基于动态聚焦的高分辨率光声内窥成像算法研究
发布时间：2021-10-17 01:25
声学分辨率光声内窥成像（ARPAE）是一种可以为腔内生物组织提供丰富光学对比度和超声分辨率的新型成像技术。在传统ARPAE系统中,由于采用定焦超声换能器会造成焦区外目标横向分辨率受限。因此,本文提出了一种应用于ARPAE的改进型滤波反投影算法,通过采用数值模拟的方法验证了该算法的可靠性和稳定性。另外,本文搭建了一套ARPAE测试系统,对该算法进行了二维光声内窥仿体实验验证。其主要研究内容如下:1、本文提出了一种用于ARPAE成像的改进型反投影重建算法。该算法将聚焦超声传感器的探测表面分为有限个单元,并且对每一个单元信号的反投影数据进行了加权求和,从而实现了目标在径向不同深度上的动态聚焦。本文首先通过数值仿真的方法验证了该算法的稳定性,然后着重研究了聚焦超声换能器的焦距、直径及中心频率等参数对图像横向分辨率的影响。2、设计了一套一体化ARPAE系统,并进行了二维光声内窥仿体实验验证。通过将改进型光声内窥新算法和传统内窥算法的图像重建数据进行对比,结果显示:当目标位于焦点附近且聚焦超声换能器的数值孔径和中心频率均较大时,改进型算法重建目标的横向分辨率相对于传统算法显著提高,同时在一定误差范...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光声成像技术的应用(A)：采用OR-PAM技术对大鼠耳朵的血液含氧量进行光声显微成像[36]；(B)：采用AR-PAM技术对人手掌的血红蛋白分布情况进行光声显微成像[37]；(C)：基于线性阵列探测器的PACT技术对美蓝染色的大鼠局部淋巴结进行组织层析成像[38]；(D)：基于环形阵列探测器的PACT技术对大鼠大脑的局部血液流动进行层析功能成像[39]；(E)：采用内窥式的光声成像方式对食道及其周边的器官进行成像[40]
基于动态聚焦的高分辨率光声内窥成像算法研究10第2章声学分辨率光声内窥成像系统2.1光声成像原理光声成像原理是以生物组织产生的光声效应为理论基矗当有脉冲激光间断性照射到组织时，会引起组织的局部温度上升和下降，从而导致组织产生相应的膨胀和收缩并且不断振动向周围介质中产生相应的超声信号，这种由脉冲激光照射而产生的超声信号被称为光声信号[77]。超声信号被一个或多个超声换能器探测，采用相应的重建算法对超声换能器探测到的光声信号进行相应组织中光吸收分布的图像重构。当采用相同条件下激光照射不同的生物组织时，根据组织中各个成分对光具有不同的光吸收系数，能够对多种生物组织进行功能成像[78,79]。光声成像具体过程如图2.1所示：图2.1光声成像原理图（左）和光声成像流程图（右）。在了解光声效应原理的基础之上，采用传统的反投影重构方法，重建出生物组织产生的光声信号如式2.1所示[80]：21c22t2pr,t=p0(r")τ(t)t（2.1）式中pr,t代表声压位置为r，时间为t时组织吸收的光声信号，代表哈密尔顿算子，超声在介质中传播速度为c，其中τ(t)是电磁辐射的时间波形，p0(r")代表组织初始声压，通过以上方程求解可得出组织产生的光声信号pr,t，如式2.2所示：它们存在如下关系pr,t=t14πc3tdr"p0(r")δtrr"c（2.2）其中p0(r")强度由Griineisen系数I(r)和组织吸收的电磁波能量密度A(r)决定，当
硕士学位论文11光源均匀照射在生物组织上时，组织内各个成分的光吸收系数分布与A(r)成正比。它们存在的关系如式2.3所示：p0r"=I(r)A(r)（2.3）其中r"代表产生初始声压位置。传统重构算法成像方式如下图所示，探测面积为S0，超声换能器距离光源照射位置r0时接受的初始声压为p0(r")图2.2光声信号探测图。2.2二维光声内窥实验系统基于动态聚焦声学分辨率的光声内窥成像系统主要分为以下几个部分：光声信号产生和接收系统、数据采集系统和图像处理系统。具体系统设计如图2.3所示：图2.3一体化光声内窥成像系统图。声学分辨率光声内窥成像系统的信号采集前端包括光声信号产生和接收系统，光声信号产生系统主要包括对激光器参数的调节、激光的角度和位置调节以及样品的位置调节等，准确将适当的光源照射在目标上，以触发目标产生光声信号，并向周围介质传播。根据声信号在不同的介质中传播速度不一样，到达接收装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J]. 陈炳章,易航,杨金戈,迟子惠,荣健,胡兵,蒋华北. 物理学报. 2014(08)
