CN111948296A - 一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，首先使用空间频率为k的轴向结构光照射样品调制光声信号，窄带宽的超声换能器接收到的光声信号其频谱信息包含基频、和频和差频三部分信息。获取该空间频率的轴向结构光激发出来的三个相位的光声信号，通过三相位分离法分出这三部分频谱信息，然后信息移位，将错位的高频信息移至正确的位置。逐步增加轴向结构光空间频率，]得的不同频段的光声信号，逆傅里叶变换后即可获得高分辨率图像。可获得的最高轴向分辨率由可产生的轴向结构光空间频率决定。该方法能将轴向分辨率提升至光学衍射极限，实现三维空间分辨率的各向同性，使获得的光声图像能够更加真实地反映生物组织的真实结构。
Description
技术领域
本发明涉及光声显微成像领域，特别涉及一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法。
背景技术
在光声显微成像中，由于成像通常是点扫描方式，因此横向分辨率由光焦点与声焦点的尺寸共同决定。然而，在光声显微成像的轴向，无论光焦点的大小如何，空间分辨率都是由探测用的超声换能器的带宽决定的。这是因为在轴向虽然可以通过提高光聚焦的数值孔径来降低光学焦点的大小，但是探测超声信号时使用的是时间分辨的方式而非点探测的方式，所以超声换能器的带宽决定了轴向空间单位脉冲响应的宽度，即轴向分辨率。该问题在光学分辨光声显微成像系统中尤为突出，在光学分辨的光声显微成像中，横向分辨率往往可以达到光学衍射极限的分辨率(百纳米量级)，而轴向分辨率却很难优于10微米，这使得三维成像的结果往往是各向异性的，无法反映生物组织的真实结构。
为提升系统的轴向分辨率，近些年来，世界各国的研究小组们分别从超声探测和光激光两个方面分别进行了一些研究。有研究者在离轴探测模式的声学分辨光声显微系统中通过使用两个正交放置的两个超声换能器提升空间各向同性，同时提升了横向和轴向的分辨率。使用更高带宽的压电超声探头配合维纳解卷积，将轴向分辨率提高到7.6微米。也有研究者则使用Lucy-Richardson解卷积的方法来提高超声传播方向的空间分辨率。用硅油来替代水作为耦合介质来降低声速将轴向分辨率提升至5.8微米。然而一方面超声换能器的制作方法决定了带宽已很难继续提高，另一方面，使用解卷积的方法对分辨率的提升效果有限，因此近几年出现了使用光学的方法来提高轴向分辨的研究。相较于普遍使用的用于超声探测的压电超声换能器，采用光学检测的方式来探测光声信号有助于简便系统、提升轴向分辨率，典型光学检测器件有微环、法布里-铂罗传感器等。微环由于其相对于压电陶瓷等传统换能器具有更大的带宽和更低的噪声，因此获得的光声成像轴向分辨率达到2.21微米,这分辨率已经达到了光学分辨水平，其三维分辨率各向同性对于生物学研究具有重要的意义，能够准确的揭示三维结构。由于微环是非聚焦探测，其对声压比较敏感，但是相对于使用压电超声探头其探测到的图像质量比较低。还有微环为能实现商业化，这对于研究者来说不是很方便。将法布里-铂罗传感器应用于光声信号的探测，获得轴向分辨率优于8微米。近几年来出现了使用光学的方法来从光声信号激发的角度来提高轴向分辨的研究。研究者利用光学漂白的非线性效应，将连续两个脉冲激发后的信号相减，实现了轴向400纳米的分辨率。使用双光子激发来产生光声信号，与双光子显微镜类似的，由于双光子吸收的区域局限性，因此只在很小的区域内产生超声信号，从而实现了光学分辨率的光声轴向分辨能力。热-超声转换效率随局部温度变化而改变这一特性也被用于提升轴向分辨率，使用时间间隔非常短(约100纳秒)的两个激光脉冲进行两次光声激发，通过两次激发之间的差异获得2.3微米的轴向分辨能力。然而，使用光学聚焦的方法多是利用非线性光学来实现轴向的光学分辨率，需要高强度光聚焦(光毒性大)，再加上非线性吸收的光声信号相对较弱，因此这些方法限制了光学分辨光声显微成像系统的使用。
