CN102512168B - 用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

一种用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法，校准装置：设置在固定底座一侧面的标尺，设置在固定底座上端面一端的声传感器固定结构，设置在固定底座上端面另一端的吸声块，连接在固定底座上端面上的用于产生校准信号的校准导线，所述的校准导线与磁声成像实验系统的激励源连接。校准方法：设置传感器；调整第一校准导线和第二校准导线距离；测量声传感器端面分别到第一、第二校准导线的距离；使用磁声成像实验系统的激励单元产生激励信号；记录校准波形S₀(t)；进行成像实验，记录测量信号；根据零时刻校准后，则各记录波形分别修正为S₁(t-t₀)，S₂(t-t₀)，S₃(t-t₀)。本发明可准确提供磁声耦合成像测量信号的时间零点。

Description

用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准装置。特别是涉及一种可提供磁声耦合成像测量信号的时间零点的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法。

背景技术

生物组织电特性信息有助于了解组织电生理特性，从而为疾病的早期诊断提供依据。由于电阻抗技术成像空间分辨率不高，磁声耦合成像克服了上述缺点，兼具电阻抗成像的功能参数高对比度与超声成像高空间分辨率的优点，同时该方法还具有逆问题良态、重建算法相对简单的优点，目前已经成为功能成像领域一个新的研究热点。

磁声耦合成像的基本原理是，对置于稳恒磁场中的介质仿体，通过电极对介质仿体注入电流，电流在稳恒磁场中受到洛仑兹力的作用，仿体中带电粒子产生瞬间位移形成声波振动，振动频率与注入电流频率相同。在介质仿体外部用声换能器即可检测到声波响应。如图1所示，设介质仿体E为双层结构，内外两层存在电导率差异，声传感器G位于介质仿体E外，可检测介质仿体E对应的4个边界，当对介质仿体E注入电流激励I，在磁声耦合效应作用下，介质仿体E各边界产生并向外发出声信号，当介质仿体E各边界与声传感器G距离分别为L₁，L₂，L₃，L₄时，由声传感器G测量该声压信号，并将其转换成脉冲电压信号，检测到的脉冲与激励脉冲的时间间隔分别为t₁-t₀，t₂-t₀，t₃-t₀，t₄-t₀，设介质声速均匀，速度为v_s，忽略声传感器延迟，则

$\frac{L_1}{t_1-t_0}=\frac{L_2}{t_2-t_0}=\frac{L_3}{t_3-t_0}=\frac{L_4}{t_4-t_0}=v_s---\left(1\right)$

式(1)表明，测量声信号脉冲包含了电导率变化边界的空间分布信息，因此通过建立相应的图象重建算法，即可获得介质仿体的电特性(如电导率)分布图像。生物组织是电介质，生物组织在病变情况下电特性会发生变化，用磁声耦合的成像方法，可以得到生物组织内电特性的信息，从而实现早期的功能诊断。

由电磁学和声学理论可知，声压大小与稳恒磁场，介质内部电流密度，介质仿体的电参数密切相关

${\▿}^{2}p-\frac{1}{c_s^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2}=\▿\·(J\×B)---\left(2\right)$

其中，

为超声在介质仿体中的传播速度，ρ₀为介质密度，β_s为绝热压缩系数，p为声压，J为电流密度，B为稳恒磁场。

综上，可以推导得出，在已知稳恒磁场和激励电压的情况下，对于一个电导率参数分布确定的介质仿体，声压大小与电导率有关，即振动声源位于介质内电导率变化的界面处强度较大。利用换能器在介质仿体外部检测到的超声脉冲信号随时间的变化曲线，反映了沿此传播方向上介质内部电导率的变化。因此，通过位于介质仿体外换能器检测的声信号即可得到沿传播方向的电导率界面的位置。

磁声成像实验系统如图2所示，系统工作时中心控制单元11与其他各单元连接，以提供其他各单元的同步和控制信号，激励单元13对介质仿体14产生任意波形激励脉冲信号，稳恒磁场单元12对介质单元14提供稳恒磁场，由介质仿体14产生的声信号，由电机驱动扫描单元17驱动声传感器扫描并接收声信号转换成电信号，电信号经过检测处理单元15的处理，由数据存储与显示单元16进行存储与显示。

然而磁声成像系统实际工作中，由于一方面成像系统后续放大滤波处理电路会对信号相应产生延迟，磁声成像传感器通常难以达到无限的带宽，这使得声传感器响应相对激励产生畸变，影响成像中检测信号时间零点的确定，最终影响图像的重建。因此对信号的时间零点校准和确定，是磁声成像信号检测处理以及图像重建关键步骤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可消除时间延迟和声传感器带宽限制造成波形畸变，导致信号时刻测量误差，和图像重建的图像误差的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法，用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，包括：固定底座，设置在固定底座一侧面的标尺，设置在固定底座上端面一端的声传感器固定结构，设置在固定底座上端面另一端的吸声块，连接在固定底座上端面上的用于产生校准信号的校准导线，所述的校准导线与磁声成像实验系统的激励源连接。