[2]医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展[J]. 龚小竞,孟静,白晓淞,郑加祥,宋亮. 中国医疗器械信息. 2013(03)
[3]生物组织的光声成像技术及其在生物医学中的应用[J]. 邢达,向良忠. 激光与光电子学进展. 2007(08)
[4]基于代数重建算法的有限角度扫描的光声成像[J]. 杨迪武,邢达,王毅,谭毅,尹邦政. 光学学报. 2005(06)
本文编号：3440854
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光声成像技术的应用(A)：采用OR-PAM技术对大鼠耳朵的血液含氧量进行光声显微成像[36]；(B)：采用AR-PAM技术对人手掌的血红蛋白分布情况进行光声显微成像[37]；(C)：基于线性阵列探测器的PACT技术对美蓝染色的大鼠局部淋巴结进行组织层析成像[38]；(D)：基于环形阵列探测器的PACT技术对大鼠大脑的局部血液流动进行层析功能成像[39]；(E)：采用内窥式的光声成像方式对食道及其周边的器官进行成像[40]
基于动态聚焦的高分辨率光声内窥成像算法研究10第2章声学分辨率光声内窥成像系统2.1光声成像原理光声成像原理是以生物组织产生的光声效应为理论基矗当有脉冲激光间断性照射到组织时，会引起组织的局部温度上升和下降，从而导致组织产生相应的膨胀和收缩并且不断振动向周围介质中产生相应的超声信号，这种由脉冲激光照射而产生的超声信号被称为光声信号[77]。超声信号被一个或多个超声换能器探测，采用相应的重建算法对超声换能器探测到的光声信号进行相应组织中光吸收分布的图像重构。当采用相同条件下激光照射不同的生物组织时，根据组织中各个成分对光具有不同的光吸收系数，能够对多种生物组织进行功能成像[78,79]。光声成像具体过程如图2.1所示：图2.1光声成像原理图（左）和光声成像流程图（右）。在了解光声效应原理的基础之上，采用传统的反投影重构方法，重建出生物组织产生的光声信号如式2.1所示[80]：21c22t2pr,t=p0(r")τ(t)t（2.1）式中pr,t代表声压位置为r，时间为t时组织吸收的光声信号，代表哈密尔顿算子，超声在介质中传播速度为c，其中τ(t)是电磁辐射的时间波形，p0(r")代表组织初始声压，通过以上方程求解可得出组织产生的光声信号pr,t，如式2.2所示：它们存在如下关系pr,t=t14πc3tdr"p0(r")δtrr"c（2.2）其中p0(r")强度由Griineisen系数I(r)和组织吸收的电磁波能量密度A(r)决定，当
硕士学位论文11光源均匀照射在生物组织上时，组织内各个成分的光吸收系数分布与A(r)成正比。它们存在的关系如式2.3所示：p0r"=I(r)A(r)（2.3）其中r"代表产生初始声压位置。传统重构算法成像方式如下图所示，探测面积为S0，超声换能器距离光源照射位置r0时接受的初始声压为p0(r")图2.2光声信号探测图。2.2二维光声内窥实验系统基于动态聚焦声学分辨率的光声内窥成像系统主要分为以下几个部分：光声信号产生和接收系统、数据采集系统和图像处理系统。具体系统设计如图2.3所示：图2.3一体化光声内窥成像系统图。声学分辨率光声内窥成像系统的信号采集前端包括光声信号产生和接收系统，光声信号产生系统主要包括对激光器参数的调节、激光的角度和位置调节以及样品的位置调节等，准确将适当的光源照射在目标上，以触发目标产生光声信号，并向周围介质传播。根据声信号在不同的介质中传播速度不一样，到达接收装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J]. 陈炳章,易航,杨金戈,迟子惠,荣健,胡兵,蒋华北. 物理学报. 2014(08)
[2]医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展[J]. 龚小竞,孟静,白晓淞,郑加祥,宋亮. 中国医疗器械信息. 2013(03)
[3]生物组织的光声成像技术及其在生物医学中的应用[J]. 邢达,向良忠. 激光与光电子学进展. 2007(08)
[4]基于代数重建算法的有限角度扫描的光声成像[J]. 杨迪武,邢达,王毅,谭毅,尹邦政. 光学学报. 2005(06)
本文编号：3440854
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