CN101825497A - 一种基于热声效应的温度实时测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热声效应的温度实时测量系统与方法。通过采用热声成像设备探测被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温度-热声信号幅值的关系参数。在实际测温时，使用这些已知的拟合参数，通过被测物质温度-热声信号的关系，利用一维热声信号反推分析得到被测物质的温度，最终通过计算机实时显示温度分布图像。本发明结合了热声技术的优点，具有高精度，高空间分辨率的优点，能够在无损的情况下，实时快速地获得温度变化参数和温度分布图像，测温精度可以达到0.2℃，为物质温度的实时无损测量提供了一种可靠的监测方法和系统装置。

Description

一种基于热声效应的温度实时测量系统与方法

技术领域

本发明属于无损温度测量技术领域，特别涉及一种基于热声效应对物体内部进行温度实时测量的系统和方法。

背景技术

现有的温度测量仪表按照测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠、测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在温度的延迟现象。非接触式仪表是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，也不会破坏被测物体的温度场，反映速度比较快；但受到物体的发射率、测量距离等外界因素的影响，其测量误差较大，而且一般不能对组织内部进行较准确的测量。

国内外已有不少组织无创测温方面的研究报导，包括超声、CT、微波、电阻抗、核磁共振监测等。超声测温是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性以获取组织温度信息。现有的方法包括在时域、频域，或者能量域上从从超声回波信号提出温度信息。由于生物组织的差异性以及在不同温度区域表现的特性不同，试图在所有温度段，用单一的方法实现无损测温是非常困难的。而且超声方法只能得到某区域的一个平均温度，不能够反映区域的温度分布，继而也就不能保证周围健康组织或敏感部位的安全。核磁共振法其时间分辨率、空间分辨率及温度分辨率远不及有创测温，其高昂的价格也不利于普及应用。

针对传统的无损测温技术存在的缺陷，热声方法与技术显示出巨大优越性。热声成像作为近年来发展起来的一种新型成像方法，结合了微波/激光和超声的优点，具有高穿透深度和高分辨率，并从原理上避开了微波/光散射对测量精度的影响。

本发明针对解决监测工程领域和生物医学领域中实时测温的瓶颈，提供一种高精度、一体化、有很强实用性的无损温度实时测量系统及方法。

发明内容

为了克服现有接触或非接触仪表测温方法的不足，本发明的首要目的在于提供一种能对物质内部进行较准确的温度测量方法；该方法可望取代以往的温度测量方法，具体可以应用于生物医学中组织温度的无损和实时测量。

本发明的又一目的在于提供一种实现上述基于热声效应的温度实时测量方法的系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于热声效应的温度实时测量方法，包括以下操作步骤：

(1)热声激发源产生激发脉冲信号，通过传输媒质均匀地辐射到被测物质上，被测物质中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

(2)将涂有声耦合剂的声探测器置于被测物质周围，接收应激产生的热声信号，经多通道信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行数据采集记录；

(3)处理记录被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温度-热声信号幅值的关系参数A和B；

(4)在实际测温时，使用步骤(3)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热声信号的关系式P＝(A+B*T)P₀，根据重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测物质温度T，最终通过计算机实时显示温度分布图像；所述P₀为初始温度下的热声信号幅值，P为热声图像或者一维热声信号中提取的热声信号幅值。

所述测量方法是利用被测物体中激发的热声信号幅值与物体温度的正相关性来反演计算某点温度及重建区域组织温度分布。

步骤(4)是对被测物质在不同热源加热或同一热源连续加热的情况下，进行实时连续的温度监控，实现被测物质内部某特定点或整体范围的温度图像反演。所述加热源是脉冲微波、脉冲激光、高功率聚焦超声(HIFU)、连续微波、连续激光或连续调制的激光。

步骤(1)中所述的热声激发源为脉冲波发生器；所述热声激发源可以为脉冲微波、脉冲激光、脉冲超声或连续调制的激光；所述脉冲微波的波长为0.01mm～1m；所述脉冲激光的波长为500nm～1064nm；所述脉冲超声波长为10um～1mm；所述连续调制激光器波长为500nm～1064nm，调制频率为1MHz～100MHz。

步骤(1)所述传输媒质为波导管、定向辐射天线、光纤或反射镜。

步骤(2)所述声探测器为多元线性阵列探测器或多元环状阵列探测器；所述声探测器的主频为200KHz～20MHz；步骤(2)所述声耦合剂为矿物油或水；步骤(3)所述数据拟合方法包括线性拟合及非线性拟合。

步骤(2)所述多通道并行数据采集系统由PXI总线计算机、多通道信号放大器和多通道数据采集板卡系统组成；所述多通道数据采集板卡系统采用多通道DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构系统；所述多通道DSP数据采集卡由数据信号处理芯片(DSP)、模数转换芯片(AD)和可编程逻辑器件(FPGA)组成。

