本發(fā)明涉及一種利用環(huán)形超聲換能器陣列實現(xiàn)大景深光聲-聲速雙模成像的方法，具體說是一種利用環(huán)形超聲換能器陣列各陣元檢測到的光聲信號的相關性來獲得媒質的聲速分布，從而獲得媒質的超聲聲速圖像；同時，通過環(huán)形超聲換能器陣列的動態(tài)聚焦以及測得的媒質聲速，來獲得高質量大景深的光聲圖像。

背景技術：

光聲顯微鏡作為一種非侵入性的生物醫(yī)學成像技術，近幾年得到了飛速地發(fā)展。光聲顯微鏡既具有聲學方法對深層組織分辨率高的優(yōu)點，又具有光學方法在功能成像、分子成像和成像對比度等方面的優(yōu)勢。

然而，成像景深淺和媒質中聲速的不確定性限制了光聲顯微鏡的成像效果。首先，傳統(tǒng)的光聲顯微鏡一般使用焦點固定的點聚焦換能器檢測光聲信號，它僅能在焦平面內(nèi)獲得高分辨的圖像，而焦平面范圍外圖像分辨率急劇下降，因此它的成像景深很淺，一般正比于超聲換能器焦點的長度。第二，光聲圖像的精確重構依賴于獲得準確的媒質聲速值，傳統(tǒng)的方法通常忽視了組織聲速的不均勻性，而是根據(jù)先驗知識預設統(tǒng)一的聲速值，抑或使用附加方法獲得聲速的先驗信息，不僅提高了成本，也無法避免由于環(huán)境因素、樣品差異造成的聲速值的不準確，從而導致的圖像偏移和圖像質量下降。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用環(huán)形超聲換能器陣列同步實現(xiàn)大景深光聲-聲速雙模成像的方法，是一種同步的大景深聲速成像和高質量光聲顯微鏡成像的雙模成像方法；該方法通過調節(jié)環(huán)形超聲陣列各環(huán)的信號的時間延遲，實現(xiàn)一定深度范圍內(nèi)的動態(tài)聚焦，再通過陣列各環(huán)檢測到的信號的互相關性，得到組織中的聲速分布圖；進而根據(jù)測量得到準確聲速值，進一步提高光聲圖像質量。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

基于環(huán)形超聲換能器陣列的大景深光聲-聲速雙模成像法，包括如下步驟：

步驟1：使用脈沖激光器照射被成像樣品，樣品中的光吸收體吸收激光能量后，基于光聲效應向周圍輻射超聲波信號；

步驟2：利用環(huán)形超聲換能器陣列接收樣品輻射出的超聲波信號；

步驟3：記環(huán)形超聲換能器陣列平行于x-y平面，樣品中某光吸收體與環(huán)形超聲換能器陣列的垂直距離記為該光吸收體的深度z；逐點掃描樣品，記錄超聲換能器陣列各位置處接收到的各光吸收體輻射出的超聲波信號；

步驟4：從環(huán)形超聲換能器陣列采集的超聲波信號中提取相對光吸收系數(shù)信息，具體為：根據(jù)環(huán)形超聲換能器陣列各陣元的有效半徑和平均聲速，調整超聲波信號的相位延時，實現(xiàn)環(huán)形超聲換能器陣列的動態(tài)聚焦，從而重構深度z處的相對光吸收系數(shù)，并以此重構樣品的光聲圖像；

步驟5：從環(huán)形超聲換能器陣列采集的超聲波信號中提取平均聲速信息，具體為：通過環(huán)形超聲換能器陣列的中心陣元和其余陣元的互相關函數(shù)，測得各陣元間的延遲時間，根據(jù)各陣元間的延遲時間和各陣元的有效半徑的關系，通過最小二乘法擬合出從環(huán)形超聲換能器陣列到深度z處的平均聲速；

步驟6：基于從環(huán)形超聲換能器陣列到深度z處的平均聲速，通過遞歸法求得深度z處的絕對聲速，從而得到樣品中的聲速分布，并以此構建樣品的聲速圖像；

步驟7：根據(jù)步驟5計算得到的平均聲速和步驟6計算得到的絕對聲速對步驟4中光聲重構公式中的平均聲速進行校正，獲得具有準確聲源位置的高質量光聲圖像。

具體的，所述步驟4中，樣品的光聲圖像重構過程如下：

步驟41：r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元的時間t_n滿足如下關系：

其中，n＝1,2,…,N，N為環(huán)形超聲換能器陣列的陣元個數(shù)，第1個陣元為中心陣元；r_n為第n個陣元的有效半徑，C(r；z)為深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列表面的平均聲速；

步驟42：環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元接收到的r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號為p_n(r,t_n)，則在深度z處的光聲重構公式為：

