一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种光声图像重建技术，尤其设及一种提高重建光声图像信噪比的装 置和方法。
【背景技术】
[0002] 光声成像是一种新型无损的医学成像技术，其物理基础是Bell在1880年发现的 光声效应：当光子被物体吸收转化为热时，物体溫度快速提升而导致热膨胀，从而产生宽频 带的超声波，超声波迅速向组织边界传播并可被一个或多个超声换能器接收到，利用接收 到的超声信号可W对组织中初始压力分布进行成像。
[0003] 目前已有很多算法用于图像重建，如Kruger等提出了一种基于逆Radon变换的光 声图像重建算法；L.H.Wang等给出了在平面、柱面、球面扫描模式下图像重建的解析表达 形式，光声图像通过对时域光声信号的后向投影进行重建；Da.Xing等使用逆卷积的方法 进行重建。运些算法研究都是建立在全方位扫描探测的基础之上，而在实际应用当中，超声 传感器的采集位置数目和采样角度会受到硬件条件及空间位置的限制，从而导致重建图像 质量的下降。一些文献中对运种情况进行了分析并提出了部分解决方法，如：吴丹，陶超， 刘晓峻.有限方位扫描的光声断层成像分辨率研究.物理学报，2010, 59 (8) :5846-5851; 张视，汪源源，李伟，张建秋，李旦，胡波.基于全变分法重建光声图像光学精密工程，2012， 20 (1) :204-212。在上述的文献提及的光声信号数据获取及预处理方法中，往往是采用数据 采集卡依次得到各位置的数据，然后通过计算机对运些数据进行串行的运算，使得数据处 理及后续图像重建的速度受到影响。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是：提供一种提高重建光声图像信噪比的装置和方法，通过装置及方 法的改良，提高光声图像的信噪比，使之可W更准确地反映生物组织内部的信息，同时采用 并行预处理，提高了数据处理速度。
[0005] 本发明的技术方案是：一种提高重建光声图像信噪比的装置，包括脉冲激光器、环 形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传感器阵列 浸没于水中：
[0006] 所述脉冲激光器，用于通过光纤向待测样品发射激光；
[0007] 所述环形超声传感器阵列，包括若干M个超声传感器，环形均布于待测样品周围， 用于采集待测样品被激发出的光声信号；
[0008] 所述驱动装置，包括步进电机及控制器，通过控制器驱动步进电机运转，调节所述 环形超声传感器阵列的位置，所述控制器接收所述计算机控制信号；
[0009] 所述信号预处理电路，包括预放大电路，A/D转换电路及FPGA现场可编程口阵列， 所述预放大电路用于将采集的光声信号放大，所述A/D转换电路接放大后的光声信号并进 行模数转换，转换后的光声信号送入所述FPGA现场可编程口阵列进行数据处理；
[0010] 所述计算机，用于接收所述信号预处理电路输出的信号，通过光声图象重建算法 重建出光声图像。
[0011] 上述技术方案中，所述环形超声传感器阵列中包含环形均布的8个超声传感器， 每一超声传感器输出对应一路所述预放大电路及一路A/D转换电路，并行处理声光信号后 送至所述FPGA现场可编程口阵列中，A/D转换电路的采样速度大于SOMSps,精度为12位。
[0012] 上述技术方案中，所述驱动装置中，步进电机输出端与一环形安装架连接，所述超 声传感器安装于该环形安装架上，所述环形安装架通过步进电机驱动，具有逆时针或顺时 针旋转的自由度。
[0013] 进一步的技术方案为，所述环形安装架逆时针或顺时针旋转一次的角度小于 360° /超声传感器个数M度。
[0014] 本发明的方法技术方案是：其步骤为：
[0015] a.脉冲激光器通过光纤发射激光束至待测样品，该待测样品置于水环境中；
[0016] b.超声传感器采集待测样品被激发出的光声信号，接收到的光声信号经预放大电 路放大后，使用高速A/D转换电路进行数据转换；
[0017] C.采样信号送入FPGA现场可编程口阵列，采用并行方法对数据进行预处理；
[0018] d.预处理后的信号送到计算机中通过算法实现光声图像的重建、显示和相应参数 的提取。