步骤(4)所述实时显示是利用数据信号处理芯片对采集的数据进行实时处理并且重建得到热声图像，所述数据信号处理芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程序。

一种实现上述基于热声效应的温度实时测量方法的系统，该系统包括热声激发组件和热声信号采集组件；所述热声激发组件和热声信号采集组件依次电气连接；所述热声激发组件由热声激发源、函数发生器和传输媒质组成；所述热声信号采集组件由声探测器、多通道信号放大器和多通道并行数据采集系统依次电气连接而成；所述声探测器通过支架固定在三维平台。

本发明的原理是：脉冲波发生器发出的微波经过波导管/定向辐射天线导入到被测物质上，物体中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，由于热弹机制激发出热声信号，热声压可以记为：

$P\left(z\right)=(\mathrm{\β}{C}^2/C_p){\mathrm{\μ}}_{a}H=\mathrm{\Γ}{\mathrm{\μ}}_{a}H\left(z\right)=\mathrm{\Γ}{\mathrm{\μ}}_a{H}_0{e}^{(-{\mathrm{\μ}}_{a}z)}---\left(1\right)$

其中：Γ为格留乃森参数，β为热膨胀系数，μ_α为吸收系数，H₀为脉冲微波/激光能量密度。

Γ反映了组织吸收热量转化为热膨胀的效率，其具有温度相关性并可以表示为温度T的线性函数

                Γ＝A+B*T                (2)

其中A、B为常数。

由于不同温度的组织有不通的热弹转化效率，导致激发出的热声信号幅度变化，温度与热声信号幅值也有近似线性关系，并可以用如下表达式来表示

                P＝(A+B*T)P₀             (3)

其中：P₀为初始温度下的热声信号幅值。

通过数据采集设备记录被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温度-热声信号幅值的关系参数。在实际测温时，使用这些已知的拟合参数，通过被测物质温度-热声信号的关系，从重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测物质温度，最终通过计算机实时显示温度分布图像。

本系统通过超声探测器接收热声信号并通过多通道并行采集系统采集热声信号，利用DSP芯片实时重建热声图像来反映温度分布或通过PXI总线传输并存储到终端；通过反演程序反演计算出吸收体上各点的温度。

本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下的优点及效果：

(1)本发明利用反映微波/激光吸收分布原理的热声成像系统对物体温度进行监控，热声信号不仅仅反映组织的微波/光吸收差异，还反映组织的声学及热力学特性的变化。结合热声成像技术的优点可得到高分辨率、高精确度的信息；

(2)本发明中的测量方法能用于HIFU超声治疗、微波热疗、激光光动力治疗中的实时温度监控；

(3)本发明的测量精度比传统超声方法高一个数量级，温度分辨率可以达到0.2℃，并且本发明的数据处理简单；

(4)本发明中的测量方法能得到不均匀温度分布，相对于超声方法得到的某区域平均温度，该方法具有更高的空间分辨率，其空间分辨率可达1mm；

(5)本发明中的测量方法具有快速实时的特点，不存在温度测量的滞后；

(6)本发明系统构成中的，高触发频率脉冲微波源，其既可以作为加热源，又可以作为热声激发源，热声激发源的平均功率可以通过调节热声激发源发生器的脉冲重复频率得到，便于构建一体化治疗及监控系统；

(7)本发明装置具有实时图像重建能力，能实时得到并显示样品温度分布图像；

(8)本发明与已有的技术的区别在于其采用了可以实时采集和处理数据的多通道并行数据采集系统，大大提高了数据处理速度；

(9)本发明装置具有的便携性及实时处理能力，使其能开发为临床应用的仪器；

(10)本发明装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，没有特殊限制，应用广泛。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，其中1-1为热声激发源发生器，1-2为传输媒质，1-3为多元热声探测器，1-4为信号放大器，1-5为计算机(PXI总线工控机)，1-6为函数发生器，1-7为多通道并行数据采集系统，1-8为被测物质，1-9为显示器。

图2是本发明中所述热声信号产生原理示意图，其中2-1为吸收体，2-2为多元环形探测器，2-3为微波源在一吸收点激发的热声信号，2-4为射频天线。

图3是本发明中所述多通道并行采集系统硬件系统组成。

图4是利用热声效应方法探测到的离体肿瘤组织的热声信号随温度变化图。

图5是利用热声效应方法探测到的离体肿瘤组织中激发出的热声信号随温度变化拟合图。

图6是不同温度模拟样品的热声成像图，其中圆形样品为琼脂，里面两个小吸收体为四氧化三铁纳米粒子。

图7是本发明用于光动力治疗(PDT)监控示意图，其中3-1为吸收体，3-2为多元环形探测器，3-3为脉冲激光在一吸收点激发的热声信号，3-4为脉冲激光，3-5为用于光动力治疗的连续激光。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1是本发明基于热声效应的温度实时测量系统：其中1-1为热声激发源发生器，1-2为传输媒质，1-3为多元热声探测器，1-4为信号放大器，1-5为计算机(PXI总线工控机)，1-6为函数发生器，1-7为多通道并行数据采集系统，1-8为被测物质，1-9为显示器。

