光声层析成像的信号处理
应用于光声成像的图像处理与分析
Ke wo d y r s: p oo c u t ma e;i e p lt n ta so ;ga rn fr ;s tn o t s h ta o si i g c ntr o ai rn f r o ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ry ta s m o et g c nr t i a
光声层析成像研究进展
光声层析成像研究进展吴宁,任秋实,李长辉【摘要】[摘要] 光声层析成像(Photoacoustic tomography, PAT)是一种新兴的生物医学成像技术,它结合了组织的光学吸收特性以及超声探测优势,具有对比性强、灵敏度高、成像深度深的优点。
本文综述了PAT技术的原理和主要成像手段。
并重点结合PAT的技术优势,讨论了它在临床医学中的巨大应用前景。
【期刊名称】中国医疗设备【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6【关键词】[关键词] 光声层析成像,分子成像,功能成像1 引言我们都有这样的经历,在乌云密布的雷雨天,空中的闪电照亮了一大片云层,随之而来的是轰鸣的雷声。
19世纪70年代,Few利用雷声信号到达不同雷声传感器的时间差以及雷声信号和雷电电磁信号的时间差首次定位了雷声声源的位置[1]。
这个事实告诉我们,如果光源发光的同时产生声波,即使该光源处于光学散射介质中,例如生物组织,我们也可以通过观测声波获得光源的位置。
本文要介绍的光声层析成像(PAT)就是利用这样的探测原理。
PAT成像的理论依据是光声效应(Photoacoustic effect, PA),该效应描述的是:当脉冲或经过调制的电磁波来照射物体时,有的物体会吸收电磁波能量并发热,伴随着的热膨胀产生向外传播的声波[2]。
该效应最早由亚历山大·贝尔于1880年发现,到20世纪70年代开始广泛地应用于物理、化学、生物、医药等多个领域中(Rosencwaig 1980, Gusev et al 1993)。
PAT正是利用这个效应,并结合声波在软组织中的低散射性,通过测量产生的声波获得体内光学吸收体的位置和形态等信息。
PAT最重要的优势就是突破了纯光学高分辨成像技术的成像深度壁垒:由于组织对光的强散射作用,光学成像分辨率随着深度的增加而急剧降低,使得纯光学技术的高分辨组织成像被限制在几个毫米深度,这在很大程度上限制了它的实际应用范围[3-4]。
光学成像中的信号处理技术
光学成像中的信号处理技术光学成像是现代科技中的一个重要领域,它涵盖了多个领域,如医学成像、工业检测、安防监控等。
而信号处理技术则是光学成像中不可或缺的一部分,它能对成像过程中的信号进行处理和优化,从而提高图像的质量和采集的效率。
本文将就光学成像中的信号处理技术进行讨论。
一、光学成像的基本原理首先,我们需要了解光学成像的基本原理。
在光学成像中,光束经过物体的折射、反射后,会汇聚到一起,形成一个倒立和缩小的像。
这个过程可以被描述为光束通过透镜或反射镜向物理物体进行成像。
在成像的过程中,我们需要采集到的是来自目标的光信号,这些信号包含了目标物体的形状、颜色和纹理等信息。
因此,为了获取高质量的图像,必须采用一系列信号处理技术,对这些信号进行优化和处理。
二、光学成像中的信号处理技术在光学成像中,信号处理技术涉及到的技术有很多,下面将介绍其中几个重要的技术。
1. 去模糊技术在物体成像的过程中,由于多个原因导致的图像模糊是常见的问题。
去模糊技术是指对那些图像模糊的信号进行处理,从而提高图像的清晰度和可识别性。
其中,应用最多的技术是基于图像卷积计算的去模糊技术,它使用模糊的点扩散函数对图像进行逆卷积处理。
2. 超分辨率技术目前,光学成像设备的分辨率在某种程度上是受限的,这就限制了数据获取的清晰度和精度。
超分辨率技术是指使用图像重建算法对采集到的低分辨率图像进行重建,使其达到更高的分辨率和清晰度。
这一技术在医学、天文学和工业领域得到了广泛应用。
3. 去噪技术图像中存在的噪声、干扰和杂波等因素都会导致成像质量的下降,因此去噪技术的应用是十分必要的。
去噪技术是指使用滤波器等方法,对信号中的噪声和杂波进行去除,从而提高图像的质量和可读性。
4. 开缩技术在一些情况下,我们需要将目标的图像进行放大或缩小,开缩技术是指通过将图像进行剖分和重组,从而达到图像缩放的目的。
