CN104434101A - 一种磁热声成像方法及其成像系统 - Google Patents

Abstract

一种磁热声成像方法及其成像系统，通过为导电物体(7)施加线性频率调制的磁场，在导电物体(7)内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发导电物体(7)热弹性的超声信号，检测超声信号，利用声场和电磁场逆问题重建得到电导率分布图像。应用该方法的磁热声成像系统包括激励模块、检测模块、水槽、控制模块和上位机，其中激励模块主要由信号发生装置、功率放大器和激励线圈组成；检测模块主要由超声换能器、信号调理电路和信号采集电路组成；控制模块对运动控制、激励源控制、采集控制和图像重建的控制，由上位机用于实现图像重建功能和控制模块的控制功能。

Description

一种磁热声成像方法及其成像系统

技术领域

本发明涉及一种成像方法及其成像系统。

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的率，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，磁热声成像作为一种新型的多物理场成像技术最近一年受到重视。

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，他的是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，这可能会使磁热声图像扩展到人体组织的深层，但目前的成像方法检测灵敏度低，而且还没有任何报道有关重建电导率的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术检测灵敏度低的缺点，提出一种新的磁热声成像方法和成像系统。本发明可以提高检测灵敏度。

本发明方法基于磁热声成像原理，通过对导电物体施加线性频率调制或伪随机编码的激励电流，在导电物体内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发导电物体热弹性的超声信号。通过检测所述的超声信号，并利用脉冲压缩技术或相关处理技术实现接收的超声信号的解调，提高磁热声成像系统检测信号的信噪比，最后利用声场和电磁场逆问题重建得到电导率分布图像。本发明与微波热声成像方法相比，使用的激励源的频率降低，频率范围可以在0.1MHz-100MHz的范围内进行成像，因此可以深入到导电物体的更深处。

本发明磁热声成像方法中的激励电流采用调制方式，调制后的激励电流通过激励线圈作用到导电物体上，然后利用相关检测或脉冲压缩检测方式实现对超声信号的检测，检测到的超声信号首先求得热源分布，然后利用热源分布再进行电导率的重建。在热源分布的求解过程中采用时间反演法时间重建热源分布，然后利用采用基于标量电位的电导率重建法实现电导率重建。

所述的激励线圈内加载的激励电流为线性调频信号时，波形可以表示为：

$i\left(t\right)=A\·\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\·\exp \left(j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\frac{{\mathrm{\μt}}^2}{2})\right)---\left(1\right)$

公式(1)中A为加载的电流信号的幅值，为矩形函数，τ为脉冲宽度，t为时间变量，i(t)为激励电流函数，f₀为调制频率的主频，本发明中f₀采用的频率为范围为0.5MHz-5MHz可调，μ为频率的改变量，本发明载波频率范围为10MHz-30MHz。

线性调频信号的瞬时角频率w₁表示为：

在脉冲宽度τ内，电流信号的角频率由2πf₀-μτ/2变化到2πf₀+μτ/2，调频带宽B＝μτ，一般在中心频率的60％左右，线性调频信号的时宽带宽积为：

D＝Bτ＝μτ²

其中，D为频宽时宽积，B为调频宽度。

本发明利用超声换能器接收超声信号，接收到的信号可以通过时域卷积法和频率域卷积法两种方式实现超声信号的解调。利用时域卷积法进行解调时，通过对接收到的超声信号与匹配滤波器脉冲响应求卷积实现，利用频率域卷积方法则利用傅里叶变换的性质，时域的卷积相当于频率相乘原理实现。

所述的激励线圈内加载的激励电流除了可以为线性调频信号，也可以选择伪随机编码方式。当采用伪随机编码方式时，超声探头接收到超声信号，利用频率域相关检测方法对接收到的超声信号进行解调，实现信号的检测。磁热声成像系统需要的距离分辨率由相关函数主峰宽度确定。

解调后的超声信号中因为含有与电导率相关的信号，因此对解调的超声信号进行导电物体的电导率重建。重建的过程如下：从被解调出的超声信号中首先得到热源分布，然后利用热源分布再进行电导率的重建，在热源分布的求解过程中首先采用时间反演法实现热源分布的重建，然后采用基于标量电位的电导率重建法实现电导率重建。

所述基于标量电位的电导率重建法如下:

首先导出剥离时间项的标量电位所满足的非线性泊松方程：

$\▿\·\left[\frac{S(x,y,z)}{(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1)}(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\right]=0$

