的圖像重建方法 可用于聲速均勻和非均勻介質(zhì)并且不受掃描方式的限制，實(shí)現(xiàn)了光聲信號(hào)在時(shí)間和空間上 的雙重聚焦，能夠精確地重建出生物組織的光學(xué)吸收分布，具有極強(qiáng)地實(shí)際使用意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種新的光聲圖像重建方法，可適用于任意掃描方式，并 能夠精確地重建出生物組織的光學(xué)吸收分布。
[0006] 本發(fā)明提出的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，具體包括以 下步驟：
[0007] (1)利用光聲成像設(shè)備獲取光聲信號(hào)的掃描數(shù)據(jù)，并記錄掃描方式；
[0008] (2)對(duì)聲波的波動(dòng)方程進(jìn)行離散，建立時(shí)域有限差分的計(jì)算網(wǎng)格；
[0009] (3)根據(jù)單向波方程建立時(shí)域有限差分的網(wǎng)格吸收邊界條件：
[0010] (4)對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)并加載到對(duì)應(yīng)的接收位置；
[0011] (5)對(duì)時(shí)域有限差分公式進(jìn)行時(shí)間步進(jìn)并計(jì)算最大方差范數(shù)；
[0012] (6)判斷最大方差范數(shù)，當(dāng)其達(dá)到最小時(shí)輸出重建圖像。
[0013]由于光聲信號(hào)就是聲波信號(hào)，因此其在介質(zhì)中的傳播滿足聲波波動(dòng)方程，即：
[00?5]其中，P表不光聲信號(hào)，c表不生物組織中聲波的傳播速度，t表不時(shí)間。在二維直角 坐標(biāo)系中，利用時(shí)域有限差分離散可得：
[0017] 其中，i和j為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，Δχ和Ay為矩形網(wǎng)格分別沿X，y方向的空間步長(zhǎng)， △ t為時(shí)間步長(zhǎng)，η表示算法中的時(shí)間步進(jìn)次數(shù)，c為計(jì)算區(qū)域的聲速。當(dāng)c為常數(shù)時(shí)表示計(jì)算 區(qū)域是聲速均勻的介質(zhì)，若將c表示為空間坐標(biāo)的函數(shù)c(i，j)即可計(jì)算聲速非均勻的介質(zhì)。
[0018] 吸收邊界條件是為了使計(jì)算區(qū)域的聲波傳到邊界時(shí)不發(fā)生反射，使其不影響內(nèi)部 的聲場(chǎng)。它可由波動(dòng)方程求得，為了實(shí)現(xiàn)更好的吸收效果，此處使用二階近似吸收邊界條 件：
[0025] 其中，η表示算法中的時(shí)間步進(jìn)次數(shù)，（j，k)是圖像中像素的坐標(biāo)。最大方差范數(shù)用 于判斷圖像收斂的時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)它達(dá)到最小時(shí)，獲得重建圖像。
[0026] 本發(fā)明所公開(kāi)的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建計(jì)算的流程圖 如圖1所示。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明中基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建的方法流程圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明中計(jì)算機(jī)仿真聲速均勻介質(zhì)中的光吸收分布圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明中采用如下三種掃描重建所得的時(shí)間反演光聲圖像結(jié)果圖，（a)圓周 掃描，（b)直線掃描，（c)不規(guī)則掃描。
[0030] 圖4是本發(fā)明中計(jì)算機(jī)仿真聲速非均勾介質(zhì)中的聲速分布、光吸收分布以及基于 均勻介質(zhì)模型和基于非均勻介質(zhì)模型得到的重建圖像。
[0031] 圖5是本發(fā)明中瓊脂仿體實(shí)驗(yàn)的光吸收分布和時(shí)間反演光聲圖像重建的結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 對(duì)本發(fā)明提出的光聲圖像重建方法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)施測(cè)試，并開(kāi)展真實(shí)的 仿體實(shí)驗(yàn)實(shí)施測(cè)試。利用本發(fā)明公開(kāi)的算法對(duì)采集得到的光聲信號(hào)進(jìn)行二維圖像重建，本 發(fā)明實(shí)施例的成像結(jié)果與仿體實(shí)物的一致性，初步驗(yàn)證本發(fā)明算法的可行性和科學(xué)性。