所述的固定底座是由有机玻璃制成。

所述的声传感器固定结构包括有：形成在固定底座上的用于安放声传感器的固定槽，用于固定声传感器的固定卡，形成在固定槽两侧的用于固定固定卡的固定螺孔。

所述的固定卡设置有1～2个。

所述的校准导线是由第一校准导线和第二校准导线组成，所述的第一校准导线和第二校准导线之间相隔距离d。

所述的吸声块的材质采用海绵或棉布。

一种用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的校准方法，包括有如下步骤：

1)首先将声传感器用固定卡和螺钉固定在用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的底座上，并将声传感器连接到磁声成像实验系统的检测处理单元；

2)调整第一校准导线和第二校准导线之间的距离，使该两者之间距离为d，并将两根校准导线连接到磁声成像实验系统的激励单元；

3)测量声传感器端面分别到第一校准导线和第二校准导线的距离l₁和l₂；

4)将连接好的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置浸入声耦合剂中，使用磁声成像实验系统的激励单元产生激励信号；

5)记录校准波形S₀(t)；

6)将用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置换成成像目标进行成像实验，记录测量信号S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)…；

7)则根据零时刻校准后，则各记录波形分别修正为S₁(t-t₀)，S₂(t-t₀)，S₃(t-t₀)。

步骤3所述的距离l₁和l₂是通过用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置上的标尺读取。

步骤5所述的校准波形S₀(t)包括：三个脉冲，第1个脉冲为电磁耦合脉冲，第2、3个脉冲分别为第一校准导线和第二校准导线所对应的磁声耦合脉冲。

测量校准波形S₀(t)的初始时刻电磁耦合脉冲t_induce，设t_induce＝0时刻；测量第一校准导线和第二校准导线对应峰值时刻t_a，t_b，计算峰值对应时间差Δt＝t_b-t_a；

由于声耦合剂为均匀介质，声速一致，设声传感器端面对应的时刻为t₀，则

$\frac{l_1}{t_a-t_0}=\frac{l_2}{t_b-t_o}$

可得，即传感器端面对应时刻与电磁耦合脉冲t_induce时间差为t₀＝(l₁t_b-l₂t_a)/(l₁-l₂)。

本发明的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法，可以获得时间准确的信号波形，可准确提供磁声耦合成像测量信号的时间零点，消除时间延迟和声传感器带宽限制造成波形畸变，导致的信号时刻测量误差，和图像重建的图像误差。

附图说明

图1是磁声成像的原理示意图；

图2是磁声成像实验系统结构框图；

图3是本发明的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置结构示意图；

图4是本发明的时间校准示意图。

图中：

1：固定底座                        2：标尺

3：声传感器固定结构                4：校准导线

5：吸声块                          6：固定槽

7：固定螺孔                        8：固定卡

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置及校准方法做出详细说明。

本发明的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，包括：固定底座1，是由有机玻璃制成的长方体。所述固定底座长度、宽度和高度是根据具体声探头尺寸进行调整设计。如声传感器选用Pamametics V303传感器，则可选择有机玻璃长度30cm，宽度3cm，厚度3cm。所述的固定底座是由有机玻璃制成。设置在固定底座1一侧面的标尺2，所述标尺用于测量声探头外表面到两根校准导线距离。所述标尺选用塑料尺，也可以直接由激光光刻在固定底座侧面。尺长度、宽度根据所述固定底座长度设定，如固定底座长度30cm，宽度3cm，可选择宽度3cm左右，长度为30cm的塑料尺，使用双面胶或粘胶与固定底座边缘粘齐。

设置在固定底座1上端面一端的声传感器固定结构3，所述的声传感器固定结构3包括有：形成在固定底座1上的用于安放圆柱形声传感器的固定槽6，用于固定声传感器的固定卡8，所述的固定卡8设置有1～2个，形成在固定槽6两侧的用于固定固定卡8的固定螺孔7。

设置在固定底座1上端面另一端的吸声块5，所述吸声块用于吸收导线引线以及其他噪声源产生的噪声。所述的吸声块5的材质采用海绵或棉布。

连接在固定底座1上端面上的用于产生校准信号的校准导线4，所述的校准导线4是由第一校准导线4a和第二校准导线4b组成，是由普通铜导线构成。所述的第一校准导线4a和第二校准导线4b之间相隔距离d。距离d大小根据具体声传感器测量带宽设置，如选用Pamametics V303传感器，脉冲宽度为微妙量级，则d可选为5cm。所述的校准导线4与磁声成像实验系统的激励源连接，用于产生校准信号。

