專(zhuān)利名稱：圖像形成設(shè)備和圖像形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于接收從對(duì)象產(chǎn)生的聲波并且創(chuàng)建每個(gè)區(qū)域的組織和特征分布的圖像數(shù)據(jù)的圖像形成設(shè)備和圖像形成方法。
背景技術(shù)：
作為使用聲波對(duì)對(duì)象的內(nèi)部產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)，已知例如超聲回聲方法和光聲層析成像(PAT)方法。超聲回聲方法是用于通過(guò)向?qū)ο蟮膬?nèi)部發(fā)送超聲波并且接收由對(duì)象內(nèi)部的組織反射的超聲波來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法。光聲層析成像方法是用于通過(guò)接收由于光聲效應(yīng)而從對(duì)象的內(nèi)部發(fā)射的聲波來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的方法。光聲效應(yīng)是在電磁脈沖(諸如可見(jiàn)光、近紅外光和微波)被照射到對(duì)象上并且對(duì)象由于吸收電磁波而被加熱且熱膨脹時(shí)產(chǎn)生聲波(典型地，超聲波)的現(xiàn)象。已知時(shí)域方法和傅里葉域方法作為用于使用超聲回聲方法和PAT方法形成圖像的射束形成方法。傅里葉域方法是用于通過(guò)將空間坐標(biāo)變換成波數(shù)來(lái)對(duì)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換以便將變量從時(shí)間變換成頻率并且然后執(zhí)行處理的方法(NPL (非專(zhuān)利文獻(xiàn))1)。傅里葉域方法的特征在于通過(guò)使用快速傅里葉變換(FFT)的高速處理。由于CPU速度已經(jīng)提高，因此基于軟件的數(shù)值處理已經(jīng)變得切實(shí)可行，并且由于近來(lái)并行處理方面的進(jìn)步，基于軟件的圖像處理(即傅里葉域方法)的未來(lái)是有前途的。特別是在PAT圖像形成設(shè)備中，優(yōu)選的是使用傅里葉域方法。[NPL 1 ] Minghua Xu 禾口 Lihong V. Wang Photoacoust ic imaging in biomedicine, Review of Scientific Instruments, Vol 77，041101, 2006 年 4 月 17 日

發(fā)明內(nèi)容
在傳統(tǒng)的超聲回聲和PAT方法中通常使用直線(linear)型或者扇形探頭，在其中聲換能器在一維上被排列并且電子地執(zhí)行掃描。如果使用這些類(lèi)型的探頭，則可以形成對(duì)象的截面的二維圖像。然而為了減少遺漏受影響區(qū)的出現(xiàn)，獲得三維圖像是有效的。如果使用三維圖像，則在診斷之后回顧圖像和由第三方確認(rèn)會(huì)更容易。例如，為了獲得三維圖像， 在其中聲換能器被在一維上排列的探頭沿與電子掃描方向垂直的方向機(jī)械地掃描，或者使用在其中聲換能器被在二維上排列的探頭。然而形成三維圖像數(shù)據(jù)使得要被處理的數(shù)據(jù)量巨大。尤其在需要高分辨率圖像時(shí)，實(shí)時(shí)處理是不可能的，這對(duì)于習(xí)慣于操作傳統(tǒng)的設(shè)備的操作者是無(wú)法接受的。該情形在 PAT中更嚴(yán)重，在PAT中通常通過(guò)軟件執(zhí)行圖像處理，而那時(shí)，即使使用快速傅里葉域方法， 產(chǎn)生三維圖像數(shù)據(jù)也要花費(fèi)至少幾十秒，換言之，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作還需要更多的進(jìn)步。本發(fā)明提供了通過(guò)提高在光聲層析成像和超聲回聲方法中的基于傅里葉域方法的圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生處理的速度來(lái)使得能夠?qū)崟r(shí)處理高分辨率三維圖像的技術(shù)。