其中，H[·]表示·的希爾伯特變換，β(z)是用于抑制旁瓣以提高橫向分辨率的相關系數(shù)，且

步驟43：根據(jù)步驟41中的關系，通過對p_n(r,t_n)的相位延時進行動態(tài)調整，使得環(huán)形超聲換能器陣列的焦點動態(tài)地聚焦在不同深度z。

具體的，所述步驟5中，平均聲速的擬合過程如下：

步驟51：計算p_n(r,t_n)和p₁(r,t₁)的互相關函數(shù)，最大互相關函數(shù)值所對應的延遲時間就是第n個陣元和中心陣元間的延遲時間τ_n：

步驟52：根據(jù)延遲時間τ_n和r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的中心陣元的時間t₁，得到r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元的時間t_n＝t₁+τ_n；

步驟53：根據(jù)步驟41中的關系式得：

該式揭示了和之間的線性關系，該線性關系式的斜率即為C²(r；z)；根據(jù)和的值，通過最小二乘法擬合出C²(r；z)并求得C(r；z)。

具體的，所述步驟6中，樣品的聲速圖像構建過程如下：

步驟61：設樣品在z方向具有M層不同聲速分布的樣品分層，第一個樣品分層的絕對聲速為c₁，則第m個樣品分層的絕對聲速c_m為：

c₁＝C(r,z₁)

其中，z_m為第m個樣品分層的深度，C(r,z₁)為深度z_m處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列表面的平均聲速，t(z_m)是超聲波信號從深度z_m處傳播到環(huán)形超聲換能器陣列表面的時間；

步驟62：根據(jù)每一個樣品分層的絕對聲速，得到整個樣品的聲速圖像。

優(yōu)選的，所述步驟2和步驟3中的環(huán)形超聲換能器陣列采集到的超聲波信號均先通過小信號放大器放大后，再通過多通道數(shù)據(jù)采集卡通過采樣后存儲在計算機中。

有益效果：本發(fā)明提供的基于環(huán)形超聲換能器陣列的大景深光聲-聲速雙模成像法，具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明利用環(huán)形超聲換能器陣列各單元的可調控時間延遲實現(xiàn)軸向的動態(tài)聚焦，實現(xiàn)軸向一段較長范圍內(nèi)都有較高的側向分辨率，所以可以在很大景深范圍內(nèi)都獲得高質量的光聲圖像；2、本發(fā)明利用環(huán)形超聲換能器陣列各單元檢測到的信號的互相關性，可以同步地測量樣品中的聲速分布，獲得聲速圖像；同時，利用測量獲得的準確聲速值，可以避免環(huán)境因素和樣品多樣性造成的先驗聲速的誤差，從而可以有效地矯正光聲圖像重構的圖像偏差并提高光聲圖像質量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于環(huán)形超聲換能器陣列的大景深光聲-聲速雙模成像系統(tǒng)示意圖；

圖2為環(huán)形超聲換能器陣列及其與光吸收體之間的位置關系圖；

圖3為平均聲速測量過程，圖3(a)為環(huán)形換能器陣列各陣元接收到的聲波信號圖；圖3(b)為中心陣元探測到的信號和其它陣元探測到的信號的互相關函數(shù)；圖3(c)為和的線性擬合，它的斜率為C²(r；z)，據(jù)此可以測得聲速C(r；z)；

圖4為樣品各層絕對聲速測量與光聲圖像重構，圖4(a)為采用遞歸公式獲得的樣品各層的絕對聲速值；圖4(b)為采用傳統(tǒng)光聲顯微鏡方法獲得的光聲圖像，其中聲速根據(jù)先驗知識設定為1500m/s，點聚焦超聲換能器具有固定焦長30mm，該圖像成像景深淺、分辨率低、位置有偏移；圖4(c)為使用本發(fā)明方法獲得的光聲圖像；

圖5為光聲-聲速雙模成像結果及其與傳統(tǒng)光聲成像結果的比較，圖5(a)傳統(tǒng)光聲顯微鏡利用點聚焦換能器獲得的頭發(fā)絲光聲圖像，其中圖像重構時聲速設定為1500m/s，該圖成像質量差；圖5(b)為采用本發(fā)明方法獲得的樣品中頭發(fā)絲光聲圖像，該圖成像景深大、分辨率高、成像質量高；圖5(c)為采用本發(fā)明方法獲得的樣品中聲速分布圖像。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種基于環(huán)形超聲換能器陣列的大景深光聲-聲速雙模成像法，以對位于具有不同聲速的多層仿體中的頭發(fā)絲成像為例，包括如下步驟：

步驟1：將瓊脂、水和正丙醇以不同的比例混合，制作上下多層聲速不同的仿體，頭發(fā)絲作為樣品分布在仿體中。利用脈沖激光照射樣品，激光脈寬約為10ns(實驗系統(tǒng)如圖1所示)。

