CN104146708A - 一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置，方法：测试声换能器接收特性声场分布，建立声换能器模型；设定磁声实验的初始条件，基于声换能器模型和电导率仿真模型，获取声换能器接收的声压数据；对声压数据进行磁声图像重建。装置有声场分布检测系统和用于磁声图像重建系统，磁声图像重建系统有磁声成像实验装置，输入端与设置在磁声成像实验装置中的声换能器相连的磁声信号的数据采集卡，数据采集卡的输出端连接差分放大器，输入端与差分放大器的输出端相连的图像重建工作站，与图像重建工作站的输出端相连的显示设备。本发明方法获得的重建电导率分布图像能够降低在不同声换能器检测下带来的伪影，重建图像与原始图像的差异度很小。

Description

一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁声图像重建方法。特别是涉及一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置。

背景技术

磁声耦合成像基于电磁声耦合原理，通过在电磁作用下产生的洛伦兹力耦合，激发声波被外界检测进而对组织进行电导率功能成像的技术。其目的是，在组织密度发生改变之前的电特性(电导率)变化进行检测，从而为疾病尤其是肿瘤的早期诊断提供依据。磁声耦合成像技术将阻抗成像技术与超声成像技术结合起来，发挥两种成像技术的长处，主要体现在磁场激励不会受到体表的低电导率组织影响，屏蔽效应小，重建图像具有较高的对比度和分辨率。目前该技术已经成为功能成像领域一个新的研究热点。

在磁声成像中，磁场、感应涡电流及声压是时间和空间的函数，根据生物组织中电场磁场声场的机电耦合机制，声压分布由如下波动方程表示： ${\▿}^{2}p(\stackrel{\→}{r},t)-\frac{1}{c_s^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}p(\stackrel{\→}{r},t)=\▿\·[\stackrel{\→}{J}(\stackrel{\→}{r},t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0]$

其中c_s是声在组织中传播的速度，是声压场的时空分布，是感应涡流密度，为无界空间中的任一点，是声振源。

可以从上述波动方程式得出，在已知稳恒磁场和激励电压的情况下，对于一定电导率分布的成像体，声源分布与组织的电导率分布有关，而声源又经过传播得到声压分布场，该场与检测到的声压有关。因此利用声换能器在体外检测声信号，便可反映成像体内部电导率的分布。

经过对现有方法的检索，磁声成像实验基本都建立在理想声信号检测系统下，并未考虑真实的换能器特性。这就造成对不同声换能器，其具有不同的接收特性。目前基于点接收特性的图像重建算法势必会造成重建图像出现伪影。由于检测声信号含有成像体的电导率信息，而声换能器的接收特性，影响检测声信号的强度，最终影响图像的重建效果和质量。为了验证声换能器特性对磁声成像的影响，本方法针对不同扫描方式建立基于声换能器接收特性重建算法，在声换能器模型基础上完善了磁声成像三维正逆问题求解。因此对基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，是磁声成像信号分析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，提供一种能够使声换能器在任意声检测系统下都适用的基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，包括如下步骤：

1)测试声换能器接收特性声场分布，建立声换能器模型；

2)设定磁声实验的初始条件，基于声换能器模型和电导率仿真模型，获取声换能器接收的声压数据；

3)对步骤2)中获得的声压数据进行磁声图像重建，所述的磁声图像重建是采用重建算法，具体是采用最小二乘法或最小二范数法对磁声过程变换矩阵进行广义逆求解，将磁声图像重建过程转化为逆矩阵求解问题，通过声换能器接收的声压数据，重建原始声源分布及原始电导率分布图像。

所述步骤1)所述的建立声换能器模型，是对声场分布的测量采用声场分布检测系统，对待测声换能器施加脉冲超声激励，同时采用频响范围250kHz～45Mz的膜式水听器作为接收器，通过输入激励和输出激励得到声换能器在膜式水听器位置处的一个接收特性，在一个立方体区域内对声换能器扫描，得到所述声换能器的接收特性分布，对扫描结果数据经过三次曲线插值平滑方法建立声换能器接收特性分布模型。

步骤2)中所述的磁声实验的初始条件包括；扫描半径、静磁场强度、介质中声传播速度和电流密度大小。

步骤2)中如果所述的电导率仿真模型还未建立，则首先要用3D phantom结构模型构建电导率仿真模型，所述电导率仿真模型的建立过程是：参考CT成像S-L模型的几何结构，所述S-L模型是由10个大小不等，偏向角各不相同的椭球嵌套组成，S-L模型内部分布代表不同的CT值，针对组织电导率分布的特性对10个椭球的电导率分别赋值，建立一个用于磁声成像研究的电导率仿真模型。