[0019] 上述技术方案中，所述步骤b中，采样光声信号包括1~N组，每一组的采样方式 为：环形传感器阵列处于起始位置i，包含1~f个超声传感器，采集到的光声信号数据记 作第一组数据Xii(t)、Xi2(t)、. . .、Xif(t);在当前位置i停留预定时间X之后，控制步进电 机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵 列处于位置j，使用上述同样的方法采集数据，记为第二组数据X，1 (t)、X,2 (t).....X,f(t); 在当前位置j停留预定时间X之后，再次控制步进电机驱动环形传感器阵列逆时针或顺时 针旋转预定角度Y，使得步进电机驱动环形传感器阵列处于位置k，使用上述同样的方法采 集数据，记为第S组数据Xki(t)、Xk2 (t).....Xkf(t);重复上述采集方式，直至采集完成第N 组数据，完成一次采样的过程。
[0020] 上述技术方案中，所述FPGA现场可编程口阵列对数据预处理过程中，首先需要增 加图像重建时可用的数据量，通过对若干相邻实际采集到的数据进行定量系数加权运算得 至IJ，所得到增加数据与实际采集数据均送入数据暂存中存储，由时序主控模块给出控制信 号，通过USB接口送入所述计算机中进行光声图像的重建、显示和相应参数的提取工作。
[0021] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
[0022] 1.本发明中环形传感器阵列通过驱动装置可变换位置，从而采集多个角度的数 据，W提高光声信号的数据完整性，有利于提升后续重建光声图像的质量；同时，驱动装置 由控制器接收计算机信号来驱动，确保采集位置的精确性，可控性；
[0023] 2.本发明中通过FPGA现场可编程口阵列进行数据预处理，通过对若干相邻实际 采集到的数据进行定量系数加权运算得到未实际采集的数据，从而有效解决受机械尺寸限 制W及成本太高等问题，在重建中提高了光声图像的信噪比，使之可W更准确地反映生物 组织内部的信息；同时，FPGA采用对光声数据的并行预处理方式，提高了数据处理速度；
[0024] 3.待测样品和传感器都浸没在水中，W便减少高频超声信号的衰减。
【附图说明】 阳O巧]图1是本发明中实施例一的系统整体结构示意图；
[00%] 图2是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图（初始位置i);
[0027] 图3是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图（初始位置j);
[0028] 图4是本发明中实施例一中超声传感器安装示意图（初始位置k);
[0029] 图5是本发明中实施例一中FPGA现场可编程口阵列内部电路原理框图；
[0030] 图6是本发明中实施例一中重建所得图像与W往重建所得图像对比。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0032] 实施例一：参见图1~6所示，一种提高重建光声图像信噪比的装置，包括脉冲激 光器、环形超声传感器阵列、信号预处理电路、驱动装置和计算机，待测样品及环形超声传 感器阵列浸没于水箱中，
[0033] 所述脉冲激光器为OPO激光器，其波长在680~950nm之间可调，输出的激光单脉 冲能量可达毫焦耳级别，用于通过光纤向待测样品发射激光；
[0034] 所述环形超声传感器阵列，包括8个超声传感器，环形均布于待测样品周围，用于 采集待测样品被激发出的光声信号；
[0035] 所述驱动装置，包括步进电机及控制器，通过控制器驱动步进电机运转，调节所述 环形超声传感器阵列的位置，所述控制器接收所述计算机控制信号；
[0036] 所述信号预处理电路，包括预放大电路，高速A/D转换电路及FPGA现场可编程口 阵列，所述预放大电路用于将采集的光声信号放大，所述高速A/D转换电路接放大后的光 声信号并进行模数转换，转换后的光声信号送入所述FPGA现场可编程口阵列进行数据处 理；
[0037] 所述计算机，用于接收所述信号预处理电路输出的信号，通过光声图象重建算法 重建出光声图像。
[0038] 如图2~4所示，所述环形超声传感器阵列中包含环形均布的8个超声传感器，分 别编号为1~8,可W同时采集8个位置上的光声信号；每一超声传感器输出对应一路所述 预放大电路及一路高速A/D转换电路，并行处理声光信号后送至所述FPGA现场可编程口阵 列中，高速A/D转换电路的采样速度lOOMSps，精度为12位。
[0039] 所述驱动装置中，步进电机输出端与一环形安装架连接，所述超声传感器安装于 该环形安装架上，所述环形安装架通过步进电机驱动，具有逆时针或顺时针旋转的自由度。
[0040] 具体方法为：
[0041] a.OPO激光器通过光纤发射激光束至待测样品，该待测样品置于水箱中；
[0042] b.超声传感器采集待测样品被激发出的光声信号，接收到的光声信号经预放大电 路放大后，使用高速A/D转换电路进行数据转换；
[00创 C.采样信号送入FPGA现场可编程口阵列，采用并行方法对数据进行预处理；预处 理过程中，如图5所示，首先需要增加图