CN102590625B - 磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法 - Google Patents

Abstract

一种磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法：确定传感器空间运动初始角度θ_A，终止角度θ_B，空间的步进角θ_step；驱动传感器至空间运动初始角度θ_A位置；分析确定待测信号的频段分布特征，待测磁声信号频段上下限ω_a和ω_b，及设定频率间隔ω_step；对待测磁声信号进行锁定放大，测得锁定频率ω_i下的幅值A_i，相位φ_i，并存储；判断当前锁定频率ω_i：调出所有频率对应的幅值A和相位φ信息；求得时域磁声信号波形y_j(t)；判断当前传感器空间运动角度θ_j是否为终止角度位置；调用存储的各个测量位置的时域波形，代入图像重建算法；重建组织电导率分布特性图像。本发明提高了微弱磁声信号的检测精度、磁声成像电导率成像分辨率。

Description

磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法

技术领域

本发明涉及一种频域检测处理方法。特别是涉及一种磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法

背景技术

感应式磁声成像技术是一种新型的生物组织电特性成像技术，它把生物组织电特性的改变所导致的电流变化，通过外加磁场转化为声信号进行检测，进而对组织电特性进行成像。生物组织内产生的磁声信号反映了组织代谢的差异和病变特征，基于磁声耦合效应的MAT-MI无损功能成像方法同时具有电阻抗成像高对比度及超声成像高空间分辨率的优点，对癌症等疾病的预防和早期诊断具有重要的研究价值。

磁声耦合成像的基本原理如图1所示，对置于稳恒磁场中的成像目标体，通过电极对目标体注入电流，电流受到洛仑兹力的作用，产生瞬间的位移，形成声波振动，并且振动的频率与注入的电流频率相同。此时，在体外利用声波换能器即可检测到声波响应，因此通过检测传感器信号波形，通过空间不同位置的扫描结合图象重建算法即可得到成像目标电特性分布信息。

由电磁学和声学理论可知，声压大小与稳恒磁场，目标内部电流密度、电参数密切相关

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

其中，

为超声在成像目标体中的传播速度，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。

因此，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，即模型电导率变化边界的位置对应较大声压信号幅值的变化。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。通过对介质外声信号的扫描检测，即可获得介质声源分布信息，从而重建介质声源分布的图像。

目前磁声耦合成像的声信号检测多采用时域检测的方法，该方法通过时域放大器和滤波器对磁声信号进行时域处理，由于信号放大后相对直观容易识别，同时图像重建算法较为简单，因此该方法成为目前磁声成像主要采用的信号检测方法。

然而，时域检测方法检测精度较低，同时在进行磁声激励时，高频磁场脉冲混入声信号响应，降低了信号信噪比，同时放大的脉冲干扰使放大器饱和过载，影响了声信号的检测放大，降低了检测精度。对磁声耦合成像技术相关的实验研究的广泛开展，以及磁声成像技术应用于临床检测，造成了一定的限制。

因此，研究和采用新的信号检测模式，提高声信号检测精度，和检测信号的信噪比，对于提高磁声成像电导率分辨率，提高诊断精度具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法

本发明所采用的技术方案是：一种磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其特征在于，在磁声耦合成像系统中进行如下步骤：

(1)确定传感器空间运动初始角度θ_A和终止角度θ_B，以及空间的步进角θ_step；

(2)由扫描驱动装置驱动传感器至空间运动初始角度θ_A位置处；

(3)根据激励信号，以及磁声耦合成像系统函数和传感器频响特征，分析确定待测信号的频段分布特征，待测磁声信号频段上下限ω_a和ω_b，及设定频率间隔ω_step；

(4)设锁定频率ω_i＝ω_a，对待测磁声信号进行锁定放大，测得锁定频率ω_i下的幅值A_i，相位φ_i，并存储；

(5)判断当前锁定频率ω_i：如果ω_i＜ω_b，则令ω_i＝ω_a+ω_step，再重复第(4)步骤继续进行在锁定频率ω_i下锁定放大求得幅值相位；否则转入第(6)步骤；