这一技术常应用于医学图像和工业成像等领域。
三、光学成像的未来发展随着光学成像技术的不断发展,信号处理技术也将不断提高。
多光谱光声层析成像及其在生物医学中的应用
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光声层析成像的信号处理_曾亚光
文章编号:0258-7025(2005)01-0097-04光声层析成像的信号处理曾亚光,邢 达*,付洪波,王 毅(华南师范大学激光生命科学研究所,广东广州510631)摘要 报道了采用滤波反投影的光声层析成像的信号处理方法,为了还原空间位置的光声信号,声探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应在频域进行逆卷积处理;由于光声信号相对于触发时刻的延迟时间就是光声源到探测器的走时,重建时根据光声信号的延迟时间以及声速的距离,把速度势信号反投影到与探测器等距离的圆弧上。
通过多个角度的反投影,能够重建出光声源的图像,但是由于反投影时光声信号投影到没有光声源的地方产生伪迹信号,模糊了光声源图像的边界,降低了图像的分辨率和对比度。
因此在反投影之前采用C T 成像中的R -T 空间滤波函数与光声速度势信号进行卷积处理,然后再进行反投影成像;这种方法降低了由反投影带来的伪迹。
应用这些处理方法,获得了埋藏深度为12mm 的四个光吸收体的二维光声层析成像。
关键词 激光技术;光声成像;滤波反投影;速度势中图分类号 Q 631 文献标识码 ASignal Process of Photoacoustic TomographyZENG Ya -guang ,XING Da ,FU Hong -bo ,WA NG Yi(I nstitute of Laser Li fe S cience ,South China N ormal University ,Guangz hou ,Guangdong 510631,China )A bstract A method of photoaco ustic (PA )tomo g raphy w ith the filte red back projection is proposed.F o r the PA signals o f the sour ce ,real PA pressur es a re obtained by deconvo luting the impulse respo nse o f the t ransducer used for detecting the P A sig nals of samples.T he o ptical abso rptio n dist ributions of the samples are reco nstruc ted using the filter ed back projection w ith sufficient P A pressures in different directio ns.The da ta ar e filtered with SL (Slion -Line )filter before back projecting.Simulatio ns and experiments were perfo rmed to compare the filtered back projection and the direct back projection.T he results prove the filtered back projection method is valid for P A bining this image method ,the tw o -dimension PA imag es of four abso rbe rs buried in 12mm w ere reco nstr ucted.Key words laser technique ;pho to acoustic image ;filter back -pro jectio n ;velocity po tential 收稿日期:2003-08-18;收到修改稿日期:2003-12-08 基金项目:国家重大基础研究前期专项(2002CCC00400)及广东省自然科学基金团队项目(015012)资助课题。
