一种改善有限视角问题的三维光声成像方法与流程

本发明属于光声成像及图像处理领域，尤其涉及一种改善有限视角问题的三维光声成像方法。

背景技术：

光声成像作为一种利用光声效应的成像方式，反映出成像区域内物质的光吸收分布。然而在光声成像领域，由于手持超声线阵只能采集单一视角或单一平面的光声数据，因而重建图像中存在有限视角带来的图像伪影等问题。同时目前缺少一种基于手持线阵的三维光声成像技术，用于反映介质或组织的三维光吸收分布。简单地基于横向扫描或平移探头的三维光声成像技术同样存在有限视角的问题。因此，需要一种基于手持超声探头的灵活有效改善有限视角问题的三维光声重建方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对光声成像中存在的有限视角问题，提供了一种基于手持超声探头的三维光声重建方法，改善了单一视角下存在图像伪影的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，包括如下步骤：

步骤1，初始化相关计算参数，包括获取系统的相关参数，利用标定板进行相机标定，获取相机的内部参数，并测量标定板的相关参数；

步骤2，将标定板固定在超声探头一侧，初始化四维光声信号矩阵、三维计数器矩阵和三维图像矩阵；

步骤3，从相机获取当前帧的图像，识别图像中标定板的位置，获取相机的外部参数，定位超声探头所在的相机坐标系坐标，获取当前超声探头在相机坐标系下的相关参数；

步骤4，利用光源照射成像目标，并用超声探头接收光声信号，对超声探头接收区域内的每个像素恢复其初始光声信号，并更新到四维的光声信号矩阵中；

步骤5，对四维的光声信号矩阵按照时间维度取包络，获得波束成形的信号值，更新信号值到三维图像矩阵，并刷新三维图像矩阵的显示；

步骤6，逐步移动和旋转超声探头，使得探头停留在多个位置和角度，重复步骤3到步骤5。

步骤1包括：

步骤1-1，获取数据采集系统的相关参数，包括传感器探头的采样频率fs，探头传感器单元的个数n，相邻传感器单元的间隔ltr，每个传感器单元的接收角为αtr；

步骤1-2，利用相机标定板标定获取相机的内部参数，包括相机的内参矩阵a，畸变系数k，获取相机畸变函数fk(r)；

步骤1-3，测量标定板中每个角点在标定板坐标系下的坐标ri^cb,i＝1,2,3,...,i，以及原点相对于探头接收平面中心点的距离，获得标定板坐标系下探头接收平面中心点的坐标为接收平面单位法向量为传感器线性阵列横向单位向量为i表示角点的个数，ri^cb表示第i个角点在标定板坐标系下的坐标。

步骤2包括：

步骤2-1，按照相机坐标系建立坐标，将成像区域离散为u×v×w的像素空间，u,v,w分别为长、宽、高方向的像素个数，每个像素尺寸为du×dv×dw，du,dv,dw分别为长、宽、高方向像素的物理尺寸；

步骤2-2，分配四维光声信号矩阵ssig(u,v,w,t)，其中u,v,w对应离散空间的像素位置，t对应信号时间，用于存储采集到的信号数据；

步骤2-3，初始化三维的计数器矩阵cnt(u,v,w)，并将每个元素值设为0；

步骤2-4，分配三维图像矩阵用于存储三维图像值，像素值设为0。

步骤3中，标定板固定于超声探头的一侧，使得相机能够实时检测标定板的位置，从相机当前帧的图片中检测棋盘角点，获取图像坐标系下每个角点的坐标i＝1,2,3,...,i，并基于步骤1中获取的相机内参矩阵a以及畸变系数k求解相机外参矩阵r和t，

步骤3中，获取相机外参矩阵r和t后，基于步骤1中获取的标定板坐标系下探头接收平面中心点的坐标计算探头接收平面中心点在相机坐标系下的坐标探头接收平面在相机坐标系下的单位法向量以及传感器线性阵列在相机坐标系下的横向单位向量为

步骤4中，利用光源照射成像区域，成像目标吸收光能，超声探头接收由目标产生的光声信号，采集到每个超声线阵单元的信号n＝1,2,3,...,n，表示第n个超声线阵单元的信号；针对每个传感器单元基于多重延时求和的波束成形算法对每个像素提取延时后的信号，步骤如下：

