【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本申請(qǐng)涉及醫(yī)學(xué)超聲，尤其涉及一種超聲斷層成像方法。
技術(shù)介紹
1、超聲斷層成像(ultrasound?computed?tomography,usct)是一種非侵入性、無(wú)輻射、低成本的檢測(cè)技術(shù)，利用包圍式超聲換能器陣列揭示物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聲學(xué)特性。usct對(duì)早期病變的診斷具有重要價(jià)值。該技術(shù)主要分為兩大類：基于射線假設(shè)的成像方法，如延時(shí)疊加算法(delay?and?sum,das)和渡越時(shí)間斷層掃描算法(time?of?flight?tomography,toft)，適合快速成像；以及基于波動(dòng)理論的全波形反演(full?waveforminversion，fwi)算法，提供高分辨率定量圖像，但計(jì)算密集，成像速度較慢，尚未廣泛滿足臨床需求。
2、為了提高成像效率，fwi可在頻域進(jìn)行反演，稱為頻域全波形反演(frequency-domain?full?waveform?inversion,fd-fwi)。采用多尺度反演策略，從低頻數(shù)據(jù)開(kāi)始逐步過(guò)渡到高頻數(shù)據(jù)的反演，有效減少了計(jì)算資源消耗，使得在個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖像重建成為可能。盡管該策略已經(jīng)在計(jì)算方面大幅度減少了計(jì)算需求，但應(yīng)對(duì)由成百甚至上千個(gè)換能器組成的環(huán)形陣列而言，該算法在滿足當(dāng)前臨床應(yīng)用中圖像重建時(shí)間的需求方面仍面臨挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)在于，眾多發(fā)射換能器的存在使得需要計(jì)算的波場(chǎng)數(shù)值解數(shù)量龐大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)數(shù)據(jù)采集和fwi的具體需求，本申請(qǐng)實(shí)施例從頻域的角度出發(fā)，提出了一種超聲斷層成像方法，針對(duì)環(huán)形陣列采用靜態(tài)源
2、第一方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種超聲斷層成像方法，方法包括：s1，在水浸環(huán)境中，使用多陣元的超聲的環(huán)形陣列對(duì)其中的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，確定每個(gè)陣元所在位置的頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)，頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)包括n個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；s2，在n個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取第i個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；n個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)按照頻率從低頻到高頻順序排列，第i個(gè)頻點(diǎn)的頻率<第i+1個(gè)頻點(diǎn)的頻率；i為自然數(shù)，i+1≤n；s3，確定源編碼策略，源編碼策略包括確定任意兩個(gè)相鄰聲源的一起發(fā)射的時(shí)間間隔和空間分布位置；根據(jù)源編碼策略對(duì)第i個(gè)頻點(diǎn)下兩個(gè)相鄰聲源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到第一數(shù)據(jù)；s4，對(duì)反演過(guò)程中的兩個(gè)相鄰聲源在第i個(gè)頻點(diǎn)下基于格林函數(shù)和源編碼策略進(jìn)行編碼預(yù)測(cè)得到第二數(shù)據(jù)；格林函數(shù)基于初始聲速參數(shù)圖像m0求解；s5，根據(jù)第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)；目標(biāo)函數(shù)用于量化第i個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與基于初始聲速參數(shù)圖像m0預(yù)測(cè)的合成數(shù)據(jù)之間的差異；s6，采用全波形反演算法對(duì)初始聲速參數(shù)圖像m0進(jìn)行迭代更新，確定第i個(gè)頻點(diǎn)聲速參數(shù)圖像mi；s7，將聲速參數(shù)圖像mi作為第i+1個(gè)頻點(diǎn)下初始聲速參數(shù)圖像m0，令i＝i+1，執(zhí)行s2-s6過(guò)程，遍歷n個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)聲速參數(shù)圖像mn反演獲得待測(cè)目標(biāo)的超聲斷層圖像。
3、在一些實(shí)施方式中，使用多陣元的超聲的環(huán)形陣列對(duì)其中的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，確定每個(gè)陣元所在位置的頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)；包括：環(huán)形陣列中的一個(gè)陣元向待測(cè)目標(biāo)發(fā)射超聲信號(hào)，所有陣元接收回波信號(hào)，依次遍歷所有陣元，每個(gè)陣元發(fā)射的超聲信號(hào)之間沒(méi)有重疊；獲取每一個(gè)陣元所在位置的觀測(cè)聲壓信號(hào)dobs(t,xr,xs)，數(shù)據(jù)量為nt×nr×ns；對(duì)觀測(cè)聲壓信號(hào)使用離散傅里葉變換得到頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)集dobs(f,xr,xs)；其中，nt為時(shí)間采樣個(gè)數(shù)，nr為接收陣元的個(gè)數(shù)和ns為發(fā)射陣元的個(gè)數(shù)；xs分別表示發(fā)射點(diǎn)的位置坐標(biāo)和xr為接收點(diǎn)的位置坐標(biāo)；t表示時(shí)域?qū)?yīng)的信號(hào)序列{ti，i＝1,2，…nt}，單位分別為秒；f表示頻域?qū)?yīng)的信號(hào)序列{fi，i＝1,2，…nt}，單位為赫茲。
4、在一些實(shí)施方式中，確定源編碼策略，包括：確定任意兩個(gè)聲源發(fā)射的時(shí)間間隔為：τ＝(2n+1)/(4fi)；其中n為整數(shù)；確定兩個(gè)聲源的空間分布位置信息分別為相鄰的和確定編碼函數(shù)為：
5、
6、其中ωi為對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fi下的角頻率。
7、在一些實(shí)施方式中，根據(jù)源編碼策略對(duì)第i個(gè)頻點(diǎn)下兩個(gè)相鄰聲源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到第一數(shù)據(jù)；包括：使用源編碼策略對(duì)全矩陣采集模式下得到的第i個(gè)頻點(diǎn)的兩個(gè)相鄰聲源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將編碼后數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到第一數(shù)據(jù)為
