CN104434100B - 一种磁热声成像的电阻率重建方法 - Google Patents

Abstract

一种磁热声成像的电阻率重建方法，包括以下步骤：首先通过激励线圈(2)对导电物体(3)施加MHz电流激励，导电物体(3)由于感应电流的作用产生焦耳热，进而产生热声信号；所述的热声信号通过耦合剂耦合到超声换能器(4)内；超声换能器(4)接收到超声信号后通过超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大等处理后，进行存储，获取高分辨率的磁热声信号；第二步利用获取的磁热声信号重建热声源分布；第三步重建矢量电位空间分量；第四步利用矢量电位空间分量求解电阻率。

Description

一种磁热声成像的电阻率重建方法

技术领域

本发明涉及一种电导率图像的重建方法，特别涉及一种磁热声成像的电阻率重建方法。

背景技术

目前传统电阻抗成像技术的灵敏度和空间分辨率不高，主要因为电阻抗成像通常采用频率较低的电磁波作为激励，由于波长远远大于成像体，导致电磁场探测对比度高，但分辨率低。毋庸置疑，单一场都有其物理局限性。因此多物理场成像技术受到越来越多的关注，即将一种物理场作用于生物组织，转换为另一种物理场进行检测，由一种物理场提供分辨率，另一种物理场提供对比度，实现对比度和分辨率的同时提高。电磁场和超声相结合的多物理场成像技术正是考虑到电磁场对人体组织电导率的高对比度和超声波探测的高分辨率特性，成为人们的研究热点，最近一年，磁热声成像作为一种新型的多物理场成像技术受到重视。

磁热声成像是由新加坡南洋理工大学在2013年首次提出的新型的电阻抗成像方法，通过对导电物体施加低于20MHz的交变磁场，在导电物体内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发热弹性的声信号，检测声信号进行成像。该方法是一种以交变磁场作为激励源，基于生物组织内部焦耳热吸收率的差异，以超声作为信息载体的无损生物医学影像技术。与微波热声成像技术相比，激励源的频率降低，可以深入到导电体的更深处，使磁热声图像扩展到人体组织的深层。由测量的超声信号到电阻率的重建分为两个过程，首先由测量的超声信号重建热声源分布，然后利用热声源分布重建电阻率分布，目前的相关文献和专利只重建了热声源(S＝ρJ²)，这里E为电场强度的空间分量)，而没有提及电阻率ρ的重建。显然，电场强度E与电阻率ρ的分布有关，从热声源S中重建出电阻率ρ是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是克服现有的磁热声成像方法电阻率分布的不足的缺点，提出一种利用热声源分布重建电阻率分布的重建方法。本发明可以精确的重建导电物体的电阻率。

本发明基于磁热声电导率成像的成像原理为：利用激励线圈对导电物体施加MHz电流激励，在导电物体内产生焦耳热，进而产生热声信号。利用超声换能器接收超声信号，对接收到的超声信号进行超声信号的处理和采集，得到放大滤波后的超声信号后，采用图像重建算法获取导电物体的电阻率图像。

本发明磁热声成像的电阻率重建方法包括四个步骤，第一步首先获取高分辨率的磁热声信号；第二步利用获取的磁热声信号重建热声源分布；第三步重建矢量电位空间分量；第四步利用矢量电位空间分量求解电阻率。

第一步：获取磁热声信号

首先通过激励线圈对导电物体施加MHz电流激励，导电物体由于感应电流的作用产生焦耳热，进而产生热声信号，热声信号通过耦合剂耦合到超声换能器内。耦合剂可以为去离子水也可以为绝缘油。超声换能器接收到超声信号后通过超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大等处理后，进行存储。

第二步：获取热声源分布

已知磁热声成像的声压波动方程：

其中，r为热声源位置坐标，p(r,t)是声压，c_s为热声源在介质中的传播声速，C_P为导电物体的比热容，β为导电物体的热膨胀系数，δ(t)是狄拉克函数，t为时间相，S(r)为热声源分布；

对方程(1)进行解方程，首先选取导电物体的某一断层面z＝z₀，断层面z＝z₀上利用方程(1)，解方程获取热声源S(x,y,z₀)；导电物体上的热声源S(x,y,z)通过断层数据S(x,y,z₀)在z方向的插值得到，或者分层计算得到；

热声源分布同时是电阻率和电流密度的函数，因此热声源表示为：

S＝ρJ²＝ρJ·J (2)。

其中S为热声源分布，ρ为导电物体的电阻率，J为导电物体内电流密度分布；

第三步：获取矢量电位的空间分量T

考虑电流连续性定理引入矢量电位，有：

其中T为矢量电位空间分量，为矢量电位空间分量的旋度，为哈密度算符；

考虑欧姆定律J＝σE，有：

其中，ρ为导电物体的电阻率，B₁为磁感应强度。由式(3)代入式(2)，得：

将式(5)代入式(4)，有

将S(x,y,z)代入公式(6)后，结合电绝缘边界条件对公式(6)进行非线性有限元法求解，即可重建得到矢量电位的空间分量T；

第四步：获取电导率

将矢量电位的空间分量T代入公式(5)，即可重建电阻率ρ。

通过以上过程则可以重建导电物体的电阻率，求解导电物体的电阻率后，根据电阻率的分布则可以判断被测的导电物体的病变信息或生理活动信息。

附图说明

图1本发明重建方法所涉及的磁热声信号获取装置示意图；

图中：1电流激励源 2激励线圈 3导电物体 4超声换能器 5上位机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明所依据磁热声成像的成像原理为：利用激励线圈对导电物体施加MHz电流激励，在导电物体内产生焦耳热，进而产生超声信号，利用超声换能器接收超声信号，对接收到的超声信号进行超声信号的处理和采集，得到放大滤波后的超声信号后，采用图像重建算法获取导电物体的电阻率图像。