步骤4-1，对于第n个传感器单元，计算其相机坐标系下的坐标为

步骤4-2，计算第n个传感器单元能够接收的三维空间范围其中表示位于(u,v,w)的像素的相机坐标系坐标；

步骤4-3，计算延时后的信号

步骤4-4，将步骤4-3得到的信号值更新到四维信号矩阵中，即：

；

步骤4-5，更新计数器矩阵，

步骤4-5，针对每个传感器单元重复步骤4-1～步骤4-5。

步骤5包括：

步骤5-1，计算光声信号矩阵的包络信号senv(t；u,v,w)＝|h[ssig(t；u,v,w)]|，其中h[ssig(t；u,v,w)]表示按照维度t对ssig(u,v,w,t)做希尔伯特变换；

步骤5-2，更新图像矩阵

步骤6中，根据图像矩阵显示的结果，逐步移动和旋转超声探头，重复步骤3到步骤5，使得探头停留在多个位置和角度，从不同方向直对图像缺省和伪影区域，获取多个角度的图像数据，补全图像，减少伪影，改善有限视角问题。

本发明中，相机的位置需要按照成像区域和探头移动区域进行选择，须使得相机能够捕捉和识别图像中的标定板，采用多个相机能够适用于成像区域和探头移动区域超出单个相机识别范围的情形，扩大识别范围。

本发明中，无需进行后续的图像插值，选取合适的传感器单元接收角αtr能够有效较少传统三维图像重建中多帧图像稀疏问题，避免后期图像插值，提供置信度更高的三维图像。

有益效果：

本发明充分相机和标定板进行传感器定位，定位精度高，适用于多种相机系统；手持线阵实时定位能够满足多视角的数据采集，减缓了光声成像的有限视角问题；利用原始的光声信号数据，提出了三维的重建方法，减少了由二维图像插值到三维图像传统三维重建方法造成的图像伪影；同时无需进行后续的图像插值，减少了插值带来的图像模糊，提高了三维的分辨率；本发明并行化程度高，适用于并行计算，进行实时成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是信号采集的示意图。

图2是传感器空间接收区域的示意图。

图3是光声信号波束成形的示意图。

图4是传统插值和本实施例三维重建的结果对比图。

具体实施方式

本发明公开了一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，包括如下步骤：

步骤1，初始化相关计算参数，包括获取系统的相关参数，利用标定板进行相机标定，获取相机的内部参数，并测量标定板的相关参数；

步骤2，将标定板固定在超声探头一侧，初始化四维光声信号矩阵、三维计数器矩阵和三维图像矩阵；

步骤3，从相机获取当前帧的图像，识别图像中标定板的位置，获取相机的外部参数，定位超声探头所在的相机坐标系坐标，获取当前超声探头在相机坐标系下的相关参数；

步骤4，利用光源照射成像目标，并用超声探头接收光声信号，对超声探头接收区域内的每个像素恢复其初始光声信号，并更新到四维的光声信号矩阵中；

步骤5，对四维的光声信号矩阵按照时间维度取包络，获得波束成形的信号值，更新信号值到三维图像矩阵，并刷新三维图像矩阵的显示；

步骤6，逐步移动和旋转超声探头，使得探头停留在多个位置和角度，重复步骤3到步骤5。

步骤1中，初始化用于计算的相关参数，步骤如下：

步骤1-1，获取系统的相关参数包括超声探头的采样频率fs，探头传感器单元的个数n，相邻传感器单元的间隔ltr，每个传感器单元的接收角为αtr。在本实施例中，选用n＝128通道(单元)的线性手持超声探头，相邻传感器单元间隔ltr＝0.298mm，采样频率fs＝28.98mhz，每个传感器单元的接收角αtr＝15°；

步骤1-2，利用相机标定板标定获取相机的内部参数，包括相机的内参矩阵a,畸变系数k，获取相机畸变函数fk(r)；在本实施例中，相机内参矩阵其中fx＝fy＝1393.25,u0＝1031.24,v0＝637.01。仅考虑最大四次的径向畸变，即fk(r)＝r(1+k1|r|²+k2|r|⁴)，其中k1＝-0.1739,k2＝0.02884；

步骤1-3，如图2所示，测量标定板中每个角点在标定板坐标系下的坐标ri^cb,i＝1,2,3,...,i，以及原点相对于探头接收平面中心点的距离，获得标定板坐标系下探头接收平面中心点的坐标为接收平面单位法向量为传感器线性阵列横向单位向量为如图1所示，在本实施例中，标定板为4×5的棋盘，平行于探头侧面黏贴，棋盘坐标系下探头接收平面中心点的坐标为接收平面单位法向量为传感器线性阵列横向单位向量为

