[发明专利]一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法

摘要

一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法，所述方法首先建立含有粥样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为份；然后对成像导管在每个角度从模型中心沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度对应的多层血管壁组织进行光的蒙特卡罗模拟，得到空间电磁吸收分布函数；再根据仿真出多层血管壁组织的光声信号；最后根据个光声信号得到血管横截面图像。本发明可在有限的硬件设备和较短的时间内得到大量的IVPA图像，为血管内光声成像算法和IVPA图像后处理算法的研究和性能测试等提供数据源，为医学训练提供图像库，为获取更高质量的IVPA图像提供有益的参考。

主权项

一种二维血管内光声图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方法首先建立含有粥样硬化斑块的血管横截面模型，成像导管位于模型中心，将血管横截面等角度分为m份；然后对成像导管在每个角度从模型中心沿径向发射激光脉冲的过程进行仿真，对每个角度对应的多层血管壁组织进行光的蒙特卡罗模拟，得到空间电磁吸收分布函数A(r)；再根据A(r)仿真出多层血管壁组织的光声信号p(t)；最后根据m个光声信号得到血管横截面图像；所述方法按以下步骤进行：a.建立血管横截面模型：成像导管位于模型的中央，周围依次为管腔、斑块、内膜、中膜和外膜，将超声换能器看做理想的点换能器，其扫描轨迹为平行于成像平面，半径趋近于零的圆形轨迹，模型所在的坐标系为平行于成像平面的X‑Y平面直角坐标系，其中坐标原点是成像导管中心；然后以血管横截面模型的中心为起始点将模型等角度分为m份，每份的中心线与X轴正半轴的夹角分别为θ1,θ2,...,θm，将每一份在θ‑ρ直角坐标系下近似为多层血管壁组织，其中θ‑ρ坐标系的θ轴表示以X轴正半轴为基准逆时针旋转得到的角度，ρ轴表示多层血管壁组织的厚度；确定每个角度对应的多层血管壁组织中每层的参数：包括吸收系数、散射系数、平均折射率、散射各向异性因子、厚度，形成多层血管壁组织的光学参数模型；b.仿真IVPA成像导管从模型中心沿径向发射激光脉冲穿过血管内腔中的血液照射血管壁的过程：忽略光的波动特性，将光照射多层血管壁组织看成大量光子与生物组织相互作用的过程，采用蒙特卡罗方法模拟多层血管壁组织中激光的传播，得到关于空间的电磁吸收分布函数A(r)；c.仿真多层血管壁组织产生的光声信号：根据下式仿真得到成像导管在角度θ＝θ1,θ2,...,θm时接收到的多层血管壁组织产生的光声信号p1(t),p2(t),...,pm(t)：pn+1(j,k)=pn(j,k)-P·c2(j,k)·Δt·{1Δθ[vθn+1/2(j+1/2,k)-vθn+1/2(j-1/2,k)]+1Δρ[vρn+1/2(j,k+1/2)-vρn+1/2(j,k-1/2)]}+β·c2(j,k)·ΔtCPA(j,k)·Invθn+1/2(j-1/2,k)=vθn-1/2(j-1/2,k)-ΔtP·Δθ[pn(j,k)-pn(j-1,k)]vρn+1/2(j,k-1/2)=vρn-1/2(j,k-1/2)-ΔtP·Δρ[pn(j,k)-pn(j,k-1)];]]>式中，(j,k)是位于θ‑ρ平面内的多层血管壁组织上一点的坐标；Δθ和Δρ分别表示平行和垂直于多层生物组织表面方向的离散平面间距；Δt表示离散时间间距；n表示离散的时刻；pn(j,k)为n时刻(j,k)位置的光声信号强度；分别为n时刻(j,k)位置的质点在θ方向和ρ方向的振动速度；c(j,k)是光声信号在(j,k)位置的速度；A(j,k)是(j,k)位置的电磁吸收分布函数；In是n时刻的激光脉冲强度；P为血管壁组织的密度；β为等压膨胀系数；CP为比热；d.重建极坐标系下的血管横截面IVPA图像：位置r处的血管横截面极坐标视图的灰度值即电磁吸收分布A′(r)，由下式求得：A′(r)=-1πc44πCPcβΣi=1mz0|ri-r|1t∂pi(t)∂t|t=|ri-r|c,]]>式中，A′(r)为图像重建得到的关于空间的电磁吸收分布函数；i＝1,2,...,m，z0为位置r处距多层血管壁组织表面即θ轴的距离；pi(t)为仿真得到的成像导管在角度θi处接收到的光声信号；ri为θ‑ρ平面中与成像导管在X‑Y平面中的成像角度θi相对应的位置；c是光声信号的波速；e.坐标转换设θ‑ρ坐标系中的一点坐标为(j,k)，其灰度值为f(j,k)，该点在X‑Y坐标系中的对应点的坐标为(j′,k′)，灰度值为g(j′,k′)，其中j∈[0,360]，k∈[0,d]，j′∈[‑d,d]，k′∈[‑d,d]，d为步骤d所求极坐标图像的纵坐标的最大值，则有：g(j′,k′)=f(θ,j′2+k′2);]]>其中θ为以X轴正半轴为基准逆时针旋转得到的角度。