本发明专利技术提出了一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法、装置，所述方法包括：设定包括采样频率、采样时间和光声信号传输速度；设置光声断层成像探测阵列，并计算各阵元的位置坐标；将待测体模分解为多个球形粒子；设定阵元序号循环数；计算光声断层成像探测阵列单个阵元接收到的光声信号，将每个阵元得到的光声信号进行拼接得到光声信号矩阵。本发明专利技术方法将待检测体模分解为多个球形粒子，根据光声成像原理，直接考虑待测体模发出的所有光声信号经一定距离传播后在光声断层成像探测阵列单个阵元上的叠加效果，计算得出光声断层成像探测阵列各阵元接收到的上述粒子构成的体模受激光激发所产生的光声信号。的体模受激光激发所产生的光声信号。的体模受激光激发所产生的光声信号。
【技术实现步骤摘要】
基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法、装置
[0001]本专利技术涉及光声断层成像领域，尤其涉及一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法、装置。
技术介绍
[0002]光声成像（Photoacoustic Imaging, 简称PAI）是一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”，可实现深层活体内组织成像。
[0003]光声断层成像（Photoacoustic computed tomography, 简称PACT）是光声成像的一种成像模式，主要针对于较深层组织进行成像。是一种能够清晰获取物体二维断层图像或者三维立体图像的新兴成像技术。该种模式根据光声效应，利用非弹道激光使血流等特异性吸收光的物质产生声学信号，并通过超声换能器接收信号，反演重建出目标的结构和功能信息。在光声断层成像中，通常采用非聚焦大直径脉冲激光束实现组织表面的全场照明。光吸收体对入射光能的吸收导致被照射组织膨胀，随后快速产生宽带超声波。它们传播到组织表面，由机械扫描的非聚焦超声波接收器或接收器阵列检测到，经过放大处理后通过光声图像重建算法对光声信号的传播问题逆向求解。即通过超声换能器检测得到的原始光声信号，反推生物组织成像区域的光吸收分布，从而得到其光声图像。光声层析成像运用了生物组织结构固有的光学对比度，几乎适用于任何具有光吸收特性的生物组织成像。该技术结合了光学成像和超声成像的优点，能够实现分辨率和对比度都较高的生物组织成像。尤其是其非入侵式和非电离式的成像特点，在生物医学领域具有重要应用价值。
[0004]光声断层成像技术和设备的发展在一定程度上得益于光声信号仿真软件的研发和应用。目前，在多种光声信号仿真软件中，k
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Wave是开发较为完善、应用较为广泛的一款软件。k
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Wave软件是MATLAB和C++的开源声学工具箱，由Bradley Treeby和Ben Cox（伦敦大学学院）和Jiri Jaros（布尔诺理工大学）开发。该软件设计用于组织介质中的时域声学和超声仿真。仿真函数基于k空间伪光谱方法，核心是一个可以解释线性和非线性的波传播、非同质材料参数的任意分布和幂律声吸收的数学模型。最重要的功能在于其光声前向模型仿真，通过数值方法求解光声方程，从初始压力分布产生光声信号来模拟光声效应。但是，该软件采用的数值方法复杂，尤其在建立较大尺寸分析模型或者建立较高空间分辨率的模型时，运算时间会大大增加，甚至超出了计算机的运算能力，严重影响了仿真分析的效率，从而制约了该软件的应用场景。
技术实现思路
[0005]针对现有技术不足，本专利技术的目的是提供一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，通过精简的数值计算方式大幅度提高运算效率，以解决k
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Wave软件在建立大尺寸或高空间分辨率分析模型时运算效率过低甚至因超过仿真平台能力不能计算的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案具体为：本专利技术实施例的第一方面提供了一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，所述方法包括以下步骤：S1，设定采样频率和采样时间，得到光声信号传播的时间矢量；根据待测体模所处的传输介质，设定光声信号的传输速度；S2，设置光声断层成像探测阵列，并计算光声断层成像探测阵列中各阵元的位置坐标；S3，根据待进行光声断层成像区域的重建分辨率，将待检测体模分解为若干球形粒子，并设定每个球形粒子的初始声压；S4，根据步骤S1得到的时间矢量、光声信号的传输速度和步骤S3设定的每个球形粒子的初始声压，计算球形粒子向四周辐射的光声信号的声压分布，并将球形粒子向四周辐射的光声信号的声压分布叠加转化为光声断层成像探测阵列中单个阵元接收到的各球形粒子构成的体模所产生的光声信号；S5，重复步骤S4，将光声断层成像探测阵列中每个阵元接收到的各球形粒子所产生的光声信号组成光声信号矩阵。