针对这个问题，提出了一种基于轴向调制的方法来大幅度的提升轴向分辨率。通过在轴向上空间频率变化的结构光的调制，使光声信号频谱信息逐步落入超声换能器的频谱响应范围，然后将频谱恢复至正确位置，继而拓宽了系统的频谱响应范围，提升轴向分辨率。该方法同时能够实现利用低频的超声探头获取高频光声频谱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的光声显微成像系统中轴向分辨率差的问题。提供一种能够实现使用低频超声换能器获取高频光声频谱进而提升轴向扩展函数，继而将轴向分辨率提升至光学衍射极限的技术。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题，一种用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的轴向调制技术，包括以下步骤：
S1：空间频率为k的轴向结构光照射样品，由于莫尔效应，轴向结构光会调制光声信号。
S2：窄带宽的超声换能器接收到的光声信号其频谱信息包含基频DN、和频DP和差频DS三部分信息，获取该空间频率的轴向结构光激发出来的三个相位
的光声信号，通过三相位分离法分出这三部分频谱信息。
S3：进行信息移位，将错位的高频信息(和频和差频)移至正确的位置。
S4：由于激发光声信号所用的物其截止频率远高于超声换能器的带宽，增大结构光调制频率重复上述步骤，直至物镜的截止频率。
S5：最后通过维纳滤波在频域内组合上述获得的不同频段的光声信号，逆傅里叶变换后即可获得高分辨率图像。
S1中轴向结构光是指在超声探头探测方向上光强呈现余弦变化的光斑：
I0为余弦变化的轴向结构光的平均强度，
为余弦变化的轴向结构光的初始相位，k0为轴向余弦结构光的空间频率，m为结构光的调制度。经轴向结构光调制得到的光声信号频谱信息可用下式表示：
其中，η为热能的转化效率，
为μ(z)的傅里叶变换，
为获取的光声信号PA(z)的傅里叶变换，
为整个系统的频谱响应。基频DN,差频DP,和频DS为
S2中所述三个相位的轴向结构光，优选的，相位差为2π/3。三相位分离法是指经过结构光调制后，获得的信号中包含有三部分频谱信息DN、DP、DS。而要获得高分辨率图像则要恢复出信号的高频信息。这需要将三部分频谱信息进行分离。三个相位分别为
获得的三个A线光声数据为PA1(z)、PA2(z)、PA3(z)，这样组成一个线性方程组：
解这个方程可以将DN、DP、DS三部分进行分离：
S3中所述信息移位，是指将分离好的三部分频谱DN、DP、DS进行频谱频移，频移的准确性直接影响着重建图像的准确性。信息移位的不准会使重建出来的图像发生变形或者伪影。首先通过结构光的空间频率k0确定进行频谱频移的大小。通过三相位分离方法分离出来的三部分频谱信息均是在频域的表达形式，其中DN是基频不需要进行频移，DP、DS需要进行频移。k0通常是不为整数的，为保证频移的准确性，利用傅里叶变换的平移特性进行精确地频移。首先将DP、DS逆转换至空域表达，然后乘上exp(±i2πk0r)，最后再变换至频域则可以完成精确的信息移位即
CS1(k)＝DN(k)
其中FFT表示傅里叶变换，IFFT表示逆傅里叶变换。
S4中所述需要逐步增大结构光空间频率直至物镜的截止频率，是指光声显微成像系统中，接收光声信号的超声探头其带宽kus通常只有几十兆赫兹，这远远低于用于激发光声信号的高数值孔径的物镜的截止频率kobjective(通常在千赫兹级别)，因此轴向结构光的调制频率不受超声换能器的影响，并且可以远远超过超声换能器的带宽。
初次施加的结构光调制频率大小设置为小于超声换能器的带宽，将调制频率逐渐增加至物镜的截止频率。在每个光调制频率下按照步骤S1-S3获得光声信号频谱片段。
S5中通过维纳滤波在频域内组合上述获得的不同频段的光声信号，如下式所示：
其中*代表共轭运算，
为最终重建后图像在频域上的表达，N为在所有类型的结构光照明下获得的A线数据的个数。w为一个小的常数，其大小一般根据经验来设定，用来控制重建图像时的噪声。A(k)是切趾函数用于抑制图像重建过程中由于频率在边缘的不连续性，在还原的图像中出现的旁瓣。
为第n阶
的频移。
本发明的优点及有益效果是：
本发明实现了光声显微成像中的轴向分辨率显著地提升，达到光学衍射极限。通过轴向结构光的轴向调制，能够实现使用低频的超声换能器获取超高频光声信号频谱信息，拓展了系统的轴向点拓展函数，提升轴向分辨率。轴向调制是的三维空间分辨率更加均匀，获取的图像能够更加真实地反映出生物组织的结构信息。该方案也能够实现未揭颅下超高频光声信号信息的获取。同时高频信息的获取有助于进行光声信号频谱的分析工作。