和边界条件：

$n\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1){|}_{\∂\mathrm{\Ω}}=0$

其中，S(x,y,z)为导电物体在(x,y,z)坐标处的热函数，A₁为一次矢量磁位，A₁可以通过电流激励参数计算得出。在上述非线性泊松方程中只有标量电位φ是未知量，编制上述方程的有限元程序，可以获得标量电位，进一步获得电场强度分布，从而从热函数中重建出电导率分布，实现导电物体的电导率重建。

基于本发明方法的成像系统主要包括激励模块、检测模块、水槽和控制模块。所述的激励模块和检测模块分别与控制模块电连接；所述的激励模块和控制模块位于水槽的外面，导电物体位于水槽内。所述的激励模块主要由信号发生装置、功率放大器、激励线圈组成，信号发生装置连接功率放大器，功率放大器连接激励线圈。

所述的激励模块还能通过开关管放电方式实现，激励模块发送0.5MHz-5MHz频率范围内的随机方波或钟形波电流信号，激励模块发送的电流波形具有一定调制的线性调频信号，或者是在在一定范围内的随机变化信号。如图3所示，利用开关管方法实现的激励模块主要包括供电电路、任意信号发生器、PWM调制、隔离驱动电路、开关管电路、控制端和保护电路。所述的供电电路连接PWM调制、隔离驱动电路和开关管电路，所述的控制端连接供电电路和任意信号发生器，供电电路采用蓄电池或小型发电机，经升压，整流滤波后给激励模块提供电源。任意信号发生器用于产生所需要的随机方波和钟形波信号，除此之外，还能有针对性的输出特定频率的方波串或钟形波信号串。任意波形发生器产生所需要的随机方波和钟形波，该随机波形传输至PWM调制单元进行PWM调制，转换为脉冲波形，作为驱动信号，此驱动信号经隔离驱动电路隔离后，输送给开关管电路驱动开关管工作，开关管电路在驱动信号的驱动下产生一系列高电压、大电流的脉冲波形，产生的信号直接提供给激励线圈。保护电路中的过流保护电路和欠压检测电路连接在开关管电路上，对整个激励模块进行过流和欠压保护。

所述的检测模块主要由超声换能器、信号调理电路、信号采集电路和上位机组成，超声换能器连接信号调理电路，信号调理电路连接信号采集电路，信号采集电路连接上位机。

所述的控制模块由上位机作为控制中心，实现对运动控制器、激励源控制、采集控制和图像重建的协调控制，同时实现图像的重建功能。

激励线圈可以是成对，也可以是单个激励线圈。成对出现时，两个激励线圈的中轴线重合，同时两个激励线圈的中轴线与超声传感器所在的平面垂直，导电物体位于所述的两个激励线圈的中心位置处，为避免激励线圈内部产生的焦耳热的干扰，激励线圈密封于超声屏蔽盒内。所述的超声传感器和导电物体通过绝缘油或者去离子水耦合所述的超声换能器，由旋转盘带动在控制模块的控制下实现圆周扫描。所述的水槽内装有耦合剂，耦合剂可以是绝缘油，也可以是去离子水。所述的激励模块产生的信号可以是线性调频信号，也可以是伪随机编码信号。

附图说明

图1本发明成像系统结构示意图；

图2本发明成像系统的频率域解调过程；

图3本发明激励模块原理图；

图中：1功率放大器2信号发生装置3支撑架4水槽5激励线圈6旋转盘7导电物体8超声换能器9运动控制器10上位机11信号采集电路12信号调理电路。

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。

本发明方法基于磁热声成像原理，通过对导电物体施加线性频率调制或伪随机编码的激励电流，在导电物体内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发导电物体热弹性的超声信号。通过检测所述的超声信号，并利用脉冲压缩技术或其他相关处理技术实现接收的超声信号的解调，提高磁热声成像系统检测信号的信噪比，最后利用声场和电磁场逆问题重建得到电导率分布图像。

本发明磁热声成像方法中的激励电流采用调制方式，被调制后的激励电流通过激励线圈作用到导电物体上，然后利用相关检测或脉冲压缩检测方式实现对产生的超声信号的检测，检测后的超声信号首先得到热源分布，然后利用热源分布再进行电导率的重建，在热源分布的求解过程中采用时间反演法重建时间热源分布，然后利用采用基于标量电位的电导率重建法实现电导率重建。

所述的激励线圈内加载的激励电流为线性调频信号时，波形可以表示为：

$i\left(t\right)=A\·\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\·\exp \left(j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\frac{{\mathrm{\μt}}^2}{2})\right)---\left(1\right)$

