基于定焦声场的光声/超声内窥探头及动态聚焦重建算法

1.本发明涉及内窥成像领域，具体地涉及一种基于定焦声场的光声/超声内窥探头及动态聚焦重建算法。


背景技术：

2.声聚焦光声内窥成像是一种新兴的集高分辨，高穿透深度，高光学对比度为一体的生物医学内窥成像手段。在很多声聚焦光声内窥成像系统中，由于可以采用基于压电效应的换能器来接收超声，而这个换能器同时也可以发射超声，所以光声/超声成像由于同用一个换能器所以可以方便的集成在一起，形成声聚焦光声/超声成像系统。光声/超声成像在特定的场合中有很好的应用前景。
3.在常规的光声/超声内窥成像探头中，其基本的结构可使其进行360度环形扫描成像。另外，也可以采用平面超声换能器，然后利用抛物面的超声及激光反射镜来形成聚焦声场。在此类系统成像时，光声和超声内窥成像算法都比较类似，其一般采用类似于b超中常用的超声束直线传播模型，直接按照像素相对于换能器的距离和声速计算得到的延迟时间，以及换能器内窥扫描时的旋转角度，来将所得数据进行扇形排列组合成像。其中，由于超声涉及到信号的往返，因此在超声成像时声速需要设置成实际声速的一半。
4.此种成像方法简单直接，但是由于定焦探头的应用，其只能在焦点位置得到最佳横向分辨率，包括切向上的以及沿着探头的轴向上的最佳分辨率，而在远离焦点区域，其横向分辨率将迅速降低。当超声传感器的数值孔径越大，其最佳横向分辨率最小，但是此种情况下其成像景深也越小，反之亦然。这样的现状，主要是由于当前的声聚焦光声/超声内窥成像算法没有考虑到实际换能器的聚焦声场造成的，因此迫切的需要一种新的算法来考虑换能器的声场，使得离焦区域也能有较高的横向分辨率，进而保证整体图像成像的清晰准确。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的问题是提供一种基于定焦声场的光声/超声内窥动态聚焦重建算法，该方法能够提高离焦区域的横向分辨率，使得成像更加清晰准确。
6.本发明进一步要解决的问题是提供一种基于定焦声场的光声/超声内窥探头，该探头能够提高离焦区域的横向分辨率，使得成像更加清晰准确。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于定焦声场的光声/超声内窥探头及动态聚焦重建算法，包括以下步骤：1)根据换能器的固有参数,确定所述换能器的等效聚焦声场和等效焦点；2)以等效焦点为基准点，确定所述换能器接收到的等效焦点反馈的信号所经过的路径长度为f，并确定出所述换能器聚集声场的等效束腰半径ω0和等效半焦深z0；3)根据上述参数，计算出所述换能器扫描得到的单个像素点的像素值，并将原始的延时叠加算法进行优化，得到新型的延时叠加算法，通过该新型延时叠加算法，将扫描得到的图像像素点进行处理，以所述换能器接收到的该像素点所对应的超声信号的时间长短进行排
序，从而获得最终的图像。
8.优选地，在步骤3中，通过如下公式得到最终的图像：
[0009][0010]
其中，nd为换能器扫描过的方向位置数，为需要重建的像素坐标，s(i,t)为换能器在第i个位置时换能器接收到的信号，t为时间，为第i个像素点所在位置的相位系数，为第i个像素点所在位置的权重系数。通过该优选技术方案，将传统的延时叠加算法进行优化，得到新的延时叠加算法，延时叠加算法能够通过简单的计算推导，从而得到最终的图像数据，并且通过该叠加算法的计算，所需要的计算时间更短，效率更高，并且该算法，在保证了计算效率的同时，提高了成像的清晰度，使得最终的成像更加清晰准确。
[0011]
进一步优选地，所述相位系数由像素点与换能器焦点的相对位置所决定，在光声成像中，相位系数为：
[0012][0013]
在超声成像中，相位系数为：
[0014][0015]
其中，v为超声波在介质中的传播速度，a为像素点相对于所述换能器焦点的轴向距离，b为像素点相对于所述换能器焦点的径向距离。通过该优选技术方案，通过对光声成像和超声成像的相位系数进行限定，使得该设备在进行光声成像和超声成像时能够更加准确的定位像素点与换能器焦点之间的相对位置关系，从而提高成像的准确性。
[0016]
优选地，所述像素点距离换能器焦点的轴向距离a的表达式如下：
[0017][0018]