[0007]进一步地，所述步骤S1中设定采样频率和采样时间，得到光声信号传播的时间矢量包括：根据待测体模和需重建光声断层图像的尺寸、体模和探测阵元之间的最远距离以及需采样的深度在内的需求，设定采样频率和采样时间，从而得到光声信号传播的时间矢量。
[0008]进一步地，所述步骤S2中设置光声断层成像探测阵列包括：如果重建二维光声断层图像，则选择二维结构的光声断层成像探测阵列；如果重建三维光声断层图像，则选择三维结构的光声断层成像探测阵列。
[0009]进一步地，所述二维结构的光声断层成像探测阵列包括阵元均匀分布的环形阵列；所述三维结构的光声断层成像探测阵列包括碗状阵列。
[0010]进一步地，所述碗状阵列中各阵元通过斐波那契格点方法排布。
[0011]进一步地，所述步骤S3中根据待进行光声断层成像区域的重建分辨率，待检测体模分解为若干球形粒子，并设定每个球形粒子的初始声压包括：待进行光声断层成像区域的重建分辨率为，则将待测体模共均匀分解为M个半径均为的球形粒子,并设定各个粒子的初始声压,。
[0012]进一步地，所述步骤S4中计算光声断层成像探测阵列中单个阵元接收到的各球形粒子所产生的光声信号的公式如下：
其中，M为球形粒子的个数，为球形粒子的半径，为光声信号传播的时间矢量，为光声信号的传输速度，为阶跃函数，是阵元的位置坐标和球形粒子中心的距离，。
[0013]进一步地，所述步骤S5中将光声断层成像探测阵列中每个阵元接收到的各球形粒子所产生的光声信号组成光声信号矩阵，光声信号矩阵的公式如下：其中，为单个阵元接收到的各球形粒子所产生的光声信号，N为阵元个数。
[0014]本专利技术实施例的第二方面提供了一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述的基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法。
[0015]本专利技术实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于上述的基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，待检测体模分解为若干球形粒子，根据时间矢量、光声信号的传输速度和每个球形粒子的初始声压，计算光声断层成像探测阵列单个阵元接收到的光声信号，将每个阵元得到的光声信号进行拼接得到光声信号矩阵。本专利技术方法将待测体模受激光照射后产生的光声信号随时间的演化过程进行简化，直接考虑待测体模发出的所有光声信号经一定距离传播后在光声断层成像探测阵列单本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1，设定采样频率和采样时间，得到光声信号传播的时间矢量；根据待测体模所处的传输介质，设定光声信号的传输速度；S2，设置光声断层成像探测阵列，并计算光声断层成像探测阵列中各阵元的位置坐标；S3，根据待进行光声断层成像区域的重建分辨率，将待检测体模分解为若干球形粒子，并设定每个球形粒子的初始声压；S4，根据步骤S1得到的时间矢量、光声信号的传输速度和步骤S3设定的每个球形粒子的初始声压，计算球形粒子向四周辐射的光声信号的声压分布，并将球形粒子向四周辐射的光声信号的声压分布叠加转化为光声断层成像探测阵列中单个阵元接收到的各球形粒子构成的体模所产生的光声信号；S5，重复步骤S4，将光声断层成像探测阵列中每个阵元接收到的各球形粒子所产生的光声信号组成光声信号矩阵。2.根据权利要求1所述的基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中设定采样频率和采样时间，得到光声信号传播的时间矢量包括：根据待测体模和需重建光声断层图像的尺寸、体模和探测阵元之间的最远距离以及需采样的深度在内的需求，设定采样频率和采样时间，从而得到光声信号传播的时间矢量。3.根据权利要求1所述的基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中设置光声断层成像探测阵列包括：如果重建二维光声断层图像，则选择二维结构的光声断层成像探测阵列；如果重建三维光声断层图像，则选择三维结构的光声断层成像探测阵列。4.根据权利要求3所述的基于球形粒子光脉冲激发效应的光声信号仿真方法，其特征在于，所述二维结构的光声断层成像探测阵列包括阵元均匀分布的环形阵列；所述三维结构的光声断层...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟彧仟，施钧辉，陈睿黾，李驰野，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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