本發(fā)明在其第一方面中提供了一種圖像形成設(shè)備，用于基于從對(duì)象的內(nèi)部發(fā)射的聲波根據(jù)關(guān)于對(duì)象的內(nèi)部的信息來(lái)創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)，所述圖像形成設(shè)備包括多個(gè)聲換能器，所述多個(gè)聲換能器接收聲波并且將所述聲波轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及圖像處理單元，所述圖像處理單元通過(guò)利用傅里葉域方法處理從所述多個(gè)聲換能器輸出的所接收的信號(hào)，來(lái)計(jì)算從對(duì)象內(nèi)的多個(gè)區(qū)域分別發(fā)射的聲波的強(qiáng)度，其中所述圖像處理單元包括系數(shù)存儲(chǔ)器，所述系數(shù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算的系數(shù)，所述系數(shù)為在用于基于所述多個(gè)聲換能器的所接收的信號(hào)確定從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的公式中僅僅由聲換能器的位置、區(qū)域的位置和接收聲波的時(shí)間(接收時(shí)間)確定的項(xiàng)的值；乘法器單元，所述乘法器單元從所述系數(shù)存儲(chǔ)器中獲得與聲換能器的所接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，并且將所接收的信號(hào)乘以系數(shù)；以及體元存儲(chǔ)器，所述體元存儲(chǔ)器對(duì)于每個(gè)區(qū)域累積所述乘法器單元的乘法結(jié)果。本發(fā)明在其第二方面中提供了一種圖像形成方法，用于使用多個(gè)聲換能器持續(xù)預(yù)定時(shí)段地接收從對(duì)象內(nèi)的多個(gè)區(qū)域發(fā)射的聲波，將所述聲波轉(zhuǎn)換成所接收的信號(hào)，并且利用傅里葉域方法處理所接收的信號(hào)以便創(chuàng)建從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像形成方法包括如下步驟預(yù)先計(jì)算在用于基于多個(gè)聲換能器的所接收的信號(hào)確定從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的公式中僅僅由聲換能器的位置、區(qū)域的位置和接收聲波的時(shí)間確定的項(xiàng)的值，并且將所計(jì)算的值存儲(chǔ)在系數(shù)存儲(chǔ)器中作為系數(shù)；從所述系數(shù)存儲(chǔ)器中獲得與聲換能器的所接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，并且將所接收的信號(hào)乘以系數(shù)；以及對(duì)于每個(gè)區(qū)域?qū)⑺邮盏男盘?hào)乘以系數(shù)的結(jié)果累積在體元存儲(chǔ)器中。本發(fā)明在其第三方面中提供了一種非暫時(shí)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其存儲(chǔ)用于使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述圖像形成方法的步驟的程序。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提高在光聲層析成像和超聲回聲方法中的基于傅里葉域方法的圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生處理的速度，高分辨率三維圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理變得可能。從以下參考附圖的示例性實(shí)施例的描述中本發(fā)明更多的特征將變得清晰。


圖1是描述本發(fā)明的計(jì)算算法1的流程圖；圖2是描述本發(fā)明的計(jì)算算法2的流程圖；圖3是描述本發(fā)明的計(jì)算算法3的流程圖；圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的系統(tǒng)配置的示圖；圖5是描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的系統(tǒng)配置的示圖；圖6是描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的系統(tǒng)配置的示圖；圖7是描述在傅里葉域方法的原理的描述中的坐標(biāo)系的示圖；以及圖8是描述傅里葉域方法的傳統(tǒng)的計(jì)算算法的流程圖。