其中，为换能器在第i个位置时的焦点，为换能器第i个位置时的旋转中心。通过该优选技术方案，确定了像素点与换能器焦点之间的轴向距离，从而能够提高图像像素点在轴向距离的方向上成像的准确性。
[0019]
进一步优选地，所述像素点距离换能器焦点的径向距离b的表达式如下:
[0020]
[0021]
其中，为换能器在第i个位置时的焦点，为换能器第i个位置时的旋转中心。通过该优选技术方案，确定了像素点与换能器焦点之间的径向距离，从而能够提高图像像素点在径向距离的方向上成像的准确性。
[0022]
优选地，所述为第i个像素所在位置的权重系数，所述权重系数可通过如下的公式计算得出：
[0023][0024]
其中，为一个由当前像素点与换能器的距离所决定的位置限制函数。通过该优选技术方案，将权重系数通过位置限制函数进行限制，能够进一步对像素点的位置进行限定，从而能够更加准确的确定像素点的相对位置，进而保证了叠加后的图像的准确性。
[0025]
进一步优选地，所述位置限制函数通过以下方式来限制延时叠加的范围：
[0026][0027]
其中，a1、a2、b1和b2为位置限制函数的限制参数,所述限制参数由以下公式计算得出：
[0028][0029]
a2＝r，b1＝
‑
r，b2＝r，
[0030]
其中，d为内窥探头的直径，r为成像区域的半径。通过该优选技术方案，引入限制参数来进一步限定延时叠加的范围，并且将限制参数与探头的固有参数以及最终的成像参数相结合，从而提高了该限制函数的实用性，使得该限制函数能够准确的对延时叠加的范围进行限定，从而提高了经过延时叠加后图像的准确性。
[0031]
本发明第二方面提供了一种基于定焦声场的光声/超声内窥探头，包括：透明外壳、氟化钙镜片、反射镜、保护结构和换能器，所述内窥探头由旋转电机驱动其运动，以完成侧向的环形扫描成像作业，所述透明外壳包裹在所述内窥探头的外表面，所述换能器发射的声波经过氟化钙镜片和反射镜的折射和聚焦，照射到探测物上，所述内窥探头能够实现本发明第一方面所提供的一种基于定焦声场的光声/超声内窥动态聚焦重建算法。
[0032]
优选地，所述换能器采用平场超声换能器。通过该优选技术方案，采用平场超声换能器，其声场更为均匀，且制作难度相对于聚焦超声换能器的制作难度更低，并且接收面为平面便于接收从各个位置反馈的声波信号，从而提高最终图像成像的清晰度。
[0033]
进一步优选地，所述反射镜可采用抛物面反射镜，且所述抛物面反射镜以弧高为基准线，所述基准线与所述氟化钙镜片的中心相垂直。通过该优选技术方案，通过抛物面反射镜，使得换能器与聚焦点相对于抛物面反射镜的中心呈镜像对称，并且该反射镜能够实现光声和超声的反射，从而使得该设备普遍适用于各种光声和超声的检查。
[0034]
通过上述技术方案，本发明提供的基于定焦声场的光声/超声内窥动态聚焦重建算法，将常规的延时叠加算法进行优化，对其中的参数进行优化限制，并引入的限制参数，
从而得到一种新型的延时叠加算法，通过该新型延时叠加算法，能够在保证成像速度的前提下，提高最终成像的成像清晰度和准确性。
[0035]
本发明还提供了基于定焦声场的光声/超声内窥探头，通过采用平面超声换能器与抛物面反射镜相结合进行工作，提高了该设备普遍的适用性，并且该设备能够接收从各个角度反馈回来的声波信号，从而增加了其最终成像的清晰度和准确性。
[0036]
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0037]
图1为现有技术中所使用的声聚焦光声内窥探头结构图以及扫描等效结构图；
[0038]
图2为本发明所使用的基于抛物面反射镜的声聚焦光声内窥探头结构图以及扫描等效结构图；
[0039]
图3为本发明所使用的反射镜结构示意图；
[0040]
图4为本发明所扫描的物体的结构图；
[0041]
图5(a)和(b)分别为本发明的算法与原始算法对比的光声结果图；
[0042]
图6(a)和(b)分别为本发明的算法与原始算法对比的超声结果图。
[0043]
附图标记
[0044]1ꢀꢀꢀ
透明外壳
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀ
中空声聚焦超声换能器
[0045]3ꢀꢀꢀ
多模光纤
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀ
顶部45度反射镜
[0046]5ꢀꢀꢀ
氟化钙镜片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6ꢀꢀꢀꢀ
反射镜
[0047]7ꢀꢀꢀ
保护结构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8ꢀꢀꢀꢀ
平场超声换能器
具体实施方式
[0048]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0049]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0050]
本发明的基于定焦声场的光声/超声内窥探头及动态聚焦重建算法的一种实施方式，包括以下步骤：1)根据换能器的固有参数,确定所述换能器的等效聚焦声场和等效焦点；2)以等效焦点为基准点，确定所述换能器接收到的等效焦点反馈的信号所经过的路径长度为f，并确定出所述换能器聚集声场的等效束腰半径ω0和等效半焦深z0；3)根据上述参数，计算出所述换能器扫描得到的单个像素点的像素值，并将原始的延时叠加算法进行优化，得到新型的延时叠加算法，通过该新型延时叠加算法，将扫描得到的图像像素点进行处理，以所述换能器接收到的该像素点所对应的超声信号的时间长短进行排序，从而获得最终的图像。
[0051]
本发明相对于现有的算法不仅考虑了聚焦声场的实际形状，而且还通过对多个换能器位置采集的信号进行延时叠加和重建，实现了内窥探头在切向上的动态聚焦，从而有
效的扩大其成像的景深，从而得到全方位的高分辨声聚焦光声内窥成像结果。
[0052]
本发明的基于定焦声场的光声/超声内窥探头及动态聚焦重建算法中的一些实施例，在步骤3中，利用上述步骤1和步骤2中得到的数据参数，通过以下公式获得最终的图像：
[0053][0054]
其中，nd为换能器扫描过的方向位置数，为需要重建的像素坐标，s(i,t)为换能器在第i个位置时换能器接收到的信号，t为时间，为第i个像素点所在位置的相位系数，为第i个像素点所在位置的权重系数。
[0055]
其中，相位系数由像素点与换能器焦点的相对位置所决定，在光声成像中，相位系数为：
[0056][0057]
在超声成像中，相位系数为：
[0058][0059]
其中，v为超声波在介质中的传播速度，a为像素点相对于所述换能器焦点的轴向距离，b为像素点相对于所述换能器焦点的径向距离，像素点距离换能器焦点的轴向距离a和径向距离b的表达式如下：
[0060][0061][0062]
其中，为换能器在第i个位置时的焦点，为换能器第i个位置时的旋转中心，为第i个像素所在位置的权重系数，所述权重系数可通过如下的公式计算得出：
[0063][0064]
其中，为一个由当前像素点与换能器的距离所决定的位置限制函数，该位置限制函数通过以下方式来限制延时叠加的范围：
[0065][0066]
其中，a1、a2、b1和b2为位置限制函数的限制参数,所述限制参数由以下公式计算得出：
[0067][0068]
a2＝r，b1＝
‑
r，b2＝r，
[0069]
其中，d为内窥探头的直径，r为成像区域的半径。通过上述的内窥成像算法可以看出，相对于现有正在使用的成像算法，本发明所采用的新型延时叠加算法在常规的延时叠加算法的基础上，对其进行优化，从而得到新型的延时叠加算法，该新型延时叠加算法不仅保留了传统延时叠加算法在成像的计算速度快，成像效率高的效果，还提高了最终的成像的清晰度，从而使得采用本发明的算法在内窥成像领域既能够保证成像效率，又能够提高成像的清晰准确。
[0070]
如图1所示，为现有的内窥成像算法所使用的内窥成像探头，包括透明外壳1，中空声聚焦超声传感器2，多模光纤3，以及顶部45度反射镜4部件，其用来进行光和超声的反射。在扫描时，随着顶部反射镜6的旋转，其可以进行侧向的环形扫描成像。
[0071]
在图1中，等效束腰半径ω0和等效半焦深z0采用如下公式得出：
[0072][0073]
其中f0为内窥探头的中心频率，na为换能器的数值孔径。
[0074]
