一种快速电磁波热致声成像去噪方法及装置

本发明属于电磁波热致声成像领域，包含微波热声成像领域和光声成像领域，尤其涉及一种快速电磁波热致声成像去噪方法及装置。

背景技术：

1、电磁波热致声成像，包括微波热声成像和光声成像，是一种新型的医学成像技术。其综合了电磁波成像的高对比度以及超声成像的高分辨率，从而在乳腺癌、脑出血、脂肪肝、微波消融、血管肿瘤、血氧饱和度测量等医学领域中有良好的应用前景。电磁波热致声成像利用电磁波作为激发源，生物组织在电磁波作用下产生热弹性膨胀，从而产生超声波，产生的超声波被阵列超声探头接收，进而使用成像算法进行成像。

2、电磁波热致声成像经常遇到噪声干扰。一方面包括来自介质的热噪声和来自传感器的电子噪声，归结为电磁波热致声图像中的背景噪声。背景噪声通常与接收到的信号混合。与信号幅度相比，这些噪声相对较小并且随机分布。另一方面，受到辐射的换能器本身也会受到电磁波的干扰，产生较强的干扰信号。干扰引起的噪声幅度远远超过有用信号。干扰和背景噪声严重影响电磁波热致声图像的质量，从而影响医生读片和对病症的判断。所以，去除电磁波热致声成像中电磁波的干扰以及降低背景噪声的影响变得至关重要。

3、现有技术中的去除背景噪声的去噪方法，包括频域滤波、时频方法、深度学习方法等，大多基于单帧信号去噪，无法去除强干扰。对于电磁波干扰的解决方案包括帧平均、频域滤波和一些时频方法。其中，滤波方法要求信号和干扰的频谱不能混叠，时频方法需要信号轮廓的先验信息。然而，这些条件在实际的电磁波热致声成像中往往得不到满足。值得一提的是帧平均方法，它利用多帧信息来增强信号并抑制干扰。然而，它也有局限性。首先，由于干扰并不是完全随机的，因此只能减少干扰的影响，而不能真正消除干扰。其次，帧平均会降低帧率，如果提高系统帧率，会导致微波能量积累，带来安全风险。最后，实际生物体会因呼吸、心跳和运动而导致电磁波热致声图像结果的快速变化。这时，帧平均法就会带来严重的误差。

4、有研究在光声成像中提出了一种基于奇异值分解的方法来解决中激光的干扰。该方法对单帧的光声图像矩阵做奇异值分解，通过手动截断奇异值分离干扰和有用信号。然而，该方法仅针对并行采集期间的规则干扰。而且，奇异值分解方法有两个众所周知的局限性。首先，需要根据经验手动截断奇异值分离，这对应于信号和干扰子空间的秩选择，而奇异值分解对此选择敏感。其次，奇异值分解的鲁棒性较差。当信号中存在大量随机噪声时，奇异值分解很容易失效。

5、因此，如何实现能够有效抑制噪声、能够去除强干扰、能够适应生物体运动、无需手动调节参数且运行速度快的电磁波热致声成像去噪方法至关重要。

技术实现思路

1、基于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种快速电磁波热致声成像去噪方法及装置，实现能够有效抑制噪声、能够去除强干扰、能够适应生物体运动、无需手动调节参数且运行速度快的电磁波热致声成像去噪方法。

2、本发明提出的快速电磁波热致声成像去噪方法，包括以下步骤：

3、步骤1：将采集系统采集的多帧多通道电磁波热致声信号向量化，合并重组为二维矩阵m；

4、步骤2：根据二维矩阵构建鲁棒主成分分析理论模型，将二维矩阵中的有用信号视为低秩部分，将二维矩阵中的噪声或干扰视为稀疏部分，得到低秩特性的有用信号矩阵l、稀疏特性的噪声矩阵s，表示如下：

5、m＝l+s(1)

6、步骤3：使用鲁棒主成分分析理论构建优化问题并进行迭代求解，当优化问题满足迭代收敛条件时停止迭代，得到最终的有用信号矩阵l＊；

7、步骤4：取出迭代得到的最终的有用信号矩阵l*最后一列，展开并且作为当前帧的新的电磁波热致声信号；

8、步骤5：使用成像算法得到电磁波热致声图像。

9、作为优选，多帧多通道电磁波热致声信号有当前帧和n-1个过去帧，每一帧为一个s×t的矩阵，合并重组后的二维矩阵

10、其中，n表示所采用电磁波热致声信号帧的个数，s表示采集系统中用于收集电磁波热致声信号的超声探头的个数，t表示电磁波热致声信号的采样点数，二维矩阵m的每一列为每一帧电磁波热致声信号矩阵拉伸的向量。

11、作为优选，使用主成分追踪方法将鲁棒主成分分析问题转化为凸优化问题，表示如下：

12、

13、其中，ρ表示正则化参数，||·||*和||·||1分别表示矩阵的核范数和矩阵的l1范数，它们分别是矩阵的秩和矩阵的l0范数的凸松弛，l0范数为矩阵中非零元素的个数；s.t.为subject to的缩写，s.t.后面部分表示约束条件；

14、使用增广拉格朗日乘子法构建无约束凸优化问题，表示如下：

15、

16、其中，表示构建的增广拉格朗日函数，λ表示拉格朗日乘子，<·>表示内积，||·||f表示矩阵的frobenius范数，μ表示自适应调节惩罚因子，:＝表示定义为；