具體實(shí)施例方式在描述本發(fā)明的方法之前，將根據(jù)Wang (NPL 1)的描述來(lái)描述基于當(dāng)前傅里葉域方法產(chǎn)生PAT圖像數(shù)據(jù)的算法及其問(wèn)題。Wang描述了在其上排列有圍繞對(duì)象的聲換能器的三種類(lèi)型的表面球面、平面和柱面，但是為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，這里描述了平面的情況。為了便于說(shuō)明，在一些情況下可能使用與非專(zhuān)利文獻(xiàn)1不同的符號(hào)。在圖7中，101代表其上排列有聲換能器的平面。在該平面101中包括的χ軸和y 軸正交地相交，ζ軸垂直于平面101，并且對(duì)象存在于相對(duì)于該平面101而言ζ為正的區(qū)域中。M個(gè)聲換能器被排列在平面101上，并且測(cè)量在區(qū)域z>0中的N個(gè)區(qū)域。102代表第i 個(gè)聲換能器(1=1，2，...，10。103代表對(duì)象內(nèi)的第」個(gè)區(qū)域(」=1，2，...州)。當(dāng)從各種類(lèi)型的脈沖激光器和磁控管照射電磁脈沖并且該電磁脈沖被區(qū)域j吸收時(shí)，區(qū)域j變熱且突然膨脹，并且發(fā)射聲波104。假設(shè)聲波的初始?jí)毫閜。(Xj，Yj, Zj)。(Xj，yj, Zj)是第j個(gè)區(qū)域的坐標(biāo)。雖然這取決于區(qū)域的尺寸，但是通過(guò)照射電磁脈沖而產(chǎn)生的聲波(稱為“光聲波”) 通常是其頻率為約幾百kHz到幾MHz的超聲波。光聲波104在對(duì)象內(nèi)傳播，由第i個(gè)聲換能器102接收，并且作為所接收的信號(hào)Pd(Xi，yi，O被輸出。(xi; Yi)是該聲換能器102的坐標(biāo)，并且t*(=ct)是由對(duì)象內(nèi)的聲速c標(biāo)準(zhǔn)化的在照射電磁脈沖之后的逝去時(shí)間。在其中電磁脈沖不能被局部地照射到對(duì)象內(nèi)的特定區(qū)域的PAT中，Pd (Xi, Yi, t*)是通過(guò)將來(lái)自多個(gè)區(qū)域的光聲波相加而產(chǎn)生的值。將參考圖8針對(duì)每個(gè)步驟來(lái)描述傳統(tǒng)傅里葉域方法的算法。等式編號(hào)與非專(zhuān)利文獻(xiàn)1 一致。假設(shè)在步驟201之前已經(jīng)將變量t、U、ν、w和j等初始化。步驟201 由M個(gè)聲換能器在時(shí)間t處接收光聲波，并且輸出所接收的信號(hào)
Pd (Xi, Yi, t*)。步驟202 將所接收的信號(hào)存儲(chǔ)在與各個(gè)聲換能器對(duì)應(yīng)的線存儲(chǔ)器中。線存儲(chǔ)器這里指的是通常被稱為FIFO (先進(jìn)先出)的存儲(chǔ)器，在該存儲(chǔ)器中時(shí)間序列的信息按序列的順序被輸入，并且按輸入的順序被輸出。步驟203 在預(yù)定的時(shí)段期間重復(fù)該接收和向存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)。步驟204 確定具有波數(shù)維度的傅里葉變換的三個(gè)變量(U，ν, w)。步驟205 使用變量k對(duì)于時(shí)間執(zhí)行傅里葉變換，該變量k由預(yù)定的(U，ν, w)通過(guò) k=(U2+v2+W2)1/2 來(lái)確定。dK.J}= f PjU),v,JleKp(fl-i)c//*等式(14)被表示為無(wú)限區(qū)域的積分，但是實(shí)際上在有限的范圍內(nèi)執(zhí)行離散數(shù)值的積分。在下文中，應(yīng)該以相同的方式來(lái)解釋下面在本文中出現(xiàn)的關(guān)于積分的描述。然后，步驟206 對(duì)于長(zhǎng)度執(zhí)行傅里葉變換。= JJ^iift,J,A)exp(/"x, + ivy, \lx_iJy, 22,
\ /等式02’ )在NPL 1中被示出為逆傅里葉變換(22)，但是這里，為了方便說(shuō)明使用傅里葉變換。(XiJi)是聲換能器i的坐標(biāo)。等式02’)被表示為無(wú)限區(qū)域的積分，但是實(shí)際上被計(jì)算作為M個(gè)聲換能器i的和。步驟207、208 針對(duì)預(yù)先設(shè)定的所有的(u，v, w)組執(zhí)行步驟205和206，然后獲得
一組
'W'm = , , / , 14 , V, SgnlwlVtr +1
V r + ν' + w'_ 這里Sgn(w)是在w>0時(shí)為1、在W=O時(shí)為0而在w<0時(shí)為-I的函數(shù)。
步驟209:使用所獲得的那組Pci(Hw)對(duì)于(u，v，w)執(zhí)行逆傅里葉變換，為 ,I
,Zj) =-——ψ iff P0 (η, ν, η·) exp(- Iuxl - Ivyj - Iwzj fdudvdw
(2^) ‘ ‘ (21)
6