光学相干层析成像的信号处理方法研究
光学相干层析成像的信号处理方法研究光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是一种非侵入性成像技术,它通过光学方式获取样品内部的断面结构信息,成像分辨率可达到微米级别。
近年来,OCT技术已广泛应用于生物医学、材料科学、微机电系统(MEMS)等领域。
在OCT成像中,采用干涉测量原理,即将样品反射回来的信号与参考光束进行干涉,通过测量光程差实现成像。
传统的光学干涉技术在B超成像中有广泛应用,而OCT则是在其基础上发展而来的一种技术。
OCT成像中信号处理的质量对成像结果有着至关重要的作用,下面将介绍几种OCT信号处理方法。
一、谱域滤波(Spectral Domain Filtering)OCT中采集到的信号是复杂的干涉信号,并且受到噪声干扰,需要对其进行处理,以得到具有高质量的成像结果。
谱域滤波是一种常用的信号处理方法,其基本原理是通过FFT将时域信号转换为频域信号,再对频域信号进行滤波。
滤波器可以根据信号特点进行选取,选择不同的滤波器可以满足不同的要求。
谱域滤波方法对OCT信号进行去噪和信号增强具有较好的效果。
二、基线校正(Baseline Correction)OCT信号中的基线不稳定,且有时会被干涉信号掩盖,影响成像结果。
基线校正可以通过不同的方法进行处理,如在信号的一定范围内进行线性拟合、中值滤波等方法,来消除基线引起的误差。
这种方法可使成像结果更加清晰、准确,便于医生进行诊断。
三、相位补偿(Phase Compensation)相位补偿是对OCT信号在处理过程中最基本的步骤之一,它可以有效的解决OCT中的相位畸变和光路差等问题,提高成像质量。
相位补偿的方法主要包括和空间相干性方法和时间相干性方法,并根据不同的波长选择不同的模型进行处理。
四、信号提取(Signal Extraction)光学相干层析成像技术是基于光线衍射原理,采用干涉测量的原理对断面图像进行重建,不同的物质会对光信号产生不同的反射或散射,从而得到图像。
光声层析成像技术的研究进展
光声层析成像技术的研究进展作者:池妍谭治良来源:《硅谷》2014年第05期摘要光声层析成像技术是一种新兴的医学成像技术,具有高分辨率、高对比度、高穿透深度的优点。
文章简要介绍光声层析成像技术的原理,并报道基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术和基于多探元超声探测方式的层析成像技术,指出该技术在医学检测上具有重要的应用前景。
关键词光声层析成像技术;高分辨率;高穿透深度中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)05-0002-02光声成像技术是基于光声效应的一种成像技术。
当物质受到短脉冲激光或者周期性的强度调制的光照时,物质内部将会产生周期的温度变化,温度变化使这部分物质及其邻近介质产生周期性的涨缩,从而产生声信号,这种声信号被称为光声信号。
光声成像技术具有高分辨率、高对比度、高穿透深度的优点,主要包括光声内窥镜、光声显微成像、光声层析成像等。
本文阐述了光声层析成像技术的原理,并报道基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术和基于多探元超声探测方式的层析成像技术。
1 光声层析成像技术原理光声层析成像技术利用大照射面积的脉冲激光作为照射源,当激光照射在样品时,由于样品介质的散射作用,使到样品内部目标组织被均匀照射,所激发超声信号传播到组织表面的时候用带扫描机制的超声探测器或者超声探测器阵列进行探测,直接或者通过特定的算法进行图像重构。
由于样品内部不同深度位置的声信号到达样品表面的超声信号存在时间差异,因此,利用时间分辨技术可以获得不同层析面的光声信号,从而获得组织的三维光声图像。
2 光声层析成像技术2.1 基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术在光声层析成像技术的应用领域最简单的探测方式就是采用单探元的传感方式来进行探测,利用单个聚焦换能器横向扫描探测外部的光声信号就可以获得组织内部某一层析层面的光声图像的一种方法。