附图说明
图1是本发明一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法的流程图。
图2是本发明一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法的原理图。
其中，图中矩形块为系统的通频范围，初次施加的结构光调制频率大小设置为小于超声换能器的带宽，将调制频率逐渐增加至物镜的截止频率。在每个光调制频率下按照三相位重建算法获得光声信号频谱片段(图2中各种线段)，最后将各个空间频率的结构光下重建获得的光声频谱片段进行融合，获得拓展后的光声信号频谱。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本发明提供了一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，流程图如图1所示，实施如下：
光声成像利用光声效应来对描述光吸收分布。光声信号的强度是正比于吸收的光能量。光声成像系统作为一个线性平移不变的系统，成像过程可以用下式表示
其中z代表轴向空间坐标，P(z)为系统的轴向点拓展函数，这决定系统的轴向分辨率。I(z)为轴向光通量分布，μ(z)为轴向吸收系数分布，η为热能的转化效率，PA(z)为系统经超声换能器探测到的信号，
代表卷积运算。
在轴向使用一个空间频率为k0的余弦结构光照明样品，轴向余弦结构光的表达形式为
I0为余弦结构光平均强度，
为余弦结构光的初始相位，k0为余弦结构光的空间频率，m为结构光的调制度。式(1)可写成
将(3)进行傅里叶变换得到经结构光调制后的光声信号频谱信息
其中，
为μ(z)的傅里叶变换，
为获取的光声信号PA(z)的傅里叶变换，
为整个系统的频谱响应。式(4)中，
为在均匀光照明下获取的光声信号频谱，其他两项则是
分别在频域移至k0，-k0位置处的信号。为方便描述，我们分别用基频DN,差频DP,和频DS来表示三部分信息，即
获取同一空间频率的三个相位结构光对应的图像，三个相位分别为
获得的三个A线数据为PA1(z)、PA2(z)、PA3(z)，这样组成一个线性方程组：
假设
通过解方程可以将DN、DP、DS三部分进行分离：
将分离好的三部分频谱DN、DP、DS进行频谱频移，频移的准确性直接影响着重建图像的准确性。信息移位的不准会使重建出来的图像发生变形或者伪影。首先通过结构光的空间频率k0确定进行频谱频移的大小。通过三相位分离方法分离出来的三部分频谱信息均是在频域的表达形式，其中DN是基频不需要进行频移，DP、DS需要进行频移。k0通常是不为整数的，为保证频移的准确性，这里我们利用傅里叶变换的平移特性进行精确地频移。首先将DP、DS逆转换至空域表达，然后乘上exp(±i2πk0r)，最后再变换至频域则可以完成精确的信息移位即
其中FFT表示傅里叶变换，IFFT表示逆傅里叶变换。
运用广义维纳滤波器来将获得的所有移频后的频谱片段融合，即
其中*代表共轭运算，
为最终重建后图像在频域上的表达，N为在所有类型的结构光照明下获得的A线数据的个数。w为一个小的常数，其大小一般根据经验来设定，用来控制重建图像时的噪声。A(k)是切趾函数用于抑制图像重建过程中由于频率在边缘的不连续性，在还原的图像中出现的旁瓣。
为第n阶
的频移。
在光声显微成像系统中，接收光声信号的超声探头其带宽kus通常只有几十兆赫兹，这远远低于用于激发光声信号的高数值孔径的物镜的截止频率kobjective(通常在千赫兹级别)，因此轴向结构光的调制频率不受超声换能器的影响，并且可以远远超过超声换能器的带宽。如图2所示，初次施加的结构光调制频率大小设置为小于超声换能器的带宽，将调制频率逐渐增加至物镜的截止频率。在每个光调制频率下按照前面的方法获得光声信号频谱片段(如图2中的线段)，最后将各个空间频率的结构光下重建获得的光声频谱片段进行融合，逆傅里叶变换得到轴向高分辨图像。该方案能够大大拓展系统的通频区域，大幅度提升光声显微成像系统的轴向分辨率。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1：空间频率为k的轴向结构光照射样品，由于莫尔效应，轴向结构光会调制光声信号；