然后，確定區(qū)域j的初始?jí)毫。(Xj, Yj, Zj)。步驟210 對(duì)于對(duì)象中的N個(gè)區(qū)域重復(fù)逆傅里葉變換，由此產(chǎn)生整個(gè)對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)。粗略地估計(jì)所有上述步驟所要求的乘法的次數(shù)。假設(shè)聲變換器的數(shù)量為M，在對(duì)象中要被觀察的區(qū)域的數(shù)量在一維上為L(zhǎng)個(gè)，其總共為L(zhǎng)3 (=N)個(gè)，接收聲波的次數(shù)為T(mén)次， 并且用于傅里葉變換的三個(gè)變量(u，v，w)的組的數(shù)量為F3個(gè)(在一維上為F個(gè))。對(duì)于 (u, ν, w)，所要求的乘法的次數(shù)在步驟205中為T(mén)次，在步驟206中為M次，如果結(jié)合這些步驟則為T(mén)XM次，而如果針對(duì)所有的(u，ν, w)的組執(zhí)行該處理則為T(mén)XMXF3次。對(duì)于(u，ν, w) 所要求的乘法的次數(shù)在步驟209中為F3，因此如果針對(duì)所有區(qū)域執(zhí)行該步驟，則要求L3XF3 次乘法，總計(jì)(TXMXF3+L3XF3) = (TXM+L3)F3次。由于設(shè)定為F L、T L以及M L2對(duì)于維持精度是有效的，因此乘法的次數(shù)大約為2L6次，而如果在一個(gè)步驟中執(zhí)行一次乘法， 則計(jì)算步驟的數(shù)量為2L6?？焖俑道锶~變換(FFT)可以被應(yīng)用于(x，y)，因此該步驟數(shù)可以被減少到大約L2 [LX log (L) ] 2=L4log2 (L)，但是如果L被增大以便實(shí)現(xiàn)高分辨率，則步驟數(shù)仍然變得巨大，這使得難以實(shí)時(shí)地重構(gòu)圖像。在專(zhuān)心研究之后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了通過(guò)改造上述算法，可以并行地執(zhí)行處理的一部分，并且可以顯著地減少總成像時(shí)間。在下文中，將詳細(xì)描述用于本發(fā)明的圖像形成設(shè)備和圖像形成方法的算法。如果將等式03)代入等式的P。(u，v，w)，則建立了
權(quán)利要求
1.一種圖像形成設(shè)備，用于基于從對(duì)象的內(nèi)部發(fā)射的聲波根據(jù)關(guān)于對(duì)象的內(nèi)部的信息來(lái)創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)，所述圖像形成設(shè)備包括多個(gè)聲換能器，所述多個(gè)聲換能器接收聲波并且將所述聲波轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及圖像處理單元，所述圖像處理單元通過(guò)利用傅里葉域方法處理從所述多個(gè)聲換能器輸出的所接收的信號(hào)，來(lái)計(jì)算從對(duì)象內(nèi)的多個(gè)區(qū)域分別發(fā)射的聲波的強(qiáng)度， 其中所述圖像處理單元包括系數(shù)存儲(chǔ)器，所述系數(shù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算的系數(shù)，所述系數(shù)為在用于基于所述多個(gè)聲換能器的所接收的信號(hào)確定從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的公式中僅僅由聲換能器的位置、 區(qū)域的位置和接收聲波的時(shí)間確定的項(xiàng)的值；乘法器單元，所述乘法器單元從所述系數(shù)存儲(chǔ)器中獲得與聲換能器的所接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，并且將所接收的信號(hào)乘以系數(shù)；以及體元存儲(chǔ)器，所述體元存儲(chǔ)器對(duì)于每個(gè)區(qū)域累積所述乘法器單元的乘法結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像形成設(shè)備，其中所述乘法器單元包括與所述多個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)的多個(gè)乘法器單元，以及所述多個(gè)乘法器單元并行地執(zhí)行用于將從一個(gè)聲換能器獲得的所接收的信號(hào)乘以分別與所述多個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的系數(shù)的處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像形成設(shè)備，其中所述乘法器單元包括與所述多個(gè)聲換能器分別對(duì)應(yīng)的多個(gè)乘法器單元，以及所述多個(gè)乘法器單元并行地執(zhí)行用于將從多個(gè)聲換能器獲得的所接收的信號(hào)分別乘以與一