公式(1)中A为加载的电流信号的幅值，为矩形函数，t为脉冲宽度，t为时间变量，i(t)为激励电流函数，f₀为调制频率的主频，本发明中f₀采用的频率为范围为0.5MHz-5MHz可调，μ为频率的改变量，本发明载波频率范围为10MHz-30MHz。线性调频信号的瞬时角频率w₁表示为：

在脉冲宽度t内，电流信号的角频率由2πf₀-μτ/2变化到2πf₀+μτ2，调频带宽B＝μτ，一般在中心频率的60％左右，线性调频信号的时宽带宽积为：

D＝Bτ＝μτ²

其中，D为频宽时宽积，B为调频宽度。

利用超声换能器接收超声信号，接收到的超声信号可以通过时域卷积法和频率域卷积法两种方式实现超声信号的解调。首先利用时域卷积法进行解调时，通过对接收到的超声信号与匹配滤波器脉冲响应求卷积实现，利用频率域卷积方法则利用傅里叶变换的性质，时域的卷积相当于频率相乘原理实现。

所述的激励线圈内加载的激励电流除了可以为线性调频信号，也可以选择伪随机编码方式，当采用伪随机编码方式时，超声探头接收到超声信号利用相关检测方法对接收到的超声信号进行解调，实现信号的检测，磁热声成像系统需要的距离分辨率由相关函数主峰宽度确定。

解调后的信号中含有与电导率相关的信号，然后对解调的信号进行导电物体的电导率重建，重建的过程描述如下：从被解调出的超声信号中首先得到热源分布，然后利用热源分布再进行电导率的重建，在热源分布的求解过程中采用时间反演法时间热源分布的重建，然后采用基于标量电位的电导率重建法实现电导率重建。

基于标量电位的电导率重建法如下:

首先导出剥离时间项的标量电位所满足的非线性泊松方程：

$\▿\·\left[\frac{S(x,y,z)}{(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1)}(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\right]=0$

$n\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1){|}_{\∂\mathrm{\Ω}}=0$

其中S(x,y,z)为导电物体在(x,y,z)坐标处的热函数，A₁为一次矢量磁位，A₁可以通过电流激励参数计算得出，在上述非线性泊松方程中只有标量电位φ是未知量，编制上述方程的有限元程序，可以获得标量电位，进一步获得电场强度分布，从而从热函数中重建出电导率分布，实现导电物体的电导率重建。

如图1所示，本发明磁热声成像的方法的原理为通过为导电物体7施加线性频率调制的磁场，在导电物体7内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发导电物体7热弹性的超声信号，通过检测超声信号，采用声场和电磁场逆问题重建方法得到电导率分布图像。本发明方法与微波热声成像方法相比，使用的激励源的频率降低，频率范围可以在0.1MHz-100MHz的范围内进行成像，因此可以深入到导电物体的更深处。

应用本发明磁热声成像方法的成像系统主要包括激励模块、检测模块、水槽4和控制模块。所述的激励模块和检测模块分别与控制模块电连接，所述的激励模块和控制模块位于水槽的外面，导电物体位于水槽内。所述的激励模块主要由信号发生装置2、功率放大器1和激励线圈5组成。信号发生装置2连接功率放大器1，功率放大器1连接激励线圈5。所述的激励模块还可以通过开关管放电方式实现，激励模块发送0.5MHz-5MHz频率范围内的随机方波或钟形波电流信号，激励模块发送的电流波形具有一定调制的线性调频信号，或者是在在一定范围内的随机变化信号。如图3所示，利用开关管方法实现的激励模块主要包括供电电路、任意信号发生器、PWM调制、隔离驱动电路、开关管电路、控制端和保护电路。所述的供电电路连接PWM调制、隔离驱动电路和开关管电路，所述的控制端连接供电电路和任意信号发生器，供电电路采用蓄电池或小型发电机，经升压，整流滤波后给激励模块提供电源。任意信号发生器用于产生所需要的随机方波和钟形波信号，除此之外，还能有针对性的输出特定频率的方波串或钟形波信号串。任意波形发生器产生所需要的随机方波和钟形波，该随机波形传输至PWM调制单元进行PWM调制，转换为脉冲波形，作为驱动信号，此驱动信号经隔离驱动电路隔离后，输送给开关管电路驱动开关管工作，开关管电路在驱动信号的驱动下产生一系列高电压、大电流的脉冲波形，产生的信号直接提供给激励线圈5。保护电路中的过流保护电路和欠压检测电路连接在开关管电路上，对整个激励模块进行过流和欠压保护。

