CN104013388A - 基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置，装置有低频连续波的激励信号生成和低频连续磁声信号的检测两部分，激励信号生成，是使用低频连续波对成像样本进行激励，激励波形采用连续正弦波或具有占空比的连续正弦脉冲波实现，激励信号频率根据成像样本和空间定位精度确定；低频连续磁声信号的检测，是采用连续波信号检测或锁相放大方法实现。方法是生成低频连续波的激励信号的函数发生器，与函数发生器输出相连对输出的激励信号进行放大的功率放大器，功率放大器的输出连接置于磁场中的被测样本，函数发生器的输出还连接检测器。本发明简化了实验装置，降低了激励源设计难度，在一定程度上提高了该成像方法的应用安全性。

Description

基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁声耦合成像激励与检测。特别是涉及一种基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置。

背景技术

生物组织电特性反映了组织的生理病理状态，对于生物组织电特性进行检测和成像，有利于相关疾病的早期诊断。磁声耦合成像技术是一种新型的生物组织电特性成像技术，它基于霍尔效应原理，将交变电流激励施加于生物组织，同时外加磁场，将组织电参数信息转化为声信号，实现生物组织电特性的检测和成像。

由于生物组织内产生的磁声信号反映了组织的生理和病理特征，其与传统的超声成像、X射线成像等结构成像方法相比，磁声成像方法可实现组织功能病变的早期诊断。其次，磁声成像将组织电特性参数转化成声信号检测成像，声信号的直线传播特性避免了电阻抗成像电流的弥散效应，有利于提高成像分辨率精度。因此，基于磁声耦合效应的无损功能成像方法，同时具有高对比度及高空间分辨率的特点，对肿瘤等疾病的早期诊断具有重要的研究价值。

目前磁声成像研究中，最主要的技术难点在于激励信号源的设计实现。为了达到磁声成像的mm级空间分辨率并提高图像对比度，信号激励源通常采用10kV级高压μs脉宽的短脉冲发生装置输出激励，而设计实现该高输出窄脉冲激励源，涉及高速高压开关及其控制技术，实现起来具有一定难度，增加了成像装置成本，同时高压输出在应用的安全性上存在潜在的问题。目前磁声耦合成像窄脉冲大功率激励源设计实现难度较大，设计实现该高输出窄脉冲激励源，涉及高速高压开关及其控制技术，实现起来具有一定难度，增加了成像装置成本，同时高压输出在应用的安全性上存在潜在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现磁声耦合成像，降低激励源设计实现难度的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，包括低频连续波的激励信号生成和低频连续磁声信号的检测两部分，其中，所述激励信号生成，是使用低频连续波对成像样本进行激励，激励波形采用连续正弦波或具有占空比的连续正弦脉冲波实现，激励信号频率根据成像样本和空间定位精度确定；所述低频连续磁声信号的检测，是采用连续波信号检测或锁相放大方法实现。

具体如正步骤：

1)选择低频连续波的激励波形；

2)选择低频连续波的激励频率，包括：

(1)选择低频连续波的激励频率下限；

(2)选择低频连续波的激励频率上限；

3)由信号源输出步骤1)和步骤2)得到的激励信号，以与所述激励信号同频率的同步参考信号；

4)进行低频连续磁声信号的检测，包括对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大或对低频连续磁声信号的幅值和相位进行连续波信号检测。

步骤1)中所述的低频连续波的激励波形的选择，是根据频域内的冲激函数进行傅立叶逆变换，所选择的激励波形为连续正弦波。

步骤1)中所述的低频连续波的激励波形的选择，是根据频域内的冲激函数进行短时傅立叶逆变换，所选择的激励波形为具有占空比的连续正弦脉冲波。

步骤2)中所述的选择低频连续波的激励频率下限要满足

$f\≥\frac{\mathrm{PHA}}{360}\frac{c}{l_i}---\left(7\right)$

其中f为激励信号频率，PHA为成像需要的相位角精度，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速；