如图中所示，l1表示中空聚焦超声传感器与反射镜6中心之间的距离，l2表示反射镜6中心与中空聚焦超声传感器焦点之间的距离，在普通的声聚焦光声内窥重建算法中，其通常采用类似于b超成像中所用的超声束直线传播模型，在这种算法中，图像上用极坐标表示的任意一点(θ,r)的重建数值仅仅由单个探测器的信号决定：
[0075]
i(θ,r)＝s
θ
(r/v))
[0076]
其中s
θ
(t)表示在θ角度的时候换能器收到的信号，v为超声在介质中的传播速度，然而，由于其没有考虑超声传感器的探测面的尺寸以及形状，造成了其只能在聚焦的位置得到最好的分辨率结果。
[0077]
如图2至图3所示，为本发明中的内窥成像算法所使用的内窥成像探头，该探头包括透明外壳1，氟化钙镜片5，反射镜6，保护结构7以及使用的平场超声换能器8，探头整体在旋转电机驱动下进行运动，并完成侧向的环形扫描成像作业，其中，图中l3表示平场超声传感器8与氟化钙镜片5中心之间的距离，l4表示氟化钙镜片5中心与反射镜6中心之间的距离，l5表示抛物面反射镜6的焦距，在扫描时，由于反射镜6的存在，相当于平场超声传感器8处于图中虚线所标示的镜像位置，同时该反射镜6实现了声透镜的功能，因此在反射镜6后端的声场为聚焦声场，如图2所示，因此，在扫描过程中，与现有算法中所使用的内窥成像设备相对比，相当于现有的内窥成像设备中的中空聚焦超声传感器2围绕着旋转中心在以l3+l4为半径的扫描路径上进行旋转扫描。
[0078]
该氟化钙镜片5可透光反声，当进行光声检测时，采用脉冲激光对组织进行扫面探测时，脉冲激光可透过氟化钙镜片5照射到反射镜6上，该反射镜6为定制的抛物面反射镜6，
该抛物面反射镜6可进行光声和超声的反射，当脉冲激光透过氟化钙镜片5照射到抛物面反射镜6上后，脉冲激光经过抛物面反射镜6的聚焦，将脉冲激光汇聚于聚焦声场的等效焦点，并以此确定聚集声场的等效束腰半径ω0和等效半焦深z0，当脉冲激光作用在组织上时，被照射的组织迅速做出反应，反馈出的超声信号被平场超声换能器8所接收，从而具体的反馈信息的数据参数。
[0079]
当进行超声探测时，平场超声换能器8发出超声进行探测时，发出的超声被透光反声的氟化钙镜片5所折射，经过折射的超声再次由抛物面反射镜6所聚焦，最终作用在组织上，组织受到超声的作用反馈出超声信号，该超声信号最终由平场超声换能器8所接收，并得到具体的反馈信息参数。
[0080]
以图4所示的情况为例，此探测背景的中空区域直径为5mm，整体外围直径为23mm，在x方向上，在3mm到11mm的位置均匀分布有9个点目标。采集时所用的换能器直径为10mm，焦距为20mm，焦点到旋转中心的距离l5为7mm。聚焦超声传感器中心频率为15mhz，带宽为75％。
[0081]
图5(a)即用原始声聚焦光声内窥算法得到的光声图像,其在7mm位置的目标的横向分辨率最高，离开焦点区域越远，目标的横向分辨率扩展越大，系统的景深受限很大。
[0082]
图5(b)为采用本发明中的基于定焦声场的光声内窥动态聚焦重建算法得到的光声图像，对比图5(a)可以看出，采用本发明中算法除7mm位置目标的横向分辨率和图5(a)相差不大以外，图中其余目标的横向分辨率都得到了显著的提高，由此可以看出本发明所使用的算法在光声成像中能够产生较为明显的提高。
[0083]
图6(a)即用原始声聚焦光声内窥算法得到的超声图像，其在7mm位置的目标的横向分辨率最高，离开焦点区域越远，目标的横向分辨率扩展越大，系统的景深受限很大。
[0084]
图6(b)为采用本发明中的基于定焦声场的超声内窥动态聚焦重建算法得到的超声图像，对比图6(a)可以看出，采用本发明中算法除7mm位置目标的横向分辨率和图6(a)相差不大以外，图中其余目标的横向分辨率都得到了显著的提高，由此可以看出本发明所使用的算法在超声成像的领域能够产生较为明显的提高。
[0085]
通过上述的基于定焦声场的光声/超声内窥动态聚焦重建算法，可以明显看出该算法在对于不同的系统结构中具有普遍适用性，并且在光声与超声内窥实验中，在保留焦区横向分辨率的前提下，显著提升了离焦区域的横向分辨率，由此得到最终的成像更加清晰准确。
[0086]
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0087]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。