CN106580249A - 一种注入电流式热声成像方法 - Google Patents

一种注入电流式热声成像方法 Download PDF

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Abstract

一种注入电流式热声成像方法,通过电极向成像目标体注入电流,在成像目标体中产生焦耳热,引起热膨胀,产生超声信号,利用超声探头检测超声信号。根据检测的超声信号,重建声源和目标体的电导率分布。本发明可用于高分辨率的电阻抗成像,用于疾病的早期诊断。

Description

一种注入电流式热声成像方法
技术领域
本发明涉及一种热声成像方法,特别涉及一种医学注入电流式热声成像方法。
背景技术
热声成像是目标体吸收能量,产生热膨胀而产生超声信号,利用超声进行对目标体结构进行重建。现有的热声成像根据激励源可分为光声成像、微波热声成像和磁热声成像等。光声成像是利用激光对目标体进行照射,目标体吸收能量而产生膨胀,进而产生超声信号,光声成像深度可到毫米级别。微波热声是利用微波代替激光,对目标体进行辐照。微波热声成像深度可到厘米级别。磁热声利用低频磁场(20MHz左右)激励目标体,在目标体内产生感应电场,产生焦耳热,进而产生热膨胀而产生超声信号。磁热声成像具有更深的成像深度,可达10厘米以上。
对于生物组织成像,微波热声和磁热声的成像深度虽然能到厘米级别,但微波热声和激励源功率需要数十千瓦,磁热声的激励磁场由大脉冲功率源驱动线圈产生,大功率的激励源笨重、功耗大、体积大、成本高,不方便仪器的设计和使用。
医学中人体组织发生病变,其功能病变要早于形态病变,在形态结构尚未变化之前,病变组织的电特性已经发生变化。因此,通过对组织电特性的检测,可实现疾病的早期诊断和早期治疗。电阻抗成像是一种对人体内部组织电阻抗进行成像的技术,具有无损害、低成本等特点。三十多年来,已经发展了多种电阻抗成像技术。传统电阻抗成像包括注入式电阻抗成像、感应式电阻抗成像、磁感应成像等,但传统电阻抗成像的测量信息对物体内部的电导率反映灵敏度低,加之测量数据有限以及测量噪声的影响,重建电导率的逆问题存在严重的病态性,尽管可以利用各种数学技巧来处理逆问题,但难以从本质上解决算法的稳定性、收敛性等问题,因此成像分辨率低。近些年提出的核磁共振电阻抗成像和磁声成像。核磁共振电阻抗成像设备昂贵;磁声成像也需要大功率磁激励源,也存在激励源笨重、功耗大、体积大的问题。
发明内容
为了克服上述现有方法的不足,本发明提出一种注入电流式热声成像方法。
本发明采用电极注入电流作为激励。通过电极向成像目标体注入电流,在成像目标体中 产生焦耳热,引起热膨胀,产生超声信号,根据检测的超声信号,重建导电物体的电导率分布。
本发明的目标体产生的超声信号是由注入的电流产生,注入电流I为脉冲电流,脉冲电流的频谱在微波以下,主要分布在100MHz以内,采用较低的频率具有更深的成像深度。成像目标体的电导率分布σ,注入电流I在成像目标体中产生的电场强度E,电流密度J=σE,成像目标体中产生的热量主要是目标体电导率引起的电导损耗,即焦耳热,其单位体积的功率密度为σE2,目标体中产生的超声声压满足方程:
式中,p为声压,c为声速,β为等压膨胀系数,Cp为物体的比热容,t为时间,▽为拉普拉斯算子。
本发明的成像方法步骤如下:
步骤1:通过电极向成像目标体注入电流,通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号;
首先通过电极对目标体施加脉冲电流激励,目标体内由于电流感应电场的作用产生焦耳热,进而产生热声信号;所产生的热声信号通过耦合剂传播到超声探头;超声探头接收到超声信号后通过对超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大处理后,进行存储;
步骤2:利用接收的超声信号,重建声源分布;
已知注入电流式热声成像的声压波动方程:
式中,p(r,t)是在时刻t和位置r的声压,cs是热声源在耦合剂与目标体中的传播声速,CP和β分别表示目标体的比热容和体积膨胀系数,Q(r′)是r′位置的热声源分布;
对方程(1)利用时间反演法进行求解,得到热声源的重建公式:
式中,r为超声换能器位置、r′为热声源位置、S为超声换能器的检测面,n为检测面上超声换能器位置r的单位矢量。
选取目标体的某一断层面z=z0,断层面z=z0上利用时间反演法对方程(1)求解,获取热声源Q(x,y,z0)。目标体上的热声源Q(x,y,z)通过断层数据在z方向的插值得到,或者通过 移动超声换能器分层计算得到;