同时，所述激励频率还要大于生命活动的声波频率1－2kHz，即

f≥2kHz                    (8)。

步骤2)中所述的选择低频连续波的激励频率上限要满足，待成像样本尺寸对应相位变化在360°相位范围之内，以避免出现不同空间位置对应相同相位的情况，即

l_if≤c                        (9)

其中，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速。

步骤4)中是根据步骤3)中给出的同步参考信号对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大。

一种基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的装置，包括：生成低频连续波的激励信号的函数发生器，与所述的函数发生器输出相连对输出的激励信号进行放大的功率放大器，所述功率放大器的输出连接置于磁场中的被测样本，所述的函数发生器的输出还连接用于从样本中得到的磁声信号的检测器。

所述的检测器(3)为锁相放大器，或由对样本(4)的磁声信号进行放大的放大器和根据函数发生器(1)输出的同步信号采集放大器输出信号的数据采集卡构成。

本发明的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置，采用低频(kHz)连续正弦信号激励，配合所述连续波检测方法对磁声信号检测，一方面，低频激励声信号在空气中衰减小，其成像过程无需使用液体声耦合剂，简化实验装置，另一方面所述低频连续波激励方式激励采用普通的函数发生器即可实现，降低了激励源设计难度，在一定程度上提高了该成像方法的应用安全性。

附图说明

图1是本发明基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的原理图；

图2是用于本发明基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的装置示意图；

图3a是本发明基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的激励信号仿真结果；

图3b是本发明基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的磁响应信号仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法及装置做出详细说明。

本发明的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，包括低频连续波的激励信号生成和低频连续磁声信号的检测两部分，其中，所述激励信号生成，是使用低频连续波对成像样本进行激励，激励波形采用连续正弦波或具有占空比的连续正弦脉冲波实现，激励信号频率根据成像样本和空间定位精度确定；所述低频连续磁声信号的检测，是采用连续波信号检测或锁相放大方法实现。

本发明的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的理论依据是：

根据磁声耦合效应波动方程

${\▿}^{2}p(r,t)-\frac{1}{c^2}\frac{\∂}{\∂t^2}p(r,t)=(\▿\·F)\mathrm{\δ}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中p(r,t)为磁声耦合声信号，F为介质质点受到的洛伦兹力密度，若设电流密度为J，静磁场为B₀，则F＝J×B₀，δ(t)为冲激脉冲激励，c为介质中的声速。

对于任意激励的函数，则激励为函数与冲激的卷积

${\▿}^{2}p(r,t)-\frac{1}{c^2}\frac{\∂}{\∂t^2}p(r,t)=(\▿\·F)\mathrm{\δ}\left(t\right)\⊗s\left(t\right)---\left(2\right)$

对应磁声信号时域解为

$p(r,t)=-s\left(t\right)\⊗h\left(t\right)\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{v}{\∫\∫\∫}\mathrm{dr}(\▿\·F)\frac{\mathrm{\δ}(t-\frac{|r_i-r_0|}{c})}{|r_i-r_0|}---\left(3\right)$

其中s(t)为激励函数，h(t)磁声成像系统的冲激响应。为介质声源项，根据本构关系欧姆定律

J＝σE                      (4)

可见，声源项包含了介质的电导率信息。为延迟项，反映了介质中各质点到检测器距离形成的相位延迟。为声波在距离上的传输系数，反映在测量的幅值信息。

因此，磁声信号即为介质声源与延迟在检测点r0处的空间积分。

当采用5kHz激励时，声源a洛伦兹力密度散度为1kgS^-2m^-3，检测器距离由0.001m-0.12m以0.1mm为步长变化，计算频域磁声信号。则5kHz频率下幅值和相位随距离变化特性曲线如图3a、图3b所示。

当采用连续波激励时，根据上述分析可见，磁声信号包含了待测组织的电导率参数信息，通过对连续波磁声信号的检测和图像重建，可以获得组织电导率分布图像。

传统磁声成像中，成像分辨率与磁声信号的脉冲宽度有关，而由(3)式，磁声信号脉冲形状和宽度与激励脉冲和系统函数相关，因此传统磁声成像方法通常选择短脉冲逼近冲激函数进行激励，以提高分辨率，并使用对应频率的声传感器进行声信号接收。