(6)调出所有频率对应的幅值A和相位φ信息；

(7)利用傅立叶逆变换，求得时域磁声信号波形y_j(t)；

(8)判断当前传感器空间运动角度θ_j是否为终止角度位置，若未达到终止角度位置，则返回步骤(3)；若达到终止角度位置时停止扫描，转入第(9)步骤。

(9)调用存储的各个测量位置的时域波形，代入图像重建算法；

(10)重建组织电导率分布特性图像。

进行步骤(2)的同时，由激励源对待成像目标进行激励，产生磁声耦合信号。

步骤(3)所述的分析是采用傅立叶变换进行的。

步骤(8)所述的判断当前传感器空间运动角度θ_j是否为终止位置是判断：是否为θ_j＜θ_B。

步骤(7)还包括存储域磁声信号波形y_j(t)。

步骤(9)所述的图像重建算法是：再利用傅里叶逆变换，结合格林函数法，建立三维柱坐标系，利用洛伦兹力散度法，推出声源重建公式为

$\▿\·(J\×B_0)=-\frac{1}{2\mathrm{\π}{c}^3}{\∫\∫}_{S_0}d{S}_0\sqrt{1-\frac{{(z_0-z)}^2}{{|r-r_0|}_2}\frac{1}{t}}\×\frac{{\∂}^{2}p(r_0,t)}{{\∂t}^2}{|}_{t=|r-r_o|/c}$

其中，π为圆周率，c为真空中电磁波传播速度，S₀为积分曲面，r为待成像目标空间矢量，r₀为观测点位置，z₀为观测点柱坐标中z方向分量，z为待成像目标空间矢量z方向分量，t为时间，B₀为静磁场，。

根据麦克斯韦方程组，以及电磁场边界条件，进一步推出待测组织的电导率

$\mathrm{\σ}\left(r\right)=\frac{|\▿\·(J\×B_0)|}{|B_1\×B_0|}$

其中，B₁为交变磁场，

利用上述声源重建公式和待测组织的电导率公式即求得待成像组织电导率分布图像。

本发明的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，克服了传统时域成像信噪比较低的缺陷，提高了磁声成像的抗噪声性能，有利于提高信号和重建图像的信噪比。同时引入锁定放大技术用于磁声耦合成像方法，提高了微弱磁声信号的检测精度、磁声成像电导率成像分辨率，有利于提高早期肿瘤的诊断精度。

附图说明

图1是磁声成像的原理图

图2是磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法流程图

图3是磁声耦合成像实验系统

图4是磁声信号频谱

图5是磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法模拟结果

其中，(a)为待测原始信号；(b)为原始信号的幅度谱；(c)为原始信号的相位谱；(d)为频域采样幅值和相位信息；(e)为使用本发明所述方法的波形处理结果。

图中：

1：成像目标  2：N极磁铁

3：S极磁铁   4：激励源

5：传感器    6：扫描驱动装置

7：检测处理器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法做出详细说明。

本发明的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，是在磁声信号频段范围内，引入锁定放大技术，在频域内实现微弱声信号的检测。由于在频域内滤波相对容易，避免了高频磁场脉冲噪声对信号检测放大的干扰，提高了信噪比。同时采用锁定放大技术，使得磁声信号检测精度得到明显提高，可实现nV级微弱声信号的检测。本发明的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，主要由空间扫描和频域信号检测处理两个功能模块组成。

所述频域信号检测处理模块由放大单元，频域扫描单元和波形变换单元三部分组成。所述放大单元实现磁声耦合微弱声信号的锁定放大，利用锁定放大器测量得到对应频率成分的幅值和相位。所述频域滤波单元实现对磁声信号频段内进行频率采样，滤除频带外部噪声干扰。所述波形变换单元实现波形信号由频域到时域的转换。所述波形变换单元使用傅里叶逆变换方法计算得到波形。所述空间扫描功能模块实现空间上驱动传感器沿着扫描轨迹运动，检测不同空间位置的磁声信号。

本发明的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其工作过程是在如图3所示的磁声耦合成像系统中进行如下步骤：

(1)确定传感器5空间运动初始角度θ_A和终止角度θ_B，以及空间的步进角θ_step，这里所述的传感器可以选择超声传感器或位移传感器等；

(2)由扫描驱动装置6驱动传感器5至空间运动初始角度θ_A位置处，同时，由激励源4对待成像目标1进行激励，产生磁声耦合信号；

(3)根据激励信号，以及磁声耦合成像系统函数和传感器频响特征，分析确定待测信号的频段分布特征，待测磁声信号频段上下限ω_a和ω_b，及设定频率间隔ω_step，所述的分析是采用傅立叶变换进行的；所述的成像系统函数由磁声成像系统的各仪器频响曲线决定，因此可通过各仪器的规格参数说明书获得；传感器频响特征，在传感器参数规格说明书中给出。