所述的检测模块主要由超声换能器8、信号调理电路12、信号采集电路11和上位机10组成。超声换能器8连接信号调理电路12，信号调理电路12连接信号采集电路11，信号采集电路11连接上位机10。

所述的控制模块主要包括运动控制器、激励源控制、采集控制和图像重建控制。所述的控制模块主要由上位机10作为控制中心，实现对运动控制、激励源控制、采集控制和图像重建的控制，同时实现图像的重建功能。

激励线圈5可以是成对，也可以是单个激励线圈。成对出现时，两个激励线圈的中轴线重合，同时两个激励线圈的中轴线与超声传感器所在的平面垂直。导电物体7位于所述的两个激励线圈5的中心位置处。为避免激励线圈内部产生的焦耳热的干扰，激励线圈5密封于超声屏蔽盒内，所述的超声传感器8和导电物体7通过绝缘油或者去离子水耦合所述的超声换能器8，由旋转盘带动在控制模块的控制下实现圆周扫描。所述的水槽4内装有耦合剂，耦合剂可以是绝缘油，也可以是去离子水。所述的激励模块产生的信号可以是线性调频信号，也可以是伪随机编码信号。

Claims (5)

1.一种磁热声成像方法，其特征在于，所述的成像方法通过为导电物体(7)施加线性频率调制的磁场，在导电物体(7)内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发导电物体(7)热弹性的超声信号，检测超声信号，利用声场和电磁场逆问题重建得到电导率分布图像。

2.按照权利要求1所述的磁热声成像方法，其特征在于，所述的成像方法利用超声换能器接收超声信号，接收到的信号通过时域卷积法或频率域卷积法实现超声信号的解调；利用时域卷积法进行解调时，通过对接收到的超声信号与匹配滤波器脉冲响应求卷积实现，利用频率域卷积方法则利用傅里叶变换的性质，时域的卷积相当于频率相乘原理实现；解调后的超声信号中因为含有与电导率相关的信息，因此对解调的超声信号进行导电物体的电导率重建；重建的过程如下：从被解调出的超声信号中首先得到热源分布，利用热源分布再进行电导率的重建，在热源分布的求解过程中采用时间反演法实现热源分布的重建，然后采用基于标量电位的电导率重建法实现电导率重建；

所述基于标量电位的电导率重建法如下:

首先导出剥离时间项的标量电位所满足的非线性泊松方程：

$\▿\·\left[\frac{S(x,y,z)}{(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1)}(\▿\mathrm{\φ}+A_1)\right]=0$

和边界条件：

$n\·(\▿\mathrm{\φ}+A_1){|}_{\∂\mathrm{\Ω}}=0$

其中，S(x,y,z)为导电物体在(x,y,z)坐标处的热函数，A1为一次矢量磁位，A1通过电流激励参数计算得出；在上述非线性泊松方程中只有标量电位φ是未知量，编制上述方程的有限元程序，获得标量电位，进一步获得电场强度分布，从而从热函数中重建出电导率分布，实现导电物体的电导率重建。

3.应用权利要求1所述的磁热声成像方法的成像系统，其特征在于，所述的成像系统主要包括激励模块、检测模块、水槽(4)和控制模块；所述的激励模块和检测模块分别与控制模块电连接，所述的激励模块和控制模块位于水槽(4)外，导电物体位于水槽(4)内；所述的激励模块主要由信号发生装置(2)、功率放大器(1)和激励线圈(5)组成，信号发生装置(2)连接功率放大器(1)，功率放大器(1)连接激励线圈(5)。

4.按照权利要求3所述的磁热声成像方法的成像系统，其特征在于，所述的激励模块包括供电电路、任意信号发生器、PWM调制、隔离驱动电路、开关管电路、控制端和保护电路；所述的供电电路分别连接PWM调制、隔离驱动电路和开关管电路，所述的控制端连接供电电路和任意信号发生器；所述的保护电路中的过流保护电路和欠压检测电路连接在开关管电路上。

5.按照权利要求3所述的磁热声成像方法的成像系统，其特征在于，所述的激励线圈(5)内加载的激励电流为线性调频信号，或者选择伪随机编码方式；当采用伪随机编码方式时，超声探头接收到超声信号，利用频率域相关检测方法对接收到的超声信号进行解调，实现信号的检测。