本发明的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，具体步骤如下：

1)选择低频连续波的激励波形，所述的低频连续波的激励波形的选择，是根据频域内的冲激函数进行傅立叶逆变换，所选择的激励波形为连续正弦波，或者是根据频域内的冲激函数进行短时傅立叶逆变换，所选择的激励波形为具有占空比的连续正弦脉冲波；

根据傅立叶变换分析可知，时域窄脉冲宽度与对应的频谱宽度成反比，为了提高磁声信号在频域内的分辨率，因此本发明采用连续波激励方式。由于正弦信号的频域内频谱集中，为冲激函数，便于进行频频内对应频率的检测，同时考虑到激励信号的实验难度，因此所述低频连续波激励方法，使用正弦信号进行激励。

2)选择低频连续波的激励频率，包括：

(1)选择低频连续波的激励频率下限，

为了提高频域信号测量精度，选择连续正弦信号进行激励。根据(3)式，空间距离产生的传播时间延迟，反映在频域的相位变化上，如图1所示，设相位为PHA，对应的传播距离l_i，正弦激励周期为T，频率f，在频率一定时，由距离产生的时间延迟dt与相位PHA呈现线性关系。

则声源距离传感器的空间距离与相位延迟之间的对应关系为：

$\frac{\mathrm{PHA}}{360}=\frac{l_i}{\mathrm{cT}}---\left(5\right)$

则由声源传播距离引起的相位延迟为

$\mathrm{PHA}=\frac{360}{c}{l}_{i}f---\left(6\right)$

(6)式表明，对于垂直于传感器轴向法线的边界声源样本进行成像，其磁声信号的相位与激励频率成正比。频率越高，固定尺寸样本对应的频域相位越大，即相位对尺寸灵敏度越高。

所以，所述的选择低频连续波的激励频率下限要满足

$f\≥\frac{\mathrm{PHA}}{360}\frac{c}{l_i}---\left(7\right)$

其中f为激励信号频率，PHA为成像需要的相位角精度，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速；

同时考虑到生物组织骨骼运动，呼吸等生命活动产生的声频率约在1kHz以下，为使检测更不容易受到上述噪声影响，因此应适当提高信号激励频率，选择激励频率应在1-2kHz以上。即

f≥2kHz               (8)；

(2)选择低频连续波的激励频率上限，在进行连续波检测时，实际采用的相位检测仪器如锁相放大器，或数据采集卡采集后进行处理时，相位测量角度为-180°至180°范围内。

当成像样本超过一个周期长度，将会出现不同长度对应相同相位的情况。

综合上述因素，为保证成像不受多周期相位重复的影响，应使激励频率满足待成像介质长度对应的相位延迟在一个周期内，所述的选择低频连续波的激励频率上限要满足，待成像样本尺寸对应相位变化在360°相位范围之内，以避免出现不同空间位置对应相同相位的情况，即理想的频率和成像空间长度关系应满足

l_if≤c                    (9)

其中，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速；

考虑到人体组织，软组织中声速约为1500m/s，l_if≤1500，对于通常的人体成像，腹部的尺寸约在30cm，同时适当提高检测精度，则频率应选择在5kHz。其对应1cm长度的相位变化分别为8.3°。

3)由信号源输出步骤1)和步骤2)得到的激励信号，以及与所述激励信号同频率的同步参考信号，是根据步骤3)中给出的同步参考信号对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大；

4)进行低频连续磁声信号的检测，包括对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大或对低频连续磁声信号的幅值和相位进行连续波信号检测。

即磁声信号的幅值和相位可采用锁相放大器进行检测，实际使用中，可由激励方法中由信号源提供同步参考信号，则锁相放大器可根据参考信号输出对应频率下的幅值和相位，实现检测，获得介质声源和电导率信息。

