[发明专利]一种基于声波叠加的光声效应模拟与仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于声波叠加的光声效应模拟与仿真方法。本发明提出了将初始压力分布网格分成若干像素点，分别计算每个像素点单独产生的光声信号，接着根据波的叠加原理计算整体的光声信号。本发明提供的方法将求解复杂的光声方程转换为简单的循环叠加操作，大大降低了运行时间。在大部分情况下，本发明提供的方法运行时间均远小于k‑Wave的计算时间。

技术领域

本发明涉及一种光声效应模拟与仿真方法，属于光声效应、光声前向模型、仿真模型开发技术领域。

背景技术

光声效应指的是物体在激光的激励下产生声信号的物理现象。基于光声效应，光声成像技术在近些年获得广泛的关注并取得飞速的发展。目前，光声成像技术已经在小动物成像、血氧饱和度定量、肿瘤良恶性诊断上取得了一定的成功。

光声成像的发展在一定程度上得益于光声仿真软件的开发与成熟。其中k-Wave是比较成熟的光声仿真软件，被广泛应用于与光声相关的各项工作中。k-Wave中最重要的功能在于其光声前向模型仿真，通过数值方法求解光声方程，从初始压力分布产生光声信号来模拟光声效应。但该数值方法的计算较为复杂，运算时间较长，特别是在采样率高、初始压力分布网格较大的情况下。K-Wave中运算速度慢的缺点大大缩小了该工具包的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：光声仿真软件中用于求解光声方程的数值方法的计算较为复杂、运算时间较长。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于声波叠加的光声效应模拟与仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将光声仿真软件提供的初始压力分布网格分成n×m个像素点，共有J个处于不同位置的超声探头；

步骤2、设j＝1；

步骤3、设p＝1；

步骤4、通过对n×m个像素点的像素值的设置，使得初始压力分布网格中仅第p个像素点起作用；

步骤5、在设定好的采样率下，使用光声仿真软件获取第j个超声探头输出的超声信号，该超声信号即为标准信号S，并获得初始压力分布网格中第p个像素点的中心到第j个超声探头中心之间的距离d；

步骤6、根据第j个超声探头的位置，通过获得的标准信号S中第p个像素点到第j个超声探头的距离以及距离d计算第p个像素点产生光声信号的相位算子；

步骤7、根据标准信号S中第p个像素点的像素值和第p个像素点到第j个超声探头的距离计算第p个像素点产生光声信号的幅值算子；

步骤8、通过相位算子和幅值算子改变标准信号S的相位和幅值，获得第p个像素点在第j个超声探头产生的光声信号；

步骤9、p＝p+1，若pn×m，则进入步骤10，否则返回步骤4；

步骤10、j＝j+1，若jJ，则进入步骤11，否则返回步骤3；

步骤11、获得J个处于不同位置的超声探头的整体的初始压力分布的光声信号。

优选地，步骤6中，设第j个超声探头的二维坐标为(x,y)，第p个像素点的二维坐标为(x_p,y_p)，则第p个像素点产生光声信号的相位算子的计算过程包括以下步骤：

计算标准信号S中第p个像素点到第j个超声探头的距离d_p：

通过超声波在介质中的传播速度v和采样率f获得第p个像素点产生的光声信号的相位算子τ(d_p,d)：