一种改善有限视角问题的三维光声成像方法技术

本发明专利技术提供了一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，包括：获取系统的相关参数，相机标定获取相机内参，以及标定板参数；固定标定板在超声探头一侧，分配光声信号、计数器矩阵以及图像存储；从相机图像，识别标定板，定位超声探头位置；利用光源照射目标，并用探头接收光声信号，逐像素恢复其初始光声信号，并更新光声信号矩阵中；对光声信号矩阵按照时间维度取包络，获取信号值，更新信号值到三维图像矩阵，并刷新图像显示；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，重复上述探头定位、恢复光声信号、更新图像矩阵及刷新显示等步骤。

A 3D photoacoustic imaging method to improve the problem of limited viewing angle

【技术实现步骤摘要】
一种改善有限视角问题的三维光声成像方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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，本专利技术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ricb,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，ricb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。本专利技术中，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。本专利技术中，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：本专利技术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；本专利技术并行化程度高，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专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/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。具体实施方式本专利技术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，对超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种改善有限视角问题的三维光声成像方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
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；
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ricb,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，ricb表示第i个角点在标定板坐标系下的坐标。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁杰，马翔，尤琦，樊锴，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32