该想法最早由Kruger等于1994年提出,并于2004年被Kolkman等用一个PVDF材料制造的双环换能器实现了聚焦探测光声信号。
光声成像技术
第32卷第3期光散射学报Vol. 32 No. 32020年9月THE JOURNAL OF LIGHT SCATTERINGSep. 2020文章编号:1004-5929(2020)03-0195-07光声成像技术(上海应用技术大学,上海201400)摘 要:光声成像是在最近一段时间里发展飞速的一种非侵入式的三维成像技术,它不仅包含纯光学成像的高对比度的特性,也有纯超声成像的高穿透深度的特性,因此光声成像可以得到高分辨率和高对比度的组织成像&这种技术为研究生物组织的结构形态、代谢功能、生理特征以及病理特征等提供了非常重要的手段,在整个组织结构以及功能成像上有着非常广泛的应用前景。
本文主要是对光声成像技术的原理、光声成像技术 和方法、光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍。
关键词:光声成像;三维成像技术;多模态光声显微系统中图分类号:R770.4;TP391. 41文献标志码:A doi :10. 13883/j. issn1004-5929. 202003001Photoacoustic imagingJIANG Wenpingi ,WU Qixin 2 ,MIN Jun,DAI Cuixia(Shanghai Institute of Technology , Shanghai , 201400 , China )Abstract : Photoacoustic imaging is a non-invasive 3D imaging technique which has been de veloping rapidly in recent years. It combines the high contrast characteristics of pure optical imaging with the high penetration depth characteristics of pure ultrasonic imaging. It pro-videsanimportant meanstostudycharacteristicsofbiologicaltissuesYInthispaper ,theprincipleofphotoacousticimagingtechnologyandmethodandsituationofphotoacousticima- ginginbiomedicalapplication.Key words : Photoacoustic Imaging ; Three-dimensional imaging technology ; Multimode photo -acousicmicroscopysys?em1引言1.1光声成像技术光声成像技术是基于生物组织的光声效应的 一种三维成像手段&在光声效应过程中,物体吸 收光照能量转换成热能,再进一步发生热弹性膨胀,从而产生并向外传播超声信号&因此光声成 像技术是一种融合了光学成像和超声成像特性,能够反映成像区域光吸收特性的成像模式& 一百年前,光声效应就已经由Bell 在1880年得到了证实,但是直到最近数十年来才在基础科学和工程 学中逐渐广泛应用。
光声造影成像技术的原理与应用
光声造影成像技术的原理与应用随着科技不断发展,各种新型成像技术也不断涌现。
其中光声成像就是一种近年来比较热门的成像技术。
光声成像是将光和声波融合在一起,利用声波诱导的光学吸收效应,在生物组织内部产生音波,通过回波信号来获取组织信息的一种成像技术。
本文将介绍光声造影成像技术的原理及其应用。
一、光声成像的原理光声成像的核心原理是光声效应,即在光吸收介质中,局部产生短脉冲声波,然后利用超声探头感受声波回波信号,再通过计算得到物体内部结构信息。
光声成像有两个步骤:首先通过光学激光脉冲产生声波,然后利用超声探头采集声波回波信号。
光学激光脉冲通过样品时,产生光子吸收和热膨胀,同时形成一个局部包含声波的脉冲。
声波随后以速度约为1500米/秒的速度在样品内传播,并将部分声波反射回来。
光声成像可以通过回波声波来确定样品内部的超声速度和密度,并产生3D图像。
二、光声成像的应用1. 生物医学光声成像的各种应用是令人兴奋的焦点。
