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原文传递单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP-PACT)

专利名称：	单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP-PACT)
摘要：	本发明公开了一种用于小动物全身成像的单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP‑PACT)系统。另外，本发明还公开了一种双声速全局后向投影重建方法。此外，本发明公开了一种用于成像对象的乳房的PACT系统。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	华盛顿大学
发明人：	汪立宏;李磊;朱立仁;马诚
专利状态：	有效
申请日期：	2017-11-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201780084476.X
公开号：	CN110291390A
代理机构：	武汉东喻专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李佑宏
分类号：	G01N29/06(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	美国密苏里州圣路易斯
主权项：	1.一种用于生成对象的至少一部分的2D或3D图像的PACT系统，所述PACT系统包括：光源，其被配置成将光脉冲引导到穿过所述对象的所述至少一部分的成像平面中，其中响应于所述光脉冲的照射在所述成像平面内产生多个光声信号；以及全环形换能器阵列，其包括多个超声换能器，所述多个超声换能器分布在围绕所述成像平面的环的圆周上，其中所述全环形换能器阵列被配置成对所述多个光声信号进行空间采样，且其中所述全环形换能器阵列被配置成对所述多个光声信号中的源自所述成像平面内的某一视场内的光声信号进行空间采样，所述视场具有被选择为满足奈奎斯特空间采样标准的直径。 2.如权利要求1所述的PACT系统，其还包括多个前置放大器，所述多个前置放大器中的每个前置放大器可操作地直接连接到所述多个超声换能器的一个对应超声换能器，每个前置放大器被配置成专门放大一个对应超声换能器采样的多个光声信号。 3.如权利要求2所述的PACT系统，其还包括至少一个模拟-数字采样装置，所述至少一个模拟-数字采样装置包括多个数据通道，所述多个数据通道中的每个数据通道可操作地连接到一个前置放大器，每个数据通道被配置成专门对一个前置放大器放大的多个光声信号进行采样和数字化。 4.如权利要求3所述的PACT系统，其还包括计算装置，所述计算装置包括至少一个处理器和存储多个模块的存储器，每个模块包括能够在所述至少一个处理器上执行的指令，所述多个模块包括图像重建模块，所述图像重建模块被配置成根据响应于单个光脉冲的照射而产生的所述多个光声信号重建所述对象的所述至少一部分的2D图像。 5.如权利要求4所述的PACT系统，其还包括扫描元件，所述扫描元件被配置成将所述全环形换能器阵列和所述成像平面相对于所述对象的所述至少一部分定位在沿扫描图案的多个位置，其中，所述光源还被配置成将光脉冲序列引导到成像平面序列中，其中所述光脉冲序列中的每个光脉冲被引导到所述成像平面序列中的一个成像平面中，每个成像平面位于沿所述扫描图案的所述多个位置中的一个位置；所述全环形换能器阵列还被配置成对多个光声信号集进行空间采样，每个光声信号集包括从所述成像平面序列中的一个成像平面产生的多个光声信号；所述图像重建模块还被配置成重建所述对象的所述至少一部分的2D图像序列，所述2D图像序列中的每个2D图像是基于从所述成像平面序列中的一个成像平面采样的一个光声信号集重建的；且所述图像重建模块还被配置成基于组合的多个光声信号重建所述对象的所述至少一部分的3D图像，所述组合的多个光声信号包括从所述成像平面序列采样的所述多个光声信号集的多个光声信号。 6.如权利要求5所述的PACT系统，其中，所述图像重建模块使用双声速全局后向投影重建算法来重建所述对象的所述至少一部分的所述2D图像序列和所述3D图像。 7.