一種二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種對二維血管內光聲（intravas州larphotoacoustic,IVPA)圖像 進行建模與仿真的方法，屬于醫(yī)學成像技術領域。
【背景技術】
[0002] 血管內光聲（intravas州larphotoacoustic,IVPA)成像是一種成像方法，它根據 不同成分的粥樣硬化斑塊的光吸收系數不同，被光照射熱膨脹后產生的聲學信號強度也不 同該一效應對血管壁及粥樣硬化斑塊成像。它結合了光聲信號激發(fā)階段光吸收較高的對比 度和光聲信號發(fā)射階段超聲檢測較高的分辨率，可得到展示斑塊類型和尺寸等信息的實時 圖像。
[000引IVPA圖像內容的差異由目標血管結構、斑塊類型和重構圖像的參數等造成，此外 成像儀器的校準和微小的參數差異都會影響成像效果。測試者通過圖像判斷血管的準確程 度、提升成像導管的參數質量、優(yōu)化圖像處理算法等都建立在分析大量的測試圖像數據的 基礎上。然而，IVPA成像技術目前尚未廣泛應用，可用的測試數據嚴重不足。此外，測試血 管變異實踐是一種比較有效的醫(yī)學訓練途徑，但需要較多訓練時間和有經驗專家的?？谥?導，訓練條件較為繁瑣和嚴苛。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對現有技術之弊端，提供一種二維血管內光聲圖像的建模與 仿真方法，在有限的硬件設備、較短的時間內得到大量的IVPA圖像，為血管內光聲成像算 法和IVPA圖像后處理算法的研究和性能測試等提供數據源，為醫(yī)學訓練提供圖像庫，為獲 取更高質量的IVPA圖像提供有益參考。
[0005] 本發(fā)明所述問題是W下述技術方案實現的：
[0006] -種二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法，所述方法首先建立含有粥樣硬化斑 塊的血管橫截面模型，成像導管位于模型中屯、，將血管橫截面等角度分為m份；然后對成像 導管在每個角度從模型中屯、沿徑向發(fā)射激光脈沖的過程進行仿真，對每個角度對應的多層 血管壁組織進行光的蒙特卡羅（MonteCarlo，MC)模擬，得到空間電磁吸收分布函數A(r); 再根據A(r)仿真出多層血管壁組織的光聲信號p(t);最后根據m個光聲信號得到血管橫 截面圖像。
[0007] 上述二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法，所述方法按W下步驟進行：
[0008]a.建立血管橫截面模型；
[0009] 成像導管位于模型的中央，周圍依次為管腔（血液）、斑塊（纖維、巧質、脂質）、內 膜/中膜（肌肉組織）和外膜（結締組織），將超聲換能器看作理想的點換能器，其掃描軌跡 為平行于成像平面、半徑趨近于零的圓形軌跡，模型所在的坐標系為平行于成像平面的X-Y 平面直角坐標系，其中坐標原點是成像導管中屯、；然后W血管橫截面模型的中屯、為起始點 將模型等角度分為m份，每份的中屯、線與X軸正半軸的夾角分別為01，02，...，0。，將每一 份在0-p直角坐標系下近似為多層血管壁組織，其中0-p坐標系的0軸表示wx軸正 半軸為基準逆時針旋轉得到的角度，P軸表示多層血管壁組織的厚度；確定每個角度對應 的多層血管壁組織中每層的參數（包括吸收系數、散射系數、平均折射率、散射各向異性因 子、厚度），形成多層血管壁組織的光學參數模型；
[0010] b.仿真IVPA成像導管從模型中屯、沿徑向發(fā)射激光脈沖穿過血管內腔中的血液照 射血管壁的過程：
[0011] 忽略光的波動特性，將光照射多層血管壁組織看成大量光子與生物組織相互作用 的過程，采用蒙特卡羅（MC)方法模擬多層血管壁組織中激光的傳播，得到關于空間的電磁 吸收分布函數A(r);
[0012] c.仿真多層血管壁組織產生的光聲信號：
[0013] 根據下式仿真得到成像導管在角度0=0。02, ...，em時接收到的多層血管壁 組織產生的光聲信號Pi(t)，P2 (t)，. ..，Pm(t):
[0014]
【主權項】