光声成像技术可以对动物和人体组织加以成像,例如脑神经元、肾脏、肝脏、胸腔、心脏等。
光声成像不仅可以提供组织组织的 3D 图像,而且还可以高清成像,层析出人类身体的任何部位。
2. 动态非破坏检测与其他一些成像技术相比,光声成像有更广泛和更成功的非破坏性应用。
这种利用声波引导的光学吸收现象的技术可以帮助科学家更好地了解建筑材料、燃烧过程、岩石结构或电路板中的透明媒体。
光声成像探针可以自由地穿越这些材料,并确定它们的组成、厚度、形状和表面形貌。
3. 纳米研究为了掌握材料的结构和性质,研究人员需要对它们进行更改和操作。
这就需要更高的分辨率和控制。
由于光声成像技术具有超高的分辨率和灵敏度,因此被广泛应用于纳米研究领域,例如研究纳米磁性材料和纳米碳管的电子传输性质。
光声技术可以更好地理解这些纳米结构的形成和调制。
三、结论综上所述,光声成像技术作为一种新兴的成像技术,具有较高的分辨率、灵敏度和可靠性,因此被广泛应用于生物医学、非破坏检测和纳米研究领域中。
医学成像技术中的信号处理与分析方法
医学成像技术中的信号处理与分析方法医学成像技术是现代医学诊断中不可或缺的方法之一,而其中的各种图像处理技术则是医学成像技术的重要组成部分。
在医学成像中,图像本身不是最终的目的,而是为了得到诊断所需的信号信息。
因此,信号处理和分析方法的应用至关重要。
医学成像技术主要分为两个领域:影像诊断和影像导航。
影像诊断是通过对患者的影像数据进行分析,识别并诊断出患者的病情。
而影像导航则是通过引导患者的手术或治疗,提高手术的准确性和治疗的成功率。
本文将从信号处理和分析的角度,探讨在医学成像技术中的两大领域中,信号处理和分析方法的应用。
一、影像的处理与去噪影像诊断中最重要的一个步骤就是图像预处理和去噪。
由于医学影像数据往往带有大量的噪声,且在不同的设备或环境中,使用的传感器和算法也有所差异,导致图像分辨率或质量的波动。
为了减少这些波动,需要先对图像进行去噪,然后在进行后续的处理。
去噪技术可以使用一些传统的数字信号处理算法,如小波变换、小波包变换、傅立叶变换等等。
但是由于医学数据的特殊性,这些传统的算法往往无法完全满足需求。
因此,现代医学图像处理技术需要综合利用多种方法,如基于统计的方法、压缩感知方法、机器学习方法等等。
二、影像的分类和识别影像分类和识别是医学诊断的另一个核心任务。
在医学图像诊断中,医生经常需要根据图像的分类信息来诊断患者的病情。
例如,在心脏科,医生需要分类区分患者的房性和室性心律失常。
在乳腺科和肺部影像领域,医生需要通过图像来识别肿块和结节的位置和大小。
而在神经影像领域,医生则需要识别出器官和组织的位置和空间关系。
现代医学图像分类和识别方法可以使用传统的图像处理技术,如分割、特征提取等。
但这些方法往往需要许多的人工干预和优化,效率较低,而最新的深度学习技术却可以实现快速高效的自动分类和识别。
如卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)和深度置信网络(DBN)等。
三、影像的匹配、配准和对齐影像匹配、配准和对齐是影像导航和定位的核心技术之一。
快速在体光声计算层析图像重建方法
快速在体光声计算层析图像重建方法作者:姜自波赵景秀张元科孟静来源:《计算机应用》2016年第03期摘要:针对超声阵列式光声计算层析成像技术数据采集量大、成像速度慢的问题,为拓展该技术在血流动力学等领域的应用,提出一种基于主成分分析(PCA)的快速光声计算层析图像重建方法。
该方法首先通过部分全采样数据,构建样本图像矩阵;然后,通过矩阵分解运算构建信号投影矩阵;最后,基于该投影矩阵在三倍欠采样条件下快速重建出高质量三维光声图像。
在体小鼠背部血管成像实验表明:与传统反投影光声图像重建方法相比,基于主成分分析的光声图像重建方法可将数据采集规模降低约35%,三维图像重建速度提高约40%,实现了三倍欠采样条件下高精度光声图像的快速采集与重建。
关键词:光声成像;光声计算层析成像;超声阵列;图像重建;反投影方法;主成分分析中图分类号: TP391.41 文献标志码:A0引言光声成像(PhotoAcoustic Imaging, PAI)是一种新型、无损生物医学成像方法。
因其同时具备高光学成像对比度和高超声成像分辨率,目前已成为生物医学成像领域的研究热点之一[1]。