一种使用权利要求1所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的校准方法，其特征在于，包括有如下步骤：

1)首先将声传感器用固定卡和螺钉固定在用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的底座上，并将声传感器连接到磁声成像实验系统的检测处理单元；

2)调整第一校准导线(4a)和第二校准导线(4b)之间的距离，使该两者之间距离为d，并将两根校准导线连接到磁声成像实验系统的激励单元；

3)测量声传感器端面分别到第一校准导线(4a)和第二校准导线(4b)的距离l₁和l₂；

所述的距离l₁和l₂是通过用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置上的标尺读取。

4)将连接好的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置浸入声耦合剂中，使用磁声成像实验系统的激励单元产生激励信号；

5)记录校准波形S₀(t)；

所述的校准波形S₀(t)包括：三个脉冲，第1个脉冲为电磁耦合脉冲，第2、3个脉冲分别为第一校准导线(4a)和第二校准导线(4b)所对应的磁声耦合脉冲。测量校准波形S₀(t)的初始时刻电磁耦合脉冲t_induce，设t_induce＝0时刻；测量第一校准导线(4a)和第二校准导线(4b)对应峰值时刻t_a，t_b，计算峰值对应时间差Δt＝t_b-t_a；

由于声耦合剂为均匀介质，声速一致，设声传感器端面对应的时刻为t₀，则

$\frac{l_1}{t_a-t_0}=\frac{l_2}{t_b-t_o}$

可得，

即传感器端面对应时刻与电磁耦合脉冲t_induce时间差为t₀＝(l₁t_b-l₂t_a)/(l₁-l₂)。

6)将用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置换成成像目标进行成像实验，记录测量信号S₁(t)，S₂(t)，S₃(t)…；

7)则根据零时刻校准后，则各记录波形分别修正为S₁(t-t₀)，S₂(t-t₀)，S₃(t-t₀)。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，其特征在于，包括：固定底座（1），设置在固定底座（1）一侧面的标尺（2），设置在固定底座（1）上端面一端的声传感器固定结构（3），设置在固定底座（1）上端面另一端的吸声块（5），连接在固定底座（1）上端面上的用于产生校准信号的校准导线（4），所述的校准导线（4）与磁声成像实验系统的激励源连接，所述的校准导线（4）是由第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）组成，所述的第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）之间相隔距离d。

2.根据权利要求1所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，其特征在于，所述的固定底座是由有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，其特征在于，所述的声传感器固定结构（3）包括有：形成在固定底座（1）上的用于安放声传感器的固定槽（6），用于固定声传感器的固定卡（8），形成在固定槽（6）两侧的用于固定固定卡（8）的固定螺孔（7）。

4.根据权利要求3所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，其特征在于，所述的固定卡（8）设置有1～2个。

5.根据权利要求1所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置，其特征在于，所述的吸声块（5）的材质采用海绵或棉布。

6.一种使用权利要求1所述的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的校准方法，其特征在于，包括有如下步骤：

1）首先将声传感器用固定卡和螺钉固定在用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的底座上，并将声传感器连接到磁声成像实验系统的检测处理单元；

2）调整第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）之间的距离，使该两者之间距离为d，并将两根校准导线连接到磁声成像实验系统的激励单元；

3）测量声传感器端面分别到第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）的距离l₁和l₂；

4）将连接好的用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置浸入声耦合剂中，使用磁声成像实验系统的激励单元产生激励信号；

5）记录校准波形S₀(t)

所述的校准波形S₀(t)包括：三个脉冲，第1个脉冲为电磁耦合脉冲，第2、3个脉冲分别为第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）所对应的磁声耦合脉冲，测量校准波形S₀(t)的初始时刻电磁耦合脉冲t_induce，设t_induce=0时刻；测量第一校准导线（4a）和第二校准导线（4b）对应峰值时刻t_a，t_b，计算峰值对应时间差Δt=t_b-t_a；

由于声耦合剂为均匀介质，声速一致，设声传感器端面对应的时刻为t₀，则

$\frac{l_1}{t_a-t_0}=\frac{l_2}{t_b-t_o}$

可得，即传感器端面对应时刻与电磁耦合脉冲t_induce时间差为t₀=(l₁t_b-l₂t_a)/(l₁-l₂)；

6）将用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置换成成像目标进行成像实验，记录测量信号S₁(t),S₂(t),S₃(t)…；

7）则根据零时刻校准后，则各记录波形分别修正为S₁(t-t₀),S₂(t-t₀),S₃(t-t₀)。

7.根据权利要求6所述的使用用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置的校准方法，其特征在于，步骤3所述的距离l₁和l₂是通过用于磁声耦合成像的检测信号零点校准装置上的标尺读取。

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