1. 一種二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法，其特征是，所述方法首先建立含有粥 樣硬化斑塊的血管橫截面模型，成像導管位于模型中心，將血管橫截面等角度分為m份；然 后對成像導管在每個角度從模型中心沿徑向發(fā)射激光脈沖的過程進行仿真，對每個角度 對應的多層血管壁組織進行光的蒙特卡羅模擬，得到空間電磁吸收分布函數A(r);再根據 A(r)仿真出多層血管壁組織的光聲信號p(t);最后根據m個光聲信號得到血管橫截面圖 像。
2. 根據權利要求1所述的二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法，其特征是，所述方 法按以下步驟進行： a. 建立血管橫截面模型： 成像導管位于模型的中央，周圍依次為管腔、斑塊、內膜、膜和外膜，將超聲換能器看 做理想的點換能器，其掃描軌跡為平行于成像平面，半徑趨近于零的圓形軌跡，模型所在的 坐標系為平行于成像平面的X-Y平面直角坐標系，其中坐標原點是成像導管中心；然后以 血管橫截面模型的中心為起始點將模型等角度分為m份，每份的中心線與X軸正半軸的夾 角分別為S 1, θ2，...，θπ，將每一份在Θ-Ρ直角坐標系下近似為多層血管壁組織，其中 Θ-P坐標系的Θ軸表示以X軸正半軸為基準逆時針旋轉得到的角度，ρ軸表示多層血管 壁組織的厚度；確定每個角度對應的多層血管壁組織中每層的參數：包括吸收系數、散射 系數、平均折射率、散射各向異性因子、厚度，形成多層血管壁組織的光學參數模型； b. 仿真IVPA成像導管從模型中心沿徑向發(fā)射激光脈沖穿過血管內腔中的血液照射血 管壁的過程： 忽略光的波動特性，將光照射多層血管壁組織看成大量光子與生物組織相互作用的過 程，采用蒙特卡羅方法模擬多層血管壁組織中激光的傳播，得到關于空間的電磁吸收分布 函數A(r); c. 仿真多層血管壁組織產生的光聲信號： 根據下式仿真得到成像導管在角度θ = θ1; θ2，...，θπ時接收到的多層血管壁組織 產生的光聲信號口"!：)，？；^!:)，···，？^!:):
式中，（j，k)是位于θ-ρ平面內的多層血管壁組織上一點的坐標；Λ Θ和Λ ρ分別 表示平行和垂直于多層生物組織表面方向的離散平面間距；Δ t表示離散時間間距；η表示 離散的時刻；Pn(j, k)為η時刻（j, k)位置的光聲信號強度；<(_/，&)、C/，&)分別為η時 亥IJ (j，k)位置的質點在Θ方向和ρ方向的振動速度；c(j，k)是光聲信號在（j，k)位置的 速度；A(j，k)是（j，k)位置的電磁吸收分布函數；Γ是η時刻的激光脈沖強度；P為血管壁 組織的密度；β為等壓膨脹系數；Cp為比熱； d. 重建極坐標系下的血管橫截面IVPA圖像： 位置r處的血管橫截面極坐標視圖的灰度值即電磁吸收分布A' (r)，由下式求得：
式中，A' (r)為圖像重建得到的關于空間的電磁吸收分布函數；i = l，2，...，m，Z(l為 位置r處距多層血管壁組織表面即Θ軸的距離；Pi (t)為仿真得到的成像導管在角度Qi 處接收到的光聲信號；^為Θ-P平面中與成像導管在X-Y平面中的成像角度Θ i相對應 的位置；c是光聲信號的波速。 e. 坐標轉換 設θ-ρ坐標系中的一點坐標為（j，k)，其灰度值為f(j，k)，該點在X-Y坐標系中 的對應點的坐標為，k')，灰度值為g(_T，k')，其中je[〇,360]，ke[〇，d]， f e [_d，d]，V e [-d，d]，d為步驟d所求極坐標圖像的縱坐標的最大值，則有：
Θ為以X軸正半軸為基準逆時針旋轉得到的角度。
【專利摘要】一種二維血管內光聲圖像的建模與仿真方法，所述方法首先建立含有粥樣硬化斑塊的血管橫截面模型，成像導管位于模型中心，將血管橫截面等角度分為份；然后對成像導管在每個角度從模型中心沿徑向發(fā)射激光脈沖的過程進行仿真，對每個角度對應的多層血管壁組織進行光的蒙特卡羅模擬，得到空間電磁吸收分布函數；再根據仿真出多層血管壁組織的光聲信號；最后根據個光聲信號得到血管橫截面圖像。本發(fā)明可在有限的硬件設備和較短的時間內得到大量的IVPA圖像，為血管內光聲成像算法和IVPA圖像后處理算法的研究和性能測試等提供數據源，為醫(yī)學訓練提供圖像庫，為獲取更高質量的IVPA圖像提供有益的參考。
【IPC分類】G06T17-00
【公開號】CN104867178
【申請?zhí)枴緾N201510157894
【發(fā)明人】孫正, 苑園
【申請人】華北電力大學（保定）
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月3日