S2：窄带宽的超声换能器接收到的光声信号其频谱信息包含基频DN、和频DP和差频DS三部分信息，获取该空间频率的轴向结构光激发出来的三个相位
的光声信号，通过三相位分离法分出这三部分频谱信息；
S3：进行信息移位，将错位的高频信息(和频DP和差频DS)移至正确的位置；
S4：由于激发光声信号所用的物镜其截止频率远高于超声换能器的带宽，增大轴向结构光调制频率重复上述步骤，直至物镜的截止频率；
S5：通过维纳滤波在频域内组合获得的不同频段的光声信号，逆傅里叶变换后即可获得高分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
S1中所述轴向结构光是指在超声探头探测方向上光强呈现余弦变化的光斑：满足
I0为余弦变化的轴向结构光的平均强度，
为余弦变化的轴向结构光的初始相位，k0为轴向结构光余弦变化的空间频率，m为轴向结构光余弦变化的调制度，经轴向结构光调制得到的光声信号频谱信息可用下式表示：
其中，η为热能的转化效率，
为μ(z)的傅里叶变换，
为获取的光声信号PA(z)的傅里叶变换，
为整个系统的频谱响应，基频DN,差频DP,和频DS为
3.根据权利要求1所述的一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
S2中所述的基频DN、和频DP和差频DS的相位差为2π/3；
三相位分离法是指经过结构光调制后，获得的信号中包含有三部分频谱信息基频DN、和频DP、差频DS,而要获得高分辨率图像则要恢复出信号的高频信息，这需要将三部分频谱信息进行分离，三个相位分别为
获得的三个A线光声数据为PA1(z)、PA2(z)、PA3(z)，这样组成一个线性方程组：
解这个方程将基频DN、和频DP、差频DS三部分进行分离：
4.根据权利要求1所述的一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
S3所述信息移位，是指将分离好的基频DN、和频DP和差频DS进行频谱频移，频移的准确性直接影响着重建图像的准确性，信息移位的不准会使重建出来的图像发生变形或者伪影，首先通过结构光的空间频率k0确定进行频谱频移的大小，通过三相位分离方法分离出来的三部分频谱信息均是在频域的表达形式，其中DN是基频不需要进行频移，DP、DS需要进行频移，k0通常是不为整数的，为保证频移的准确性，利用傅里叶变换的平移特性进行精确地频移，首先将DP、DS逆转换至空域表达，然后乘上exp(±i2πk0r)，最后再变换至频域则完成精确的信息移位即
CS1(k)＝DN(k)
其中FFT表示傅里叶变换，IFFT表示逆傅里叶变换。
5.根据权利要求1所述的一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
S4逐步增大所述轴向结构光空间频率直至物镜的截止频率，
初次施加的结构光调制频率大小设置为小于超声换能器的带宽，将调制频率逐渐增加至物镜的截止频率，在每个光调制频率下按照步骤S1-S3获得光声信号频谱片段。
6.根据权利要求1所述的一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，其特征在于：
S5通过所述维纳滤波在频域内组合上述获得的不同频段的光声信号，满足：
其中*代表共轭运算，
为最终重建后图像在频域上的表达，N为在所有类型的结构光照明下获得的A线数据的个数，w为一个小的常数，其大小一般根据经验来设定，用来控制重建图像时的噪声，A(k)是切趾函数用于抑制图像重建过程中由于频率在边缘的不连续性，在还原的图像中出现的旁瓣，
为第n阶
的频移。
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|---|---|---|---|---|
| CN118090621A (zh) * | 2024-04-29 | 2024-05-28 | 华南师范大学 | 一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法及其装置 |
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