步驟2：樣品被脈沖激光照射后，由于光聲效應而向周圍輻射聲波信號，由環(huán)形超聲換能器陣列接收輻射出的聲波信號。環(huán)形超聲換能器陣列如圖2所示，分為等面積的7個陣元，中心頻率為5MHz，-6dB帶寬為3.8MHz。聲波信號經(jīng)過小信號放大器放大后，經(jīng)采樣率為60MHz的7通道數(shù)據(jù)采集卡同步采樣，并最終保存到計算機中，信號波形如圖3(a)所示。

步驟3：通過希爾伯特變換等操作對步驟2中采集的聲波信號進行處理，通過對各陣元時間延遲的調控實現(xiàn)動態(tài)聚焦，從而獲得大景深光聲圖像。

步驟31：r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元的時間t_n滿足如下關系：

其中，n＝1,2,…,N，N為環(huán)形超聲換能器陣列的陣元個數(shù)，第1個陣元為中心陣元；r_n為第n個陣元的有效半徑，C(r；z)為深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列表面的平均聲速。

步驟32：環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元接收到的r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號為p_n(r,t_n)，則在深度z處的光聲重構公式為：

其中，H[·]表示·的希爾伯特變換，β(z)是用于抑制旁瓣以提高橫向分辨率的相關系數(shù)，且t_n根據(jù)期望聚焦的深度z和步驟31中的公式計算確定。

步驟33：根據(jù)步驟31中的關系，通過對p_n(r,t_n)的相位延時進行動態(tài)調整，使得環(huán)形超聲換能器陣列的焦點動態(tài)地聚焦在不同深度z。

步驟4：通過對步驟2中采集的聲波信號的互相關操作，可以測得各層樣品的平均聲速。

步驟41：計算p_n(r,t_n)和p₁(r,t₁)的互相關函數(shù)，最大互相關函數(shù)值所對應的延遲時間就是第n個陣元和中心陣元間的延遲時間τ_n，如圖3(b)所示：

步驟42：根據(jù)延遲時間τ_n和r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的中心陣元的時間t₁，得到r＝(x,y)、深度z處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列的第n個陣元的時間t_n＝t₁+τ_n。

步驟43：根據(jù)步驟31中的關系式得：

該式揭示了和之間的線性關系，該線性關系式的斜率即為C²(r；z)；根據(jù)和的值，通過最小二乘法擬合出C²(r；z)，如圖3(c)所示；求得C(r；z)。

步驟5：基于步驟4中獲得的從樣品各深度到達換能器的平均聲速，可以通過遞歸公式求得樣品中各處的絕對聲速。

步驟61：設樣品在z方向具有M層不同聲速分布的樣品分層，第一個樣品分層的絕對聲速為c₁，則第m個樣品分層的絕對聲速c_m為：

c₁＝C(r,z₁)

其中，z_m為第m個樣品分層的深度，C(r,z₁)為深度z_m處的光吸收體產(chǎn)生的超聲波信號到達環(huán)形超聲換能器陣列表面的平均聲速，t(z_m)是超聲波信號從深度z_m處傳播到環(huán)形超聲換能器陣列表面的時間；如圖4(a)所示，測量得到樣品各深度所對應的絕對聲速與實際聲速高度吻合。

步驟62：根據(jù)每一個樣品分層的絕對聲速，得到整個樣品的聲速圖像，如圖5(c)所示。

步驟6：根據(jù)步驟4計算得到的平均聲速和步驟5計算得到的絕對聲速對步驟3中光聲重構公式中的平均聲速進行校正，獲得具有準確聲源位置的高質量光聲圖像，如圖4(c)和圖5(b)所示。

作為比較，圖4(b)和圖5(a)給出了同樣的樣品，采用傳統(tǒng)的基于點聚焦超聲換能器的光聲顯微鏡獲得的圖像，顯然這些圖像景深淺、分辨率低，而且有明顯的位置偏差。這些結果表明，利用環(huán)形超聲換能器陣列可以實現(xiàn)大景深的光聲-聲速雙模成像，一方面通過互相關和線性擬合可以獲得樣品的聲速分布圖，另一方面能通過聲速分布矯正重構公式以獲得正確的聲源分布位置，同時，通過環(huán)形相控陣的動態(tài)聚焦，可以在較長聚焦范圍內(nèi)得到較高的分辨率，獲得高質量的光聲圖像。本發(fā)明提出的方法無需采用附加手段獲得聲速的先驗知識，更避免了環(huán)境變化和樣品多樣性導致的聲速先驗知識的誤差，有較高的準確性。因此，本方法同步實現(xiàn)了大景深高質量的光聲-聲速雙模成像，具有較高的易用性和實用性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。