步骤2中，初始化光声信号矩阵、计数器矩阵和图像矩阵，步骤如下：

步骤2-1，按照相机坐标系建立坐标，将成像区域离散为u×v×w的像素空间，每个像素尺寸为du×dv×dw。在本实施例中像素空间大小为128×128×128，每个像素大小为1mm×1mm×1mm；

步骤2-2，分配四维光声信号矩阵ssig(u,v,w,t)，其中u,v,w对应离散空间的像素位置，t对应信号时间；

步骤2-3，初始化三维的计数器矩阵cnt(u,v,w)，并将每个元素值设为0；

步骤2-4，分配三维图像矩阵用于存储三维图像值，像素值设为0。

步骤3中，标定板固定于超声探头的一侧，使得相机能够实时检测标定板的位置，从相机当前帧的图片中检测棋盘角点，获取图像坐标系下每个角点的坐标ri^img,i＝1,2,3,...,i，并基于步骤1中获取的相机内参矩阵a以及畸变系数k求解相机外参矩阵r和t，在本实施例中，角点检测仅检测棋盘中四个相邻格点的公共角点ri^img,i＝1,2,3,...,20；通过迭代求解最优化问题获得r和t。

步骤3中，获取相机外参矩阵r和t后，基于步骤2中获取的标定板坐标系下探头接收平面中心点的坐标计算探头接收平面中心点在相机坐标系下的坐标探头接收平面在相机坐标系下的单位法向量以及传感器线性阵列在相机坐标系下的横向单位向量为

步骤4中，利用光源照射成像区域，成像目标吸收光能，超声探头接收由目标产生的光声信号，采集到每个超声线阵单元的信号n＝1,2,3,...,128；针对每个传感器单元基于多重延时求和的波束成形算法对每个像素提取延时后的信号，步骤如下：

步骤4-1，对于第n个传感器单元，计算其相机坐标系下的坐标为

步骤4-2，如图2所示，计算该传感器单元可接收的三维空间范围其中表示位于(u,v,w)的像素的相机坐标系坐标。在本实施例中，求解的过程简化为求解即

步骤4-3，如图3所示，计算延时后的信号

步骤4-4，将该信号值更新到四维信号矩阵中，即

；

步骤4-5，更新计数器矩阵，

步骤4-5，针对每个传感器单元重复步骤4-1到4-5。

步骤5中，对四维的光声信号矩阵按照时间维度取包络，获得波束成形的信号值，更新信号值到三维图像矩阵，步骤如下：

步骤5-1，计算光声信号矩阵的包络信号senv(t；u,v,w)＝|h[ssig(t；u,v,w)]|，其中h[ssig(t；u,v,w)]表示按照维度t对ssig(u,v,w,t)做希尔伯特变换；

步骤5-2，更新图像矩阵

步骤6中，如图1和图3，逐步移动和旋转超声探头，重复步骤3到步骤5，使得探头停留在多个位置和角度，从不同方向直对图像缺省和伪影区域，获取多个角度的图像数据，补全图像，减少伪影，改善有限视角问题。

在本实施例中，三维图像可视化通过visualstudio以及vtk工具包实现。

本发明中，相机的位置需要按照成像区域和探头移动区域进行选择，须使得相机能够捕捉和识别图像中的标定板，采用多个相机能够适用于成像区域和探头移动区域超出单个相机识别范围的情形，扩大识别范围。

本发明中，无需进行后续的图像插值，选取合适的传感器单元接收角αtr能够有效较少传统三维图像重建中多帧图像稀疏问题，避免后期图像插值，提供置信度更高的三维图像。

本发明充分相机和标定板进行传感器定位，定位精度高，适用于多种相机系统；如图4，手持线阵实时定位能够满足多视角的数据采集，相比图4上方传统重建方法，图4下方本实施例的重建结果减缓了光声成像的有限视角问题；利用原始的光声信号数据，提出了三维的重建方法，如图4，减少了由二维图像插值到三维图像传统三维重建方法造成的图像伪影；同时无需进行后续的图像插值，如图4，减少了插值带来的图像模糊，提高了三维的分辨率；本发明并行化程度高，适用于并行计算，进行实时成像。

本发明提供了一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。