8、
9、其中sj表示聲源的序列{sj，j＝1,2…ns}，sj′表示經(jīng)過(guò)編碼疊加后聲源的序列{sj′，j′＝1,2…ns′}，ns′表示多聲源編碼發(fā)射的總次數(shù)，當(dāng)兩個(gè)聲源疊加進(jìn)行編碼時(shí)
10、在一些實(shí)施方式中，對(duì)反演過(guò)程中的兩個(gè)相鄰聲源在第i個(gè)頻點(diǎn)下基于格林函數(shù)和源編碼策略進(jìn)行編碼預(yù)測(cè)得到第二數(shù)據(jù)，包括：對(duì)兩個(gè)相鄰的聲源信號(hào)和采用源編碼策略編碼，并在同一頻率下以時(shí)間間隔τ依次發(fā)射，得到第二數(shù)據(jù)如下：
11、
12、其中g(shù)表示格林函數(shù)，其通過(guò)亥姆霍茲方程進(jìn)行求解，相應(yīng)的表達(dá)式如下：
13、
14、其中ω表示角頻率，m表示介質(zhì)的聲速參數(shù)圖像，δ表示拉普拉斯算子，x為計(jì)算域的坐標(biāo)，是狄拉克δ函數(shù)。
15、在一些實(shí)施方式中，根據(jù)第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)，包括：確定單頻點(diǎn)fi下目標(biāo)函數(shù)cse(m)計(jì)算公式如下：
16、
17、其中，l2范數(shù)用于表征第一數(shù)據(jù)與第二數(shù)據(jù)的差異。
18、在一些實(shí)施方式中，對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的聲速參數(shù)圖像m進(jìn)行迭代更新，包括：使用局部梯度優(yōu)化算法對(duì)初始聲速參數(shù)圖像m0進(jìn)行迭代更新，如下：
19、
20、其中k表示迭代的次數(shù)；αk為迭代的步長(zhǎng)；為下降方向；
21、利用前置迭代信息優(yōu)化的梯度獲得當(dāng)前的下降方向
22、梯度的計(jì)算采用伴隨狀態(tài)法求取如下：
23、
24、其中use(x)和分別表示反演過(guò)程中源編碼后的正傳波場(chǎng)和接收點(diǎn)殘差反傳波場(chǎng)；r表示取實(shí)部；*表示共軛。
25、第二方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序；至少一個(gè)處理器，用于執(zhí)行存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的程序，當(dāng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的程序被執(zhí)行時(shí)，處理器用于執(zhí)行第一方面中所提供的方法。
26、第三方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有指令，當(dāng)指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行第一方面中所提供的方法。
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1.一種超聲斷層成像方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用多陣元的超聲的環(huán)形陣列對(duì)其中的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，確定每個(gè)陣元所在位置的頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)；包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定源編碼策略，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述源編碼策略對(duì)所述第i個(gè)頻點(diǎn)下所述兩個(gè)相鄰聲源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到第一數(shù)據(jù)；包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述對(duì)反演過(guò)程中的兩個(gè)相鄰聲源在所述第i個(gè)頻點(diǎn)下基于格林函數(shù)和所述源編碼策略進(jìn)行編碼預(yù)測(cè)得到第二數(shù)據(jù)，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)和所述第二數(shù)據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)，包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)中的聲速參數(shù)圖像m進(jìn)行迭代更新，包括：
8.一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序；至少一個(gè)處理器，用于執(zhí)行存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的程序，當(dāng)所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的程序被執(zhí)行時(shí)，所
9.一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有指令，當(dāng)所述指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1-7任一所述的方法。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種超聲斷層成像方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用多陣元的超聲的環(huán)形陣列對(duì)其中的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，確定每個(gè)陣元所在位置的頻域觀測(cè)數(shù)據(jù)；包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定源編碼策略，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述源編碼策略對(duì)所述第i個(gè)頻點(diǎn)下所述兩個(gè)相鄰聲源的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到第一數(shù)據(jù)；包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述對(duì)反演過(guò)程中的兩個(gè)相鄰聲源在所述第i個(gè)頻點(diǎn)下基于格林函數(shù)和所述源編碼策略進(jìn)行編...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李玉冰，李盼盼，蘇暢，林偉軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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