采用图1所示结构示意图的系统对离体肿瘤组织的温度进行实时测量：

(1)将脉冲波发生器产生的脉冲微波(波长为0.01mm～1m，平均功率通过函数发生器调节微波脉冲重复频率得到)通过波导管定向辐射天线均匀地辐射到离体肿瘤组织中，离体肿瘤组织吸收能量导致瞬间温度升高，激发产生热声信号(热声信号产生原理示意图如图2所示，离体肿瘤组织即为吸收体)；

(2)将涂有声耦合剂矿物油的多元环状阵列探测器(图2-2)接收热声信号，将多元热声信号经多元信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行采集和实时处理，得到实时重建的热声图像，然后将重建结果在显示器上显示并通过PXI总线存储到硬盘中；

所述多通道并行数据采集系统由PXI总线计算机和板卡系统(见图3)组成；所述板卡系统采用DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构系统；所述DSP数据采集卡由数字信号处理(DSP)芯片(TMS 320C6455 DSP，美国TI公司1.2GHz单内核DSP)、模数转换(AD)芯片(AD9222，美国ADI公司的12位分辨率的高速、八通道、50MSPS数据转换率、并行接口芯片)和可编程逻辑(FPGA)器件(EP3C40F780C6，美国XILINX公司)组成；所述实时处理是利用DSP芯片对采集的数据进行实时处理并且重建得到热声图像，所述DSP芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程序；

(3)处理记录被测离体肿瘤组织的热声信号，通过数据拟合，得到被测物体温度-热声信号幅值的关系参数A和B；

(4)在实际温度测量时，使用步骤(3)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热声信号的关系式，从一维热声信号反推分析得到被测物体温度T。

图4给出了不同温度下离体肿瘤组织的一维热声信号图，可以看出随着温度的升高，热声信号幅值增加到了原来的2.5倍，一维热声信号的时域宽度反映了吸收体大小，由于超声传播速度随温度变化而变化，信号的时域宽度在加热过程中也会有所改变；图4中的信号时域宽度改变只有11％，可见基于超声传播速度的温度特性的测温方法精度比较差，而热声方法有明显的改进。

图5给出了不同温度下，离体肿瘤组织热声信号幅值与组织温度的拟合曲线，通过该图可以看出两者具有较好的线性相关性，热声信号幅值的平均变化率为2.08％/℃；用组织中激发的热声信号幅值反演实际温度具有较高的可行性。

实施例2

(1)将脉冲波发生器产生的脉冲微波(波长为0.01mm～1m，平均功率通过函数发生器调节微波脉冲重复频率得到)通过波导管定向辐射天线均匀地辐射到由琼脂及四氧化三铁纳米粒子做成的样品中，肿瘤组织吸收能量导致瞬间温度升高，激发产生热声信号；

(2)将样品通过水浴法加热，样品温度升高；

(3)将涂有声耦合剂矿物油的多元线性阵列探测器接收热声信号，将多元热声信号经多元信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行采集和实时处理；

(4)处理记录被测离体肿瘤组织的热声信号，通过数据拟合，得到被测物体温度-热声信号幅值的关系参数A和B；

(5)连续记录不同温度下被加热样品中激发出的热声信号，并用采集卡板载DSP得到实时重建的热声图像，然后将重建结果在显示器上显示并通过PXI总线存储到硬盘中；

(6)不同温度下重建的热声图像即反映其温度分布。使用步骤(4)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热声信号的关系式，还可以从重建的热声图像各点灰度值反推分析得到被测物体各点实际温度T。

所述多通道并行数据采集系统由PXI总线计算机和板卡系统(见图3)组成；所述板卡系统采用DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构系统；所述DSP数据采集卡由数字信号处理芯片(TMS 320C6455 DSP，美国TI公司1.2GHz单内核DSP)、模数转换(AD)芯片(AD9222，美国ADI公司的12位分辨率的高速、八通道、50MSPS数据转换率、并行接口芯片)和可编程逻辑(FPGA)器件(EP3C40F780C6，美国XILINX公司)组成；所述实时处理是利用DSP芯片对采集的数据进行实时处理并且重建得到热声图像，所述DSP芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程序；

图6给出了不同温度下样品的热声重建图像。图中两个小的圆形吸收体为四氧化三铁纳米粒子，大的圆形吸收体为琼脂。由于四氧化三铁纳米粒子微波吸收系数较大，所以重建图像中其灰度值较高。图(a)为28.4℃下的图像，图(b)为38.5℃下的图像，两热声图像灰度值有较大的差异。图(c)为两温度下图像的差(图(b)-图(a))，反映热声图像随温度的变化量，可见，热声重建图像灰度值随着温度升高而增加，与理论预期相符。