光声成像的基本原理为:通过脉冲激光器照射生物组织,组织体瞬时热膨胀产生超声波,超声波在组织中传输,携带着生物组织特性的超声信号,最后由体外的超声换能器探测到。
光声计算层析成像(Photoacoustic Computed Tomography, PACT)是光声成像方式的一种,它通过非聚焦超声换能器(单个探头或阵列)采集超声信号,应用一定的重建算法反演组织的光吸收,获取生物组织光吸收图像。
PACT适合于较大区域、深层组织成像,目前已经成功应用于多个临床和预临床领域,如:乳腺癌早期诊断、动脉粥样硬化斑块检测、小动物全身成像等[2-4]。
然而,阵元密集排布的超声阵列数据采集量大,对数据采集、传输和重建都提出了很高的要求,限制着该技术在对成像速度有更高要求领域的应用[5-6]。
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l期曾亚光等:光声层析成像的信号处理99
A(”,是)=声(咒,愚)*^(行)一三乒(犯+Z,矗)矗(Z)
忙一N0
挖一O,1,…,No,(5)其中乒(咒,是)为投影信号,卵表示离探测器的距离,N。
为成像区域总的采样点数,是表示每次旋转的角度。
实验中只采集到行一1到No的声(押)信号,根据方程(5),在卷积过程中还要用到行一一N。
到一1和竹一N。
一1到2N。
间的庐(咒)的值,因此必须扩充声(以)。
成像中按如下方法扩充:在行一一N。
到。
之间补以声(")一[声(1)+≠(2)]/2;在行一一N。
一1到2N。
之间补以≯(靠)一[≯(N。
一1)+≠(N。
)]/2。
取平均值是为了减小偶然误差。
5结果和讨论
为了说明这种处理对于成像的作用,给出了模拟成像的比较。
图2(a)中假设一个有一定噪音背景的圆形区域内有一个任意形状的吸收体产生一个局部均匀的光吸收分布。
成像中采用了40个探测器等角度地分布在圆形区域的边界上接收信号并投影成像。
图2(b)是直接应用方程(3)成的像。
图2(c)是应用方程(5)作卷积处理再应用方程(3)成的像。
如果继续降低信号和背景的信噪比,图2(b)几乎看不到重建的像,而图2(c)仍能较好地显示图像。
图2模拟吸收体的成像结果
Fig.2Reconstructedimages
ofthesimulationabsorber
(a)photo;(b)reconstructedbydirectbackprojection;(c)byfilteredbackprojection
Unit/cmUnit/cm图3琼脂中埋藏的四个点状光吸收体的光声成像Fig.3Reconstructedimagesofthefourpointabsorbersburiedinagar(a)photo;(b)reconstructedbydirectbackprojection;(c)byfilteredbackprojection
实验后将吸收体所在的这一层切开后的照片如图3(a)所示。
图3(b)是没有应用卷积处理,直接应用光声速度势的信号,根据公式(3)成的像。
图3(c)是根据卷积函数(5)的方法处理以后的信号再按照方程(3)投影成的像。
实际样品是一个直径为3.2cm的琼脂,为了减少计算量,成像范围是以旋转中心为对称中心的2cm×2cm范围,图像的像素点为500×500,通过对比可以看出,图3(b)的边缘比较模糊,这和图2(b)的模拟结果很相似,图3(c)的图像边缘非常清晰,以最大信号的20%为截断信号,图像的吸收体的最大尺寸约为1.5mm(图像中间的左边的吸收体),最小为1.2mm(图像最上面的吸收体),成像能较好地对应实际吸收体的尺寸。
由于反投影算法是利用各个探测器信号的叠加,对总数为愚个探测器的叠加来说,图像的信噪比正比于振。
一,因此扫描位置越多,图像的信号强度和信噪比增强,但投影的位置越多,重建图像时伪迹
也越严重,因此选择合适的滤波函数是非常重要的。
光声层析成像的信号处理
作者:曾亚光, 邢达, 付洪波, 王毅, ZENG Ya-guang, XING Da, FU Hong-bo, WANG Yi 作者单位:华南师范大学激光生命科学研究所,广东,广州,510631
刊名:
中国激光
英文刊名:CHINESE JOURNAL OF LASERS
年,卷(期):2005,32(1)
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