一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法技术

一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法，所述方法首先建立含有粥样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为份；然后对成像导管在每个角度从模型中心沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度对应的多层血管壁组织进行光的蒙特卡罗模拟，得到空间电磁吸收分布函数；再根据仿真出多层血管壁组织的光声信号；最后根据个光声信号得到血管横截面图像。本发明专利技术可在有限的硬件设备和较短的时间内得到大量的IVPA图像，为血管内光声成像算法和IVPA图像后处理算法的研究和性能测试等提供数据源，为医学训练提供图像库，为获取更高质量的IVPA图像提供有益的参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种对二维血管内光声（intravas州larphotoacoustic,IVPA)图像 进行建模与仿真的方法，属于医学成像

技术介绍
血管内光声（intravas州larphotoacoustic,IVPA)成像是一种成像方法，它根据 不同成分的粥样硬化斑块的光吸收系数不同，被光照射热膨胀后产生的声学信号强度也不 同该一效应对血管壁及粥样硬化斑块成像。它结合了光声信号激发阶段光吸收较高的对比 度和光声信号发射阶段超声检测较高的分辨率，可得到展示斑块类型和尺寸等信息的实时 图像。[000引IVPA图像内容的差异由目标血管结构、斑块类型和重构图像的参数等造成，此外 成像仪器的校准和微小的参数差异都会影响成像效果。测试者通过图像判断血管的准确程 度、提升成像导管的参数质量、优化图像处理算法等都建立在分析大量的测试图像数据的 基础上。然而，IVPA成像技术目前尚未广泛应用，可用的测试数据严重不足。此外，测试血 管变异实践是一种比较有效的医学训练途径，但需要较多训练时间和有经验专家的专口指 导，训练条件较为繁琐和严苛。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种二维血管内光声图像的建模与 仿真方法，在有限的硬件设备、较短的时间内得到大量的IVPA图像，为血管内光声成像算 法和IVPA图像后处理算法的研究和性能测试等提供数据源，为医学训练提供图像库，为获 取更高质量的IVPA图像提供有益参考。 本专利技术所述问题是W下述技术方案实现的： -种二维血管内光声图像的建模与仿真方法，所述方法首先建立含有粥样硬化斑 块的血管横截面模型，成像导管位于模型中屯、，将血管横截面等角度分为m份；然后对成像 导管在每个角度从模型中屯、沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度对应的多层 血管壁组织进行光的蒙特卡罗（MonteCarlo，MC)模拟，得到空间电磁吸收分布函数A(r); 再根据A(r)仿真出多层血管壁组织的光声信号p(t);最后根据m个光声信号得到血管横 截面图像。 上述二维血管内光声图像的建模与仿真方法，所述方法按W下步骤进行：a.建立血管横截面模型； 成像导管位于模型的中央，周围依次为管腔（血液）、斑块（纤维、巧质、脂质）、内 膜/中膜（肌肉组织）和外膜（结缔组织），将超声换能器看作理想的点换能器，其扫描轨迹 为平行于成像平面、半径趋近于零的圆形轨迹，模型所在的坐标系为平行于成像平面的X-Y 平面直角坐标系，其中坐标原点是成像导管中屯、；然后W血管横截面模型的中屯、为起始点 将模型等角度分为m份，每份的中屯、线与X轴正半轴的夹角分别为01，02，...，0。，将每一 份在0-p直角坐标系下近似为多层血管壁组织，其中0-p坐标系的0轴表示wx轴正 半轴为基准逆时针旋转得到的角度，P轴表示多层血管壁组织的厚度；确定每个角度对应 的多层血管壁组织中每层的参数（包括吸收系数、散射系数、平均折射率、散射各向异性因 子、厚度），形成多层血管壁组织的光学参数模型； b.仿真IVPA成像导管从模型中屯、沿径向发射激光脉冲穿过血管内腔中的血液照 射血管壁的过程： 忽略光的波动特性，将光照射多层血管壁组织看成大量光子与生物组织相互作用 的过程，采用蒙特卡罗（MC)方法模拟多层血管壁组织中激光的传播，得到关于空间的电磁 吸收分布函数A(r); c.仿真多层血管壁组织产生的光声信号： 根据下式仿真得到成像导管在角度0=0。02, ...，em时接收到的多层血管壁 组织产生的光声信号Pi(t)，P2 (t)，. ..