17、然后采用交替方向法构建凸优化问题求解函数迭代求解，采用对称交替方向增广拉格朗日方法和自适应调节惩罚因子获得迭代最优解，即得到最终的有用信号矩阵l＊。

18、作为优选，迭代求解过程具体如下：

19、(·)k表示第k次迭代过程；更新第k+1次迭代的低秩特性有用信号矩阵lk+1：

20、

21、其中，sk表示第k次迭代的稀疏特性噪声矩阵，λk表示第k次迭代的拉格朗日乘子,μk表示第k次迭代的惩罚因子，使用奇异值阈值算子求解该最优化问题：

22、

23、其中，表示奇异值阈值算子：

24、

25、其中，m-s+μλ＝u∑vt表示矩阵m-s+μλ的奇异值分解，u表示左奇异向量矩阵，∑表示奇异值矩阵，v表示右奇异向量矩阵，(·)t表示矩阵的转置，z1/μ(·)表示软阈值算子：

26、

27、其中，sgn(·)表示符号函数，max表示最大值，x表示矩阵m-s+μλ中的每一个元素；第一次更新拉格朗日乘子

28、

29、更新第k+1次迭代的稀疏特性噪声矩阵sk+1：

30、

31、其中，使用软阈值算子求解该最优化问题：

32、

33、

34、其中，sgn(·)表示符号函数，max表示最大值，x′表示矩阵m-l+μλ中的每一个元素，软阈值算子对矩阵的运算作用在矩阵的每一个元素上；

35、第二次更新拉格朗日乘子λk+1：

36、

37、更新第k+1次迭代的惩罚因子μk+1：

38、

39、其中，η表示自适应调节惩罚因子的参数；

40、迭代相对误差小于误差限γ时或达到最大迭代次数k时终止迭代，得到最终的有用信号矩阵l*。

41、作为优选，当前帧的新的

42、作为优选，所述成像算法可选择任何电磁波热致声成像算法，例如延迟叠加算法、反投影算法、时间反转算法、基于模型的算法、深度学习算法。

43、本发明提出的快速电磁波热致声成像去噪装置，应用于本发明提出的快速电磁波热致声成像去噪方法，包括电磁波热致声信号采集模块，模型构建模块，快速鲁棒主成分分析去噪模块，实时电磁波热致声成像模块：

44、所述电磁波热致声信号采集模块用于实时接收当前帧的多通道电磁波热致声信号，数字化并行采集多通道电磁波热致声信号，同时实时保存数字化采集的结果；

45、所述模型构建模块用于将采集系统采集的多帧多通道电磁波热致声信号向量化，合并重组为二维矩阵；基于二维矩阵构建鲁棒主成分分析理论模型；将二维矩阵中的有用信号建模为低秩部分，将信号矩阵中的噪声或干扰视为稀疏部分；

46、所述快速鲁棒主成分分析去噪模块用于使用鲁棒主成分分析理论构建优化问题，迭代求解该优化问题，当优化问题满足迭代收敛条件时停止迭代，得到矩阵分解后的低秩矩阵和稀疏矩阵；

47、所述实时电磁波热致声成像模块用于取出迭代得到的低秩矩阵的最后一列，展开并且作为当前帧的新的电磁波热致声信号；通过实时电磁波热致声成像装置驱动成像算法得到电磁波热致声图像。

48、一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现快速电磁波热致声成像去噪方法的步骤。

49、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现快速电磁波热致声成像去噪方法的步骤。

50、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

51、1.本发明提出的快速电磁波热致声成像去噪方法，该方法将采集系统采集的多帧多通道电磁波热致声信号向量化，合并重组为二维矩阵，充分利用了多帧电磁波热致声信号之间的相关性，能够充分的利用信号和噪声的先验信息，从而达到更好的去噪效果；

52、2.本发明根据二维矩阵构建鲁棒主成分分析理论模型，将二维矩阵中的有用信号视为低秩部分，将信号矩阵中的噪声或干扰视为稀疏部分，在利用多帧电磁波热致声信号的同时，将有用信号建模为时空域上的低秩矩阵，良好建模了生物体运动导致的电磁波热致声信号在时域上的偏移，避免了帧平均方法在运动目标上出现的错误；

53、3.本发明使用鲁棒主成分分析理论构建优化问题，迭代求解该优化问题，当优化问题满足迭代收敛条件时停止迭代，得到矩阵分解后的低秩矩阵和稀疏矩阵，采用交替方向法构建凸优化问题求解函数迭代求解，采用对称交替方向增广拉格朗日方法和自适应惩罚因子获得迭代最优解，减小迭代过程的运算成本，使得去噪耗费极小的时间成本；

54、4.本发明没有选择对电磁波热致声图像直接做矩阵分解，而是对多帧的原始电磁波热致声信号作矩阵分解后再成像，可以最大化的保留原始信号中有用信号和噪声干扰的特性，实现更高效率的去噪。该方法能够完全去除电磁波热致声成像中电磁波对成像系统的干扰，能够良好的降低电磁波热致声图像中的热噪声和电子噪声等背景噪声的影响，得到更清晰、更全面的电磁波热致声图像，解决现有技术存在的问题，为医生对于电磁波热致声图像的读片和病症的判断提供了重要帮助；

55、5.本发明提出的快速电磁波热致声成像去噪装置，通过将系统划分为电磁波热致声信号采集模块，模型构建模块，快速鲁棒主成分分析去噪模块，实时电磁波热致声成像模块，实现快速的电磁波热致声成像去噪。采用模块化思想使得各模块独立工作，方便管理。