如权利要求4所述的PACT系统，其中，所述光源还被配置成将光脉冲序列引导到所述成像平面中，所述光脉冲序列以某一光脉冲频率产生；所述全环形换能器阵列还被配置成对多个光声信号集进行空间采样，每个光声信号集包括响应于所述光脉冲序列中的每个光脉冲对所述成像平面的照射而产生的多个光声信号；且所述图像重建模块还被配置成重建所述对象的所述至少一部分在所述成像平面内的时间序列2D图像，所述时间序列2D图像中的每个2D图像是基于一个光声信号集重建的。 8.如权利要求7所述的PACT系统，其中，所述多个模块还包括运动对比模块，其被配置成基于所述时间序列2D图像产生运动对比图像，其中所述运动对比模块还被配置成：逐像素地获得多个时间频谱，每个时间频谱是基于从所述时间序列2D图像中的每个2D图像内的对应像素获得的光声信号振幅的波动而获得的；从每个时间频谱中选择预选频率范围内的光声信号振幅的峰值；以及通过逐像素地将所述预选频率范围内的光声信号振幅的每个所选峰值分配给所述时间序列2D图像中的每个对应像素来生成运动对比图像。 9.如权利要求8所述的PACT系统，其中，所述预选频率范围选自心跳频率和呼吸频率。 10.如权利要求7所述的PACT系统，其中，所述多个模块还包括多尺度血管增强过滤模块，其被配置成增强由所述PACT系统生成的所述2D或3D图像的图像对比度，其中所述多尺度血管增强过滤模块还被配置成：应用一组具有一个或多个不同尺度的基于Hessian的Frangi血管滤波器来产生一组滤波图像，其中所述一个或多个尺度的范围选择为所述PACT系统的分辨率的约1.2至约10倍；对这组滤波图像进行平均以产生具有增强对比度的2D或3D图像。 11.根据权利要求7所述的PACT系统，其中，所述多个模块还包括运动分析模块，其被配置成沿所述时间序列2D图像内的预选横切线计算至少一个检测结构的运动，其中所述运动分析模块还被配置成：从所述时间序列2D图像中提取多个光声信号横切线，每个光声信号横切线包括与沿所述时间序列2D图像中的每个2D图像内的所述预选横切线定位的一组像素相对应的一组光声信号振幅；组合所述多个光声信号横切线以形成时空图，所述时空图包括多个像素行，每个像素行包括一个光声信号横切线，其中所述时空图的横轴表示与所述时间序列2D图像中的每个2D图像相关的成像时间，且所述时空图的纵轴表示沿所述预选横切线的像素距离；跟踪所述时空图内的至少一个最大光声信号的位置，所述至少一个最大光声信号指示所述检测结构；对所述时空图进行2D傅里叶变换以产生频谱图，所述频谱图包括多个像素行，每个像素行包括一系列的归一化频谱振幅，其中所述频谱图的横轴表示空间频率，且所述频谱图的纵轴表示时间频率；以及计算所述频谱图内的多个最大频谱振幅的斜率，所述斜率表示所述至少一个检测结构的运动速度。 12.如权利要求7所述的PACT系统，其中，所述多个模块还包括稀疏采样校正模块，其被配置成减少与所述成像平面的位于所述全环形换能器阵列的所述视场外部的部分内的稀疏数据采样相关的图像伪影，其中，所述稀疏采样校正模块还被配置成：通过使用具有选定截止频率的低通滤波器对所述多个光声信号进行滤波来产生至少一组多个滤波光声信号，所述选定截止频率对应于相对于由奈奎斯特空间采样标准确定的所述视场的放大视场，其中，所述选定截止频率小于所述全环形换能器阵列的与所述视场相关的高截止频率，且所述放大视场包含所述视场；重建至少一个附加2D图像，所述至少一个附加2D图像中的每个附加2D图像是使用所述至少一组多个滤波光声信号中的每组多个滤波光声信号而重建的；产生至少一个模糊掩模，其中所述至少一个模糊掩模中的每个模糊掩模是通过选择并模糊每个放大视场的位于每个放大视场内的任何较小放大视场之外的一部分而产生的；将每个附加2D图像乘以相应模糊掩模，以产生至少一个掩模2D图像中的每个掩模2D图像；以及相加所述至少一个掩模2D图像以产生最终的2D图像，所述最终的2D图像与由所述图像重建模块生成的所述2D图像相比减少了与稀疏采样相关的伪影。 13.如权利要求1所述的PACT系统，其中所述对象的所述至少一部分选自：大脑、乳房、腹腔、胸腔、胸膜腔、手、脚，手臂、腿、手指、脚趾和阴茎。 14.一种根据被包括多个检测器的检测器阵列检测到的多个光声信号重建2D图像的方法，所述方法包括：设置表示声光成像装置的成像区域内的第一声速V1和第二声速V2的空间分布的声速图，所述声速图包括位于圆形水区域内的椭圆形组织区域；对于所述声速图中的多个光声信号源位置和多个检测器位置的每种组合：计算从每个光声信号源位置到每个检测器位置的信号路径的总距离L；计算从每个光声信号源位置到所述信号路径与组织-水界面的交叉点的第一距离L1，在所述声速图上，所述组织-水界面包括包围所述椭圆形组织区域的边界；通过从L中减去L1来计算从所述交叉点到每个检测器位置的第二距离L2；以及根据公式(12)计算延迟时间t延迟，所述延迟时间t延迟是以所述第一声速V1传播穿过所述椭圆形组织区域的第一时间和以所述第二声速V2传播穿过所述圆形水区域的第二时间的和：组合所有t延迟以形成包括各个t延迟和各个对应光声信号源位置的双速声延迟图；以及使用全局后向投影方法结合所述双速声延迟图来重建2D图像。 