，Pm(t):【主权项】1. ，其特征是，所述方法首先建立含有粥 样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为m份；然 后对成像导管在每个角度从模型中心沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度 对应的多层血管壁组织进行光的蒙特卡罗模拟，得到空间电磁吸收分布函数A(r);再根据 A(r)仿真出多层血管壁组织的光声信号p(t);最后根据m个光声信号得到血管横截面图 像。2. 根据权利要求1所述的二维血管内光声图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方 法按以下步骤进行： a. 建立血管横截面模型： 成像导管位于模型的中央，周围依次为管腔、斑块、内膜、膜和外膜，将超声换能器看 做理想的点换能器，其扫描轨迹为平行于成像平面，半径趋近于零的圆形轨迹，模型所在的 坐标系为平行于成像平面的X-Y平面直角坐标系，其中坐标原点是成像导管中心；然后以 血管横截面模型的中心为起始点将模型等角度分为m份，每份的中心线与X轴正半轴的夹 角分别为S 1, θ2，...，θπ，将每一份在Θ-Ρ直角坐标系下近似为多层血管壁组织，其中 Θ-P坐标系的Θ轴表示以X轴正半轴为基准逆时针旋转得到的角度，ρ轴表示多层血管 壁组织的厚度；确定每个角度对应的多层血管壁组织中每层的参数：包括吸收系数、散射 系数、平均折射率、散射各向异性因子、厚度，形成多层血管壁组织的光学参数模型； b. 仿真IVPA成像导管从模型中心沿径向发射激光脉冲穿过血管内腔中的血液照射血 管壁的过程： 忽略光的波动特性，将光照射多层血管壁组织看成大量光子与生物组织相互作用的过 程，采用蒙特卡罗方法模拟多层血管壁组织中激光的传播，得到关于空间的电磁吸收分布 函数A(r); c. 仿真多层血管壁组织产生的光声信号： 根据下式仿真得到成像导管在角度θ = θ1; θ2，...，θπ时接收到的多层血管壁组织 产生的光声信号口"!：)，？；^!:)，···，？^!:):式中，（j，k)是位于θ-ρ平面内的多层血管壁组织上一点的坐标；Λ Θ和Λ ρ分别 表示平行和垂直于多层生物组织表面方向的离散平面间距；Δ t表示离散时间间距；η表示 离散的时刻；Pn(j, k)为η时刻（j, k)位置的光声信号强度；<(_/，&)、C/，&)分别为η时 亥IJ (j，k)位置的质点在Θ方向和ρ方向的振动速度；c(j，k)是光声信号在（j，k)位置的 速度；A(j，k)是（j，k)位置的电磁吸收分布函数；Γ是η时刻的激光脉冲强度；P为血管壁 组织的密度；β为等压膨胀系数；Cp为比热； d. 重建极坐标系下的血管横截面IVPA图像： 位置r处的血管横截面极坐标视图的灰度值即电磁吸收分布A' (r)，由下式求得：式中，A' (r)为图像重建得到的关于空间的电磁吸收分布函数；i = l，2，...，m，Z(l为 位置r处距多层血管壁组织表面即Θ轴的距离；Pi (t)为仿真得到的成像导管在角度Qi 处接收到的光声信号；^为Θ-P平面中与成像导管在X-Y平面中的成像角度Θ i相对应 的位置；c是光声信号的波速。 e. 坐标转换 设θ-ρ坐标系中的一点坐标为（j，k)，其灰度值为f(j，k)，该点在X-Y坐标系中 的对应点的坐标为，k')，灰度值为g(_T，k')，其中je，ke， f e ，V e ，d为步骤d所求极坐标图像的纵坐标的最大值，则有：Θ为以X轴正半轴为基准逆时针旋转得到的角度。【专利摘要】，所述方法首先建立含有粥样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为份；然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方法首先建立含有粥样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为m份；然后对成像导管在每个角度从模型中心沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度对应的多层血管壁组织进行光的蒙特卡罗模拟，得到空间电磁吸收分布函数A(r)；再根据A(r)仿真出多层血管壁组织的光声信号p(t)；最后根据m个光声信号得到血管横截面图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正，苑园，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13