步骤2)中所述的获取声换能器接收的声压数据，是根据实际声换能器的声场分布及声传播方程建立基于声换能器声场分布的声传播方程，对基于声换能器声场分布的声传播方程采用有限差分方法离散化为矩阵方程，求解矩阵方程得到声压数据，其中，所述的基于声换能器声场分布的声传播方程是：

$p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)=-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫\∫}\mathrm{dr}\▿\·[\stackrel{\→}{J}(\stackrel{\→}{r},t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0]w_{{\stackrel{\→}{r}}_d}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\mathrm{\δ}(t-|\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_d|/c_s),$

式中：为在位置的声压值，为位置的电流密度值，为静磁场强度，Ω为求解空间，计算式是声源分布，是声换能器接收特性分布，δ(·)表示冲激函数，c_s表示声波在空间中的传播速度。

所述的矩阵方程是AX＝B，其中，A是磁声过程变换矩阵，是通过步骤1)中所述的声换能器模型获得，表达式为：X是声源的矢量形式，即B是声压数据，即

步骤3)中所述的广义逆求解是采用如下公式：

$\stackrel{\→}{J}({\stackrel{\→}{r}}_m,t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0=\mathrm{\α}\underset{d}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{t}\frac{\∂p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)}{\∂t}\mathrm{\Ψ}({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_d),$ 其中，为位置声源的矢量形式，α为一常数，可令其等于1，表示声压数据对时间t的偏导数，为磁声过程变换矩阵A的广义逆，表达式为：Ψ_x为广义逆矩阵x方向分量，Ψ_y为广义逆矩阵y方向分量，Ψ_z为广义逆矩阵z方向分量。

一种用于基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法的装置，包括有用于测试声换能器接收特性声场分布的声场分布检测系统和用于磁声图像重建系统，所述的磁声图像重建系统包括有，对声换能器提供磁声信号的磁声成像实验装置，输入端与设置在磁声成像实验装置中的声换能器相连，用于接收声换能器获取的磁声信号的数据采集卡，所述的数据采集卡的输出端连接对获取的磁声信号进行放大的差分放大器，输入端与所述的差分放大器的输出端相连，用于接收并存储经差分放大器放大后的磁声信号，并根据所述放大后的磁声信号重建磁声图像的图像重建工作站，与所述的图像重建工作站的输出端相连用于显示重建磁声图像的显示设备。

本发明的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置，可对一般声检测系统下重建磁声声源分布及组织电导率分布，重建图像与原始图像的差异度很小。该算法也适用于一般磁声实验信号图像重建。本发明方法获得的重建电导率分布图像能够降低在不同声换能器检测下带来的伪影，重建图像与原始图像的差异度很小。本发明能够使声换能器在任意声检测系统下都适用。

附图说明

图1是本发明基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法的流程图；

图2是本发明所用的AMS声场分布检测系统框图；

图3a是磁声成像球面扫描模式；

图3b是磁声成像柱面扫描模式；

图4a是球面扫描模式下图像重建结果；

图4b是柱面扫描模式下图像重建结果；

图5a是横断面原始声源分布图；

图5b是球面扫描模式下横断面原始声源分布图；

图5c是柱面扫描模式下横断面原始声源分布图；

图6是用于本发明方法的磁声图像重建系统的结构示意图。

图中，

1：磁声成像实验装置    2：声换能器

3：数据采集卡          4：差分放大器

5：图像重建工作站      6：显示设备

7：PC控制显示端        8：超声激励单元

9：步进电机            10：膜式水听器

11：水箱               12：示波器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置做出详细说明。

本发明的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法及装置，采用测试声换能器接收特性场分布来建立声换能器模型，该声换能器模型可以反映声换能器对接收声信号的影响程度。基于该声换能器模型，获取仿真声压数据。建立基于声换能器重建算法，对获得的仿真声压数据进行图像重建。根据实际声换能器条件，修改模型中的参数，进一步检测在不同条件下算法的稳定性及适用性，并分析重建图像的相对误差及相关系数。

本发明的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，包括如下步骤：

1)测试声换能器接收特性声场分布，建立声换能器模型；

所述的建立声换能器模型，对声场分布的测量采用图2所示的声场分布检测系统(AMS)对声换能器的接收特性进行检测，在声场分布检测系统中对待测声换能器施加脉冲超声激励，该脉冲激励由PC端控制。同时采用频响范围250kHz～45Mz的膜式水听器作为接收器，膜式水听器的输出经过示波器显示最终被PC端接收，PC端通过输入激励和输出激励得到声换能器在膜式水听器位置处的一个接收特性，PC端通过步进电机控制在一个立方体区域内对声换能器扫描，得到所述声换能器的接收特性分布，对扫描结果数据经过三次曲线插值平滑方法建立声换能器接收特性分布