(4)设锁定频率ω_i＝ω_a，对待测磁声信号进行锁定放大，测得锁定频率ω_i下的幅值A_i，相位φ_i，并存储；

(5)判断当前锁定频率ω_i：如果ω_i＜ω_b，则令ω_i＝ω_a+ω_step，再重复第(4)步骤继续进行在锁定频率ω_i下锁定放大求得幅值相位；否则转入第(6)步骤；

(6)调出所有频率对应的幅值A和相位φ信息；

(7)利用傅立叶逆变换(IFFT)，求得时域磁声信号波形y_j(t)，并存储域磁声信号波形y_j(t)；

(8)判断当前传感器5空间运动角度θ_j是否为终止角度位置，若未达到终止角度位置，则返回步骤(3)；若达到终止角度位置(θ_j＝θ_B)时停止扫描，转入第(9)步骤，所述的判断当前传感器5空间运动角度θ_j是否为终止位置是判断：是否为θ_j＜θ_B。

(9)调用存储的各个测量位置的时域波形，代入图像重建算法；

所述的图像重建算法是：

再利用傅里叶逆变换，结合格林函数法，建立三维柱坐标系，利用洛伦兹力散度法，推出声源重建公式为

$\▿\·(J\×B_0)=-\frac{1}{2\mathrm{\π}{c}^3}{\∫\∫}_{S_0}d{S}_0\sqrt{1-\frac{{(z_0-z)}^2}{{|r-r_0|}_2}\frac{1}{t}}\×\frac{{\∂}^{2}p(r_0,t)}{{\∂t}^2}{|}_{t=|r-r_o|/c}---\left(1\right)$

其中，π为圆周率，c为真空中电磁波传播速度，S₀为积分曲面，r为待成像目标空间矢量，r₀为观测点位置，z₀为观测点柱坐标中z方向分量，z为待成像目标空间矢量z方向分量，t为时间，B₀为静磁场，。

根据麦克斯韦方程组，以及电磁场边界条件，进一步推出待测组织的电导率

$\mathrm{\σ}\left(r\right)=\frac{|\▿\·(J\×B_0)|}{|B_1\×B_0|}---\left(2\right)$

其中，B₁为交变磁场。

利用公式(1)、(2)即可求得待成像组织电导率分布图像。

(10)重建组织电导率分布特性图像。

下面如图3所示，以简单的圆环模型为例，对其进行磁声耦合成像，传感器5由空间扫描驱动装置6驱动，可沿圆形轨道进行圆周运动，待测目标1置于静磁场2、3中，由激励源4对待成像目标进行激励，产生的磁声耦合信号，由传感器5检测，最后由检测处理器7对微弱声信号频域检测处理。

以Olympus V303超声换能器为例，其中心频率为1MHz，若采用1MHz单正弦脉冲作为激励，则磁声信号频谱如图4所示，其频段范围约在100kHz-1.6MHz，选择扫描频率上下限ω_a＝0.1MHz/2π，ω_b＝1.6MHz/2π，同时考虑到频率精度和存储空间，可选择频率间隔ω_step＝1.5×10^-4MHz/2π。

即在ω_a＝0.1MHz，ω_a+ω_step＝0.2MHz，ω_a+2ω_step＝0.3MHz，……ω_b＝1.6MHz频率位置进行锁定放大。

同时设置圆周扫描轨道半径10cm，考虑到激励导线的影响，以及空间扫描精度，初始角度θ_A＝0°和终止角度θ_B＝330°，以及空间的步进角θ_step＝2.5°。

即在θ_A＝0°，θ_A+θ_step＝2.5°，θ_A+2θ_step＝5°，……θ_B＝330°各空间角度位置进行磁声信号测量。

1、首先由激励单元输出，对成像目标圆环进行激励，产生磁声耦合信号；

2、然后由空间扫描装置驱动传感器位于0°位置，

3、由锁定放大器在0.1MHz，0.2MHz，.0.3MHz……1.6MHz各频率，对磁声锁定放大，分别测量出各频率的幅值和相位值，进行傅里叶逆变换，得到该角度下磁声信号y₀(t)，并存储记录。