实施例3(见图7)

(1)将连续激光(图7-5，波长为500nm～1064nm)通过光纤均匀地辐射到待治疗离体肿瘤组织(图7-1)中进行PDT治疗，见图7；

(2)肿瘤组织吸收激光能量导致温度升高；

(3)将脉冲激光器产生的脉冲激光(图7-4)辐射到待测区域，激发热声信号(图7-3)；

(4)将涂有声耦合剂矿物油的多元环状阵列探测器(图7-2)接收热声信号，将多元热声信号经多元信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行采集和实时处理；

(5)处理记录被测离体肿瘤组织的热声信号，通过数据拟合，得到被测物体温度-热声信号幅值的关系参数A和B；

(6)连续记录不同温度下被加热组织中激发出的热声信号，并用采集卡板载DSP得到实时重建的热声图像，然后将重建结果在显示器上显示并通过PXI总线存储到硬盘中；

(7)使用步骤(5)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热声信号的关系式，从重建的热声图像各点灰度值反推分析得到被测物体各点实际温度T。

所述多通道并行数据采集系统(见图3)由PXI总线计算机和板卡系统(见图3)组成；所述板卡系统采用DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构系统；所述DSP数据采集卡由DSP芯片(TMS 320C6455 DSP，美国TI公司1.2GHz单内核DSP)、模数转换(AD)芯片(AD9222，美国ADI公司的12位分辨率的高速、八通道、50MSPS数据转换率、并行接口芯片)和可编程逻辑(FPGA)器件(EP3C40F780C6，美国XILINX公司)组成；所述实时处理是利用DSP芯片对采集的数据进行实时处理并且重建得到热声图像，所述DSP芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程序。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于包括以下操作步骤：

(1)热声激发源产生激发脉冲信号，通过传输媒质均匀地辐射到被测物体上，被测物质中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

(2)将涂有声耦合剂的声探测器置于被测物质周围，接收激发出来的热声信号，经多通道信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行数据采集记录；

(3)处理记录被测物体的热声信号，通过数据拟合，得到被测物体温度-热声信号幅值的关系参数A和B；

(4)在实际测温时，使用步骤(3)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热声信号的关系式P＝(A+B*T)P₀，从重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测物体温度T，最终通过计算机实时显示温度分布图像；所述P₀为初始温度下的热声信号幅值，P为热声图像或者一维热声信号中提取的热声信号幅值。

2.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(4)是对被测物质在不同热源加热或同一热源连续加热的情况下，进行实时连续的温度监控，实现被测物质内部某特定点或整体范围的温度图像反演。

3.根据权利要求2所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：所述加热源是脉冲微波、脉冲激光、高功率聚焦超声、连续微波、连续激光或连续调制的激光。

4.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述的热声激发源为脉冲波发生器；所述热声激发源可以为脉冲微波、脉冲激光、脉冲超声或连续调制的激光；所述脉冲微波的波长为0.01mm～1m；所述脉冲激光的波长为500nm～1064nm；所述脉冲超声波长为10um～1mm；所述连续调制激光器波长为500nm～1064nm，调制频率为1MHz～100MHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(1)所述传输媒质为波导管、定向辐射天线、光纤或反射镜。

6.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(2)所述声探测器为多元线性阵列探测器或多元环状阵列探测器；所述声探测器的主频为200KHz～20MHz；步骤(2)所述声耦合剂为矿物油或水；步骤(3)所述数据拟合方法为线性拟合或非线性拟合。

7.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：所述测量方法是利用被测物体中激发的热声信号幅值与物体温度的正相关性来反演计算某点温度及重建区域组织温度分布。

8.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(2)所述多通道并行数据采集系统由PXI总线计算机、多通道信号放大器和多通道数据采集板卡系统组成；所述多通道数据采集板卡系统采用多通道DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构系统；所述多通道DSP数据采集卡由数据信号处理芯片、模数转换芯片和可编程逻辑器件组成。

9.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于：步骤(4)所述实时显示是利用数据信号处理芯片对采集的数据进行实时处理并且重建得到热声图像，所述数据信号处理芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程序。

10.一种实现权利要求1～9任一项所述基于热声效应的温度实时测量方法的系统，其特征在于：该系统包括热声激发组件和热声信号采集组件；所述热声激发组件和热声信号采集组件依次电气连接；所述热声激发组件由热声激发源、函数发生器和传输媒质组成；所述热声信号采集组件由声探测器、多通道信号放大器和多通道并行数据采集系统依次电气连接而成；所述声探测器通过支架固定在三维平台。

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