15.如权利要求14所述的方法，其中，假设所述多个光声信号中的每个光声信号沿着从每个光声信号源位置到每个检测器位置的线性路径传播，且在所述组织-水界面处不发生折射。 16.如权利要求14所述的方法，其还包括：设置声速图序列，所述声速图序列中的每个声速图对应于所述检测器阵列的垂直位置序列的一个垂直位置，其中通过位于所述检测器阵列的所述垂直位置序列的所述检测器获得光声信号集序列，所述光声信号集序列中的每个光声信号集包括所述多个光声信号中的一部分；形成双速声延迟图序列，所述双速声延迟图序列中的每个双速声延迟图对应于所述声速图序列中的每个声速图；以及根据所述光声信号集序列，使用所述全局后向投影方法结合所述双速声延迟图序列来重建3D图像。 17.一种用于生成对象的乳房的2D或3D图像的PACT系统，所述PACT系统包括：光源，其被配置成将光脉冲引导到穿过所述对象的乳房的成像平面中，其中响应于所述光脉冲的照射在所述成像平面内产生多个光声信号；以及全环形换能器阵列，其包括多个超声换能器，所述多个超声换能器分布在围绕所述成像平面的环的圆周上，其中所述全环形换能器阵列被配置成对所述多个光声信号进行空间采样，且其中所述全环形换能器阵列被配置成对所述多个光声信号中的源自所述成像平面内的某一视场内的光声信号进行空间采样，所述视场具有被选择为满足奈奎斯特空间采样标准的直径。 18.如权利要求17所述的PACT系统，其还包括多个前置放大器，所述多个前置放大器中的每个前置放大器可操作地直接连接到所述多个超声换能器中的一个对应超声换能器，每个前置放大器被配置成专门放大一个对应超声换能器采样的多个光声信号。 19.如权利要求18所述的PACT系统，其还包括至少一个模拟-数字采样装置，所述至少一个模拟-数字采样装置包括多个数据通道，所述多个数据通道中的每个数据通道可操作地连接到一个前置放大器，每个数据通道被配置成专门对被一个前置放大器放大的多个光声信号进行采样和数字化。 20.如权利要求19所述的PACT系统，其中，所述光源还被配置成将光脉冲序列引导到所述成像平面中，所述光脉冲序列以某一光脉冲频率产生；以及所述全环形换能器阵列还被配置成对多个光声信号集进行空间采样，每个光声信号集包括响应于所述光脉冲序列中的每个光脉冲对所述成像平面的照射而产生的多个光声信号。 21.如权利要求20所述的PACT系统，其还包括线性扫描台，所述线性扫描台被配置成将所述全环形换能器阵列和所述成像平面相对于所述对象的乳房定位在沿扫描图案的多个位置，其中：所述光源还被配置成将所述光脉冲序列引导到成像平面序列中，其中所述光脉冲序列中的每个光脉冲被引导到所述成像平面序列中的一个成像平面中，每个成像平面位于沿所述扫描图案的所述多个位置中的一个位置；在所述成像平面序列中的一个成像平面处产生包括多个光声信号的每个光声信号集。 22.如权利要求21所述的PACT系统，其还包括计算装置，所述计算装置包括至少一个处理器和存储多个模块的存储器，每个模块包括能够在所述至少一个处理器上执行的指令，所述多个模块包括图像重建模块，所述图像重建模块被配置成使用双速声全局后向投影重建算法重建以下图像中的至少一个：所述对象的所述至少一部分的2D图像，所述2D图像是基于响应于单个光脉冲的照射而产生的多个光声信号重建的；所述对象的所述至少一部分的2D图像序列，所述2D图像序列中的每个2D图像是基于从所述成像平面序列中的一个成像平面采样的一个光声信号集重建的；所述对象的乳房在单个成像平面内的时间序列2D图像，所述时间序列2D图像中的每个2D图像是基于一个光声信号集重建的；以及所述对象的所述至少一部分的3D图像，所述3D图像是基于组合的多个光声信号重建的，所述组合的多个光声信号包括从所述成像平面序列采样的所述多个光声信号集的多个光声信号。 23.如权利要求22所述的PACT系统，其还包括：成像床，其包括支撑表面和穿过所述支撑表面形成的开口，所述开口被构造成当所述对象俯卧在所述成像床的所述支撑表面上时容纳所述对象的乳房；以及水箱，其以与所述成像床的所述支撑表面相对的方式连接到所述开口，所述水箱容纳一定量的水和所述全环形换能器阵列，其中，所述对象的乳房位于所述全环形换能器阵列内的所述成像表面处。
所属类别：	发明专利