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的系數(shù)的處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任何一個(gè)所述的圖像形成設(shè)備，還包括緩沖存儲(chǔ)器，所述緩沖存儲(chǔ)器被設(shè)置在所述聲換能器與所述圖像處理單元之間，并且順序地存儲(chǔ)所述聲換能器的所接收的信號(hào)，且按照接收的順序來(lái)將存儲(chǔ)的所接收的信號(hào)輸出到所述圖像處理單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像形成設(shè)備，其中所述緩沖存儲(chǔ)器以第一時(shí)間間隔存儲(chǔ)來(lái)自所述聲換能器的所接收的信號(hào)，并且以比第一時(shí)間間隔長(zhǎng)的第二時(shí)間間隔將存儲(chǔ)的所接收的信號(hào)輸出到所述圖像處理單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個(gè)所述的圖像形成設(shè)備，還包括 電磁波脈沖照射單元，用于將電磁波脈沖照射到對(duì)象上，其中所述聲換能器接收由于光聲效應(yīng)而從已經(jīng)吸收了所照射的電磁波脈沖的能量的區(qū)域發(fā)射的光聲波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個(gè)所述的圖像形成設(shè)備，其中所述聲換能器向?qū)ο蟀l(fā)送超聲波，并且接收所發(fā)送的超聲波的反射波。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任何一個(gè)所述的圖像形成設(shè)備，其中當(dāng)(Xpyi)表示聲換能器i的位置，(Xph，zp表示對(duì)象中的區(qū)域j的位置，并且 t*表示接收聲波的時(shí)間時(shí)，系數(shù)A通過(guò)下面的公式獲得 [表達(dá)式1]
9.一種圖像形成方法，用于使用多個(gè)聲換能器持續(xù)預(yù)定時(shí)段地接收從對(duì)象內(nèi)的多個(gè)區(qū)域發(fā)射的聲波，將所述聲波轉(zhuǎn)換成所接收的信號(hào)，并且利用傅里葉域方法處理所接收的信號(hào)以便創(chuàng)建從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像形成方法包括如下步驟預(yù)先計(jì)算在用于基于多個(gè)聲換能器的所接收的信號(hào)確定從區(qū)域發(fā)射的聲波的強(qiáng)度的公式中僅僅由聲換能器的位置、區(qū)域的位置和接收聲波的時(shí)間確定的項(xiàng)的值，并且將所計(jì)算的值存儲(chǔ)在系數(shù)存儲(chǔ)器中作為系數(shù)；從所述系數(shù)存儲(chǔ)器中獲得與聲換能器的所接收的信號(hào)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，并且將所接收的信號(hào)乘以系數(shù)；以及對(duì)于每個(gè)區(qū)域?qū)⑺邮盏男盘?hào)乘以系數(shù)的結(jié)果累積在體元存儲(chǔ)器中。
10.一種非暫時(shí)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，存儲(chǔ)用于使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像形成方法的步驟的程序。
全文摘要
一種圖像形成設(shè)備具有聲換能器；以及圖像處理單元，其通過(guò)利用傅里葉域方法處理從聲換能器輸出的所接收的信號(hào)來(lái)計(jì)算從對(duì)象內(nèi)的區(qū)域分別發(fā)射的聲波的強(qiáng)度。該圖像處理單元包括系數(shù)存儲(chǔ)器，所述系數(shù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算的系數(shù)，所述系數(shù)為僅僅由聲換能器的位置、區(qū)域的位置和接收聲波的時(shí)間確定的值；乘法器單元，所述乘法器單元將聲換能器的所接收的信號(hào)乘以對(duì)應(yīng)的系數(shù)；以及體元存儲(chǔ)器，所述體元存儲(chǔ)器累積對(duì)于每個(gè)區(qū)域的乘法器單元的乘法結(jié)果。
文檔編號(hào)G01S15/89GK102596046SQ20108005134
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者中川克己 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社