4、由空间扫描装置驱动传感器转动θ_step＝2.5°5°，……330°，并在各位置分别利用第3步的频域检测处理方法，计算并存储各位置处磁声信号y_j(t)，直至达到330°扫描角度。

5、调用各位置处磁声信号，利用图像重建算法，重建电阻率分布图像。

为了具体说明本发明，如图5所示，以正弦脉冲仿真信号作为待测磁声耦合信号，运用本发明所述磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，对该仿真信号进行频域分析与处理。

如图5(a)所示，由计算机仿真产生正弦脉冲信号，作为待测磁声信号；如图5(b)和(c)所示，对其进行傅里叶变换，得到频域内该信号幅度谱与相位谱；如图5(c)所示，对其进行频域扫描，得到的幅值和相位信息；如图5(e)所示，利用傅里叶逆变换(IFFT)计算得到时域的磁声信号波形。从而实现了磁声信号的频域检测和处理，其结果与图5(a)所示的待测原始波形信号一致。

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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其特征在于，在磁声耦合成像系统中进行如下步骤：

（1）确定传感器（5）空间运动初始角度θ_A和终止角度θ_B，以及空间的步进角θ_step；

（2）由扫描驱动装置（6）驱动传感器（5）至空间运动初始角度θ_A位置处；

（3）根据激励信号，以及磁声耦合成像系统函数和传感器频响特征，分析确定待测磁声信号的频段分布特征，待测磁声信号频段上下限ω_a和ω_b，及设定频率间隔ω_step；

（4）（a）设锁定频率ω_i=ω_a；（b）对待测磁声信号进行锁定放大，测得锁定频率ω_i下的幅值A_i，相位

并存储；

（5）判断当前锁定频率ω_i：如果ω_i<ω_b，则将当前锁定频率加上频率间隔ω_step，更新锁定频率ω_i为加上频率间隔ω_step后的值，再重复第（4）步骤中（b）步继续进行在锁定频率ω_i下锁定放大求得幅值相位；否则转入第（6）步骤；

（6）调出所有频率对应的幅值和相位信息；

（7）利用傅立叶逆变换，求得时域磁声信号波形，并存储时域磁声信号波形；

（8）判断当前传感器（5）空间运动角度θ_j是否为终止角度位置，若未达到终止角度位置，则返回步骤（3）；若达到终止角度位置时停止扫描，转入第（9）步骤；

（9）调用存储的各个测量位置的时域磁声信号波形，代入图像重建算法，所述图像重建算法是：

再利用傅立叶逆变换，结合格林函数法，建立三维柱坐标系，利用洛伦兹力散度法，推出声源重建公式为

$\&dtri;\&CenterDot;(J\&times;B_0)=-\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;c}}^3}{\&Integral;\&Integral;}_{S_0}{\mathrm{ds}}_0\sqrt{1-\frac{{(z_0-z)}^2}{{|r-r_0|}_2}\frac{1}{t}}\&times;\frac{{\&PartialD;}^{2}p(r_0,t)}{{\&PartialD;t}^2}{|}_{t=|r-r_0|/c}$

其中，π为圆周率，c为真空中电磁波传播速度，S₀为积分曲面，r为待成像目标空间矢量，r₀为观测点位置，z₀为观测点柱坐标中z方向分量，z为待成像目标空间矢量z方向分量，t为时间，B₀为静磁场，p(r₀,t)为时域磁声信号波形，J为激励电流密度，

根据麦克斯韦方程组，以及电磁场边界条件，进一步推出待测组织的电导率

$\mathrm{\&sigma;}\left(r\right)=\frac{|\&dtri;\&CenterDot;(J\&times;B_0)|}{|B_1\&times;B_0|}$

其中，B₁为交变磁场，

利用上述声源重建公式和待测组织的电导率公式即求得待成像组织电导率分布图像；

（10）重建组织电导率分布特性图像。

2.根据权利要求1所述的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其特征在于，进行步骤（2）的同时，由激励源（4）对待成像目标（1）进行激励，产生磁声耦合信号。

3.根据权利要求1所述的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其特征在于，步骤（3）所述的分析是采用傅立叶变换进行的。

4.根据权利要求1所述的磁声耦合成像的微弱声信号频域检测处理方法，其特征在于，步骤（8）所述的判断当前传感器（5）空间运动角度θ_j是否为终止位置是判断：是否为θ_j<θ_B。

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