2)设定磁声实验的初始条件，基于声换能器模型和电导率仿真模型，获取声换能器接收的声压数据；

所述的磁声实验的初始条件包括；扫描半径、静磁场强度、介质中声传播速度和电流密度大小。

如果所述的电导率仿真模型还未建立，则首先要用3D phantom结构模型构建电导率仿真模型，用10个椭球排列组合构成三维电导率数字仿真模型。所述电导率仿真模型的建立过程是：参考CT成像S-L模型的几何结构，所述S-L模型是由10个大小不等，偏向角各不相同的椭球嵌套组成，S-L模型内部分布代表不同的CT值，针对组织电导率分布的特性对10个椭球的电导率分别赋值，建立一个用于磁声成像研究的电导率仿真模型。为简化运算，可以对最外层的两个椭球进行处理，使其成为一个椭球，便于观察和计算。

所述的获取声换能器接收的声压数据，是根据实际声换能器的声场分布及声传播方程建立基于声换能器声场分布的声传播方程，对基于声换能器声场分布的声传播方程采用有限差分方法离散化为矩阵方程，求解矩阵方程得到声压数据，本次模拟过程采用一个中心频率1MHz的平面换能器(Panametrics,V303)进行检测和实际采集。按照实际信号采集过程中常见的扫描模式，如图3a、图3b所示，可以分别进行球形扫描和柱形扫描，根据实际的声场分布及传播原理，用数值方法获取的仿真声压过程。所述的基于声换能器声场分布的声传播方程是：

$p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)=-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫\∫}\mathrm{dr}\▿\·[\stackrel{\→}{J}(\stackrel{\→}{r},t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0]w_{{\stackrel{\→}{r}}_d}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\frac{\mathrm{\δ}(t-|\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_d\left|\right)/c_s}{|\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_d|},$

式中：为在位置的声压值，为位置的电流密度值，为静磁场强度，Ω为求解空间，计算式是声源分布，是声换能器接收特性分布，δ(·)表示冲激函数，c_s表示声波在空间中的传播速度。

所述的矩阵方程是AX＝B，其中，A是磁声过程变换矩阵，是通过步骤1)中所述的声换能器模型获得，表达式为：X是声源的矢量形式，即B是声压数据，即

3)对步骤2)中获得的声压数据进行磁声图像重建，所述的磁声图像重建是采用重建算法，具体是采用最小二乘法或最小二范数法对磁声过程变换矩阵进行广义逆求解，将磁声图像重建过程转化为逆矩阵求解问题，通过声换能器接收的声压数据，重建原始声源分布及原始电导率分布图像。

对于重建的每个声源来说，每个换能器接收到的声压都会对其有相应的贡献，可采用反投影重建方法，考虑声换能器的影响，可得到最终广义逆求解公式如下：

$\stackrel{\→}{J}({\stackrel{\→}{r}}_m,t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0=\mathrm{\α}\underset{d}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{t}\frac{\∂p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)}{\∂t}\mathrm{\Ψ}({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_d),$ 其中，为位置声源的矢量形式，α为一常数，可令其等于1。表示声压数据对时间t的偏导数，为磁声过程变换矩阵A的广义逆，表达式为：Ψ_x为广义逆矩阵x方向分量，Ψ_y为广义逆矩阵y方向分量，Ψ_z为广义逆矩阵z方向分量。

通过上式便可在声换能器接收特性的基础上重建原始声源分布。图像重建结果如附图4a、图4b、图5a、图5b、图5c所示。

本发明的用于声换能器接收特性分布模型建立方法的装置，包括有图2所示的在本行业通用的用于测试声换能器接收特性声场分布的声场分布检测系统，以及图6所示的磁声图像重建系统，所述的磁声图像重建系统包括有，对声换能器提供磁声信号的磁声成像实验装置1，输入端与设置在磁声成像实验装置1中的声换能器2相连，用于接收声换能器2获取的磁声信号的数据采集卡3，所述的数据采集卡3的输出端连接对获取的磁声信号进行放大的差分放大器4，输入端与所述的差分放大器4的输出端相连，用于接收并存储经差分放大器4放大后的磁声信号，并根据所述放大后的磁声信号重建磁声图像的图像重建工作站5，所述的图像重建工作站5可以采用计算机。与所述的图像重建工作站5的输出端相连用于显示重建磁声图像的显示设备6。磁声图像重建系统中的磁声成像实验装置1是采用申请号为201210080591.9中所公开的技术。

为评价本发明的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法的稳定性与适用性，采用重建图像的相对误差及相关系数来评价，重建前的声源分布与重建后声源分布比较计算，具体实现方法采用如下公式：

$\mathrm{RE}=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}|x_{\mathrm{true}}-x|}{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\left|x_{\mathrm{true}}\right|},\mathrm{CC}=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(x_{\mathrm{true}}-\stackrel{\‾}{x})(x_r-{\stackrel{\‾}{x}}_r)}{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\left|(x_{\mathrm{true}}-\stackrel{\‾}{x})(x_r-{\stackrel{\‾}{x}}_r)\right|}$