或采用常用的放大器和数据采集卡进行磁声信号的放大检测，并根据输入波形和测量的磁声信号波形进行互相关运算，计算相位延迟，从而获得介质声源信息和电导率信息。

其中A B分别为参考信号幅值和检测信号幅值，为参考信号和检测信号的互相关函数。为待测信号相位差。

如图2所示，本发明的用于基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的装置，包括：生成低频连续波的激励信号的函数发生器1，与所述的函数发生器1输出相连对输出的激励信号进行放大的功率放大器2，所述功率放大器2的输出连接置于磁场5中的被测样本4，所述的函数发生器1的输出还连接用于从样本4中得到的磁声信号的检测器3。所述的检测器3为锁相放大器，或由对样本4的磁声信号进行放大的放大器和根据函数发生器1输出的同步信号采集放大器输出信号的数据采集卡构成。

其中函数发生器1可采用NF公司WF1973函数发生器实现，功率放大器2可采用NF公司HSA4101双极性放大器实现。

检测器3可采用声望公司的HP201传声器连接NF公司的LI5620锁相放大器实现，或采用声望公司的HP201传声器连接NF公司的5307差分放大器及NI公司的PXIe-5122采集卡实现。

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 (9)

1.一种基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，包括低频连续波的激励信号生成和低频连续磁声信号的检测两部分，其中，所述激励信号生成，是使用低频连续波对成像样本进行激励，激励波形采用连续正弦波或具有占空比的连续正弦脉冲波实现，激励信号频率根据成像样本和空间定位精度确定；所述低频连续磁声信号的检测，是采用连续波信号检测或锁相放大方法实现。

2.根据权利要求1所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，具体如正步骤：

1)选择低频连续波的激励波形；

2)选择低频连续波的激励频率，包括：

(1)选择低频连续波的激励频率下限；

(2)选择低频连续波的激励频率上限；

3)由信号源输出步骤1)和步骤2)得到的激励信号，以与所述激励信号同频率的同步参考信号；

4)进行低频连续磁声信号的检测，包括对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大或对低频连续磁声信号的幅值和相位进行连续波信号检测。

3.根据权利要求2所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，步骤1)中所述的低频连续波的激励波形的选择，是根据频域内的冲激函数进行傅立叶逆变换，所选择的激励波形为连续正弦波。

4.根据权利要求2所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，步骤1)中所述的低频连续波的激励波形的选择，是根据频域内的冲激函数进行短时傅立叶逆变换，所选择的激励波形为具有占空比的连续正弦脉冲波。

5.根据权利要求2所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，步骤2)中所述的选择低频连续波的激励频率下限要满足

$f\≥\frac{\mathrm{PHA}}{360}\frac{c}{l_i}---\left(7\right)$

其中f为激励信号频率，PHA为成像需要的相位角精度，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速；

同时，所述激励频率还要大于生命活动的声波频率1－2kHz，即

f≥2kHz                   (8)。

6.根据权利要求2所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，步骤2)中所述的选择低频连续波的激励频率上限要满足，待成像样本尺寸对应相位变化在360°相位范围之内，以避免出现不同空间位置对应相同相位的情况，即

l_if≤c                       (9)

其中，l_i为待成像样本的长度，c为声信号在介质中的声速。

7.根据权利要求2所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法，其特征在于，步骤4)中是根据步骤3)中给出的同步参考信号对低频连续磁声信号的幅值和相位进行锁相放大。

8.一种用于权利要求1～7所述的基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的装置，其特征在于，包括：生成低频连续波的激励信号的函数发生器(1)，与所述的函数发生器(1)输出相连对输出的激励信号进行放大的功率放大器(2)，所述功率放大器(2)的输出连接置于磁场(5)中的被测样本(4)，所述的函数发生器(1)的输出还连接用于从样本(4)中得到的磁声信号的检测器(3)。

9.根据权利要求8所述的用于基于低频连续波的磁声耦合成像激励与检测方法的装置，其特征在于，所述的检测器(3)为锁相放大器，或由对样本(4)的磁声信号进行放大的放大器和根据函数发生器(1)输出的同步信号采集放大器输出信号的数据采集卡构成。