[0033] 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)施測(cè)試中，首先建立待成像組織的模型，設(shè)定已知的光吸 收分布圖，然后根據(jù)時(shí)域有限差分形式的聲波波動(dòng)方程計(jì)算圓周掃描、正方形掃描和不規(guī) 則掃描情況下采集得到的光聲信號(hào)。圓周掃描半徑為20mm，角度步長(zhǎng)為3.6°，共100個(gè)采樣 點(diǎn)；正方形掃描共100個(gè)采樣點(diǎn)，均勻分布在正方向的四個(gè)邊上；不規(guī)則掃描一共有100個(gè) 點(diǎn)，以不規(guī)則的形狀分布在組織周?chē)?。用仿真的光聲信?hào)重建成像組織的光吸收分布圖。 [0034]圖2顯示了成像組織的光吸收分布圖，成像區(qū)域?yàn)?5*15mm，圖像大小為150*150像 素。
[0035]圖3顯不了用本發(fā)明在聲速均勾介質(zhì)中重建的光吸收分布圖，圖3(a)為圓周掃描 方式下的重建圖像，圖3(b)為正方形掃描方式下的重建圖像，圖3(c)為不規(guī)則掃描方式下 的重建圖像。
[0036] 為了展示本發(fā)明在聲速非均勻介質(zhì)中的成像效果，本實(shí)施例還建立了一個(gè)聲速非 均勻的介質(zhì)，然后在該介質(zhì)模型上通過(guò)仿真得到光聲信號(hào)，最后用本發(fā)明中的成像方法分 別在聲速非均勻介質(zhì)模型和聲速均勻介質(zhì)模型中進(jìn)行圖像重建。
[0037] 圖4(a)為聲速非均勻介質(zhì)的聲速分布圖，圖4(b)為成像組織的光吸收分布圖，圖4 (c)為在聲速非均勻介質(zhì)中得到的重建圖像，圖4(d)為在聲速均勻介質(zhì)中得到的重建圖像。 對(duì)比可以看出圖4(c)重建的圖像效果很好，而圖4(d)發(fā)生了畸變并有較強(qiáng)的偽影。
[0038]圖5(a)顯示了仿體的照片，圖5(b)顯示了圓形掃描方式下重建的圖像。
[0039]由上述實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，本發(fā)明的光聲圖像重建方法可以精確地重建光吸 收分布圖，不僅在任意的掃描方式下都能正確地進(jìn)行圖像重建，而且可以在聲速非均勻介 質(zhì)中重建出精確的圖像，具有極強(qiáng)地實(shí)際使用意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 利用光聲成像設(shè)備獲取光聲信號(hào)的掃描數(shù)據(jù)，并記錄掃描方式； (2) 對(duì)聲波的波動(dòng)方程進(jìn)行離散，建立時(shí)域有限差分的計(jì)算網(wǎng)格； (3) 根據(jù)單向波方程建立時(shí)域有限差分的網(wǎng)格吸收邊界條件： (4) 對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)并加載到對(duì)應(yīng)的接收位置； (5) 對(duì)時(shí)域有限差分公式進(jìn)行時(shí)間步進(jìn)并計(jì)算最大方差范數(shù)； (6) 判斷最大方差范數(shù)，當(dāng)其達(dá)到最小時(shí)輸出重建圖像。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，其特征 在于，光聲成像設(shè)備對(duì)成像物體的掃描方式可以是圓形、橢圓、三角形、方形、多邊形等任意 封閉的掃描方式，還可以是半圓，直線等非封閉的掃描方式。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，其特征 在于，所述的聲波波動(dòng)方稈為：(1) 其中，P為光聲信號(hào)，c為生物組織中聲波的傳播速度，t為時(shí)間。在二維直角坐標(biāo)系中， 利用時(shí)域有限差分（finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)離散可得：其中，η為離散的時(shí)間，i和j為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，和為矩形網(wǎng)格分別沿x，y方向的空間步 長(zhǎng)，為時(shí)間步長(zhǎng)。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，其特征 在于，所述的吸收邊界條件是由波動(dòng)方程求得的二階近似吸收邊界條件：5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)域有限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建方法，其特征 在于，所述的最大方差范數(shù)為： (4； 其中，η表示算法中的時(shí)間步進(jìn)次數(shù)，（j，k)是圖像中像素的坐標(biāo)，最大方差范數(shù)用于判 斷圖像收斂的時(shí)間點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G06T11/00GK105869191SQ201610179489
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】賴大坤, 徐琦, 毛亮
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)