通过对该算法的评价，可以发现该算法的相对误差分别为7.63％，8.27％，相关系数分别为98.49％，94.96％。说明该方法可以基于声换能器接收特性对磁声信号进行重建，重建精度与稳定性都在可以接受范围之内。

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 (8)

1.一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测试声换能器接收特性声场分布，建立声换能器模型；

2)设定磁声实验的初始条件，基于声换能器模型和电导率仿真模型，获取声换能器接收的声压数据；

3)对步骤2)中获得的声压数据进行磁声图像重建，所述的磁声图像重建是采用重建算法，具体是采用最小二乘法或最小二范数法对磁声过程变换矩阵进行广义逆求解，将磁声图像重建过程转化为逆矩阵求解问题，通过声换能器接收的声压数据，重建原始声源分布及原始电导率分布图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，所述步骤1)所述的建立声换能器模型，是对声场分布的测量采用声场分布检测系统，对待测声换能器施加脉冲超声激励，同时采用频响范围250kHz～45Mz的膜式水听器作为接收器，通过输入激励和输出激励得到声换能器在膜式水听器位置处的一个接收特性，在一个立方体区域内对声换能器扫描，得到所述声换能器的接收特性分布，对扫描结果数据经过三次曲线插值平滑方法建立声换能器接收特性分布模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，步骤2)中所述的磁声实验的初始条件包括；扫描半径、静磁场强度、介质中声传播速度和电流密度大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，步骤2)中如果所述的电导率仿真模型还未建立，则首先要用3D phantom结构模型构建电导率仿真模型，所述电导率仿真模型的建立过程是：参考CT成像S-L模型的几何结构，所述S-L模型是由10个大小不等，偏向角各不相同的椭球嵌套组成，S-L模型内部分布代表不同的CT值，针对组织电导率分布的特性对10个椭球的电导率分别赋值，建立一个用于磁声成像研究的电导率仿真模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，步骤2)中所述的获取声换能器接收的声压数据，是根据实际声换能器的声场分布及声传播方程建立基于声换能器声场分布的声传播方程，对基于声换能器声场分布的声传播方程采用有限差分方法离散化为矩阵方程，求解矩阵方程得到声压数据，其中，所述的基于声换能器声场分布的声传播方程是：

$p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)=-\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫\∫}\mathrm{dr}\▿\·[\stackrel{\→}{J}(\stackrel{\→}{r},t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0]w_{{\stackrel{\→}{r}}_d}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\mathrm{\δ}(t-|\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_d|/c_s),$

式中：为在位置的声压值，为位置的电流密度值，为静磁场强度，Ω为求解空间，计算式是声源分布，是声换能器接收特性分布，δ(·)表示冲激函数，c_s表示声波在空间中的传播速度。

6.根据权利要求5所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，所述的矩阵方程是AX＝B，其中，A是磁声过程变换矩阵，是通过步骤1)中所述的声换能器模型获得，表达式为：X是声源的矢量形式，即B是声压数据，即

7.根据权利要求1所述的一种基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法，其特征在于，步骤3)中所述的广义逆求解是采用如下公式：

$\stackrel{\→}{J}({\stackrel{\→}{r}}_m,t)\×{\stackrel{\→}{B}}_0=\mathrm{\α}\underset{d}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{t}\frac{\∂p({\stackrel{\→}{r}}_d,t)}{\∂t}\mathrm{\Ψ}({\stackrel{\→}{r}}_m,{\stackrel{\→}{r}}_d),$ 其中，为位置声源的矢量形式，α为一常数，可令其等于1，表示声压数据对时间t的偏导数，为磁声过程变换矩阵A的广义逆，表达式为：Ψ_x为广义逆矩阵x方向分量，Ψ_y为广义逆矩阵y方向分量，Ψ_z为广义逆矩阵z方向分量。

8.一种用于权利要求1所述的基于声换能器接收特性的磁声图像重建方法的装置，包括有用于测试声换能器接收特性声场分布的声场分布检测系统和用于磁声图像重建系统，其特征在于，所述的磁声图像重建系统包括有，对声换能器提供磁声信号的磁声成像实验装置(1)，输入端与设置在磁声成像实验装置(1)中的声换能器(2)相连，用于接收声换能器(2)获取的磁声信号的数据采集卡(3)，所述的数据采集卡(3)的输出端连接对获取的磁声信号进行放大的差分放大器(4)，输入端与所述的差分放大器(4)的输出端相连，用于接收并存储经差分放大器(4)放大后的磁声信号，并根据所述放大后的磁声信号重建磁声图像的图像重建工作站(5)，与所述的图像重建工作站(5)的输出端相连用于显示重建磁声图像的显示设备(6)。