本发明磁热声成像的电阻率重建过程包括四个步骤，第一步首先获取高分辨率的磁热声信号；第二步利用获取的磁热声信号重建热声源分布；第三步重建矢量电位空间分量；第四步利用矢量电位空间分量求解电阻率。

磁热声成像的测量过程描述如下：

第一步：获取磁热声信号

如图1所示，首先通过激励线圈2对导电物体3施加MHz电流激励，导电物体3由于感应电流的作用产生焦耳热，进而产生热声信号；所述的热声信号通过耦合剂耦合到超声换能器4内；超声换能器4接收到超声信号后通过超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大等处理后，进行存储；

第二步：获取热声源分布

已知磁热声成像的声压波动方程：

其中，r为热声源位置坐标，p(r,t)是声压，c_s为热声源在介质中的传播声速，C_P为导电物体3的比热容，β为导电物体3的热膨胀系数，δ(t)是狄拉克函数，t为时间相，S(r)为热声源分布；

对方程(1)进行解方程，首先选取导电物体的某一断层面z＝z₀，断层面z＝z₀上利用方程(1)，解方程获取热声源S(x,y,z₀)。导电物体3上的热声源S(x,y,z)通过断层数据S(x,y,z₀)在z方向的插值得到，或者分层计算得到；

热声源分布同时是电阻率和电流密度的函数，因此热声源表示为：

S＝ρJ²＝ρJ·J (2)

其中，S为热声源分布，ρ为导电物体3的电阻率，J为导电物体3内电流密度分布；

第三步：获取矢量电位的空间分量T

考虑电流连续性定理引入矢量电位，有：

其中T为矢量电位空间分量，为矢量电位空间分量的旋度，为哈密度算符；

考虑欧姆定律J＝σE，有

其中，ρ为导电物体的电阻率，B₁为磁感应强度。由式(3)代入式(2)，得：

将式(5)代入式(4)，有

将S(x,y,z)代入公式(6)后，结合电绝缘边界条件，对公式(6)进行非线性有限元法求解，即可重建得到矢量电位的空间分量T；

第四步：获取电导率

将矢量电位的空间分量T代入公式(5)，即可重建电阻率ρ。

通过以上过程则可以重建导电物体3的电阻率，求解导电物体3的电阻率后，根据电阻率的分布则可以判断被测的导电物体的病变信息或生理活动信息。

Claims (1)

1.一种磁热声成像的电阻率重建方法，其特征在于：磁热声成像的电阻率重建方法包括以下步骤：

第一步：获取磁热声信号

首先通过激励线圈(2)对导电物体(3)施加MHz电流激励，导电物体(3)由于感应电流的作用产生焦耳热，进而产生热声信号；所述的热声信号通过耦合剂耦合到超声换能器(4)内；超声换能器(4)接收到超声信号后通过超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大处理后，进行存储；

第二步：获取热声源分布

已知磁热声成像的声压波动方程：

${\▿}^{2}p(r,t)-\frac{1}{{c_s}^2}\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}p(r,t)=-\frac{\mathrm{\β}}{C_P}S\left(r\right){\mathrm{\δ}}^{\′}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，r为热声源位置坐标，p(r,t)是声压，c_s为热声源在介质中的传播声速，C_P为导电物体(3)的比热容，β为导电物体(3)的热膨胀系数，δ(t)是狄拉克函数，t为时间相，S(r)为热声源分布的极坐标表述形式；

选取导电物体的某一断层面z＝z₀，解方程(1)获取断层面z＝z₀上的热声源分布S(x,y,z₀)；导电物体(3)上的热声源分布S(x,y,z)通过断层面z＝z₀上的热声源分布S(x,y,z₀)在z方向的插值得到，或者分层计算得到；

热声源分布同时是电阻率和电流密度的函数，因此热声源分布表示为：

S(x,y,z)＝ρJ²＝ρJ·J (2)

其中，S(x,y,z)为热声源分布，ρ为导电物体(3)的电阻率，J为导电物体(3)内电流密度分布；

第三步：获取矢量电位的空间分量T

考虑电流连续性定理引入矢量电位，有：

$J=\▿\×T---\left(3\right)$

其中，T为矢量电位空间分量，为矢量电位空间分量的旋度，为哈密度算符；

考虑欧姆定律J＝σE，有：

$\▿\×\mathrm{\ρ}\▿\×T=-B_1---\left(4\right)$

其中，ρ为导电物体(3)的电阻率，B₁为磁感应强度，由式(3)代入式(2)，得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{S}{\▿\×T\·\▿\×T}---\left(5\right)$

将式(5)代入式(4)，有

$\▿\×(\frac{S}{\▿\×T\·\▿\×T}\▿\×T)=-B_1---\left(6\right)$

将S(x,y,z)代入公式(6)后，结合电绝缘边界条件，对公式(6)进行非线性有限元法求解，即可重建得到矢量电位的空间分量T；

第四步：获取电导率

将矢量电位的空间分量T代入公式(5)，即可重建电阻率ρ。