步骤3:获取目标体标量电位空间分量
热声源分布同时是电导率和电场强度的函数,因此热声源表示为:
Q=σE2 (3)
式(3)中,Q为热声源分布,σ为目标体的电导率,E为目标体内电场强度分布;
本发明所述的注入电流式热声成像方法主要用于生物组织的成像,考虑到生物组织的电导率较低,电场强度的空间分布表示为:
E=-▽φ (4)
式(4)中,φ是标量电势,▽是哈密顿算符;
根据电流连续性定理,有:
▽·(σ▽φ)=0 (5)
对目标体进行空间离散,给出电导率的初值[σ]0,将[σ]0代入公式(5),利用线性有限元方法求解得到标量电位的空间分量[φ]0
步骤4:最优化迭代重建成像目标体电导率
由公式(3)和公式(4)得到:
定义优化目标函数:
f(σ)=[Q-σ(▽φ)·(▽φ)]2 (7)
将标量电位的空间分量[φ]0代入优化目标函数中,通过最优化算法进行迭代,直到误差满足终止条件,所得的电导率即为最终目标体的电导率。
本发明中,所述的激励是注入脉冲电流,检测的是超声信号,重建的是目标体的电阻率,是一种高分辨的电阻抗成像方法。
可根据实际情况,选择注入电流的脉冲宽度和脉冲电流类型。对于浅层成像,对分辨率的要求较高时,采用较窄脉冲;对于较深目标体成像,由于超声的传播衰减,采用较宽脉冲;对于信噪比较低时,采用编码脉冲、脉冲压缩技术提高信噪比。
本发明采用电极注入电流激励目标体产生超声信号,激励源的功率小、轻便、成本低、使用方便、灵活、可产生复杂波形,信噪比好、成像质量高。可实现低成本、高质量的高分辨率的电阻抗成像,可用于疾病的早期诊断。
附图说明
图1本发明原理示意图;其中,1激励源,2导线,3注入电流的电极,4成像目标体,5成像目标体中的不同电导率物体,6超声探头阵列;
图2本发明应用实例图;其中,7激励源,8注入电流的电极,9生物组织体,10耦合剂,11超声探头,12放大采集器,13成像计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明原理如图1所示,激励源1通过电极3向目标体4注入电流作为激励,在目标体4中产生焦耳热,引起热膨胀,产生超声信号,利用超声探头阵列6检测超声信号,根据检测的超声信号重建声源和目标体电导率分布。
激励源1通过电极3向目标体4注入电流I为脉冲电流,脉冲电流的频谱在微波以下,主要分布在100MHz以内,采用较低的频率将具有更深的成像深度,对于医学成像应用,根据生物组织的电阻抗特性,选择脉冲宽度为0.1μs~10μs,目标体4的电导率分布σ,注入电流I在目标体4中产生的电场强度E,电流密度J=σE,目标体3中产生的热量主要是目标体4的电导率引起的电导损耗,即焦耳热,其单位体积的功率密度为σE2,产生的超声声压满足方程:其中,p为声压,c为声速,β为等压膨胀系数,Cp为物体的比热容,t为时间,▽为拉普拉斯算子。
利用注入电流式热声实现电阻抗成像步骤如下:
步骤1:通过电极向成像目标体注入电流,通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号;
首先通过电极对目标体施加脉冲电流激励,目标体内由于电流感应电场的作用产生焦耳热,进而产生热声信号;所产生的热声信号通过耦合剂传播到超声探头;超声探头接收到超声信号后通过对超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大处理后,进行存储;
步骤2:利用接收的超声信号,重建声源分布;
已知注入电流式热声成像的声压波动方程:
其中p(r,t)是在时刻t和位置r的声压,cs是热声源在耦合剂与目标体中的传播声速,CP和β分别表示目标体的比热容和体积膨胀系数,Q(r′)是r′位置的热声源分布;
对方程(1)利用时间反演法进行求解,得到热声源的重建公式:
其中r为超声换能器位置、r′为热声源位置、S为超声换能器的检测面和n为检测面上超声换能器位置r的单位矢量。
选取目标体的某一断层面z=z0,断层面z=z0上利用时间反演法对方程(1)求解,获取热声源Q(x,y,z0)。目标体上的热声源目标体上的热声源Q(x,y,z)通过断层数据在z方向的插值得到,或者通过移动超声换能器分层计算得到;
步骤3:获取目标体标量电位空间分量;
热声源分布同时是电导率和电场强度的函数,因此热声源表示为:
Q=σE2 (3)
其中,Q为热声源分布,σ为目标体的电导率,E为目标体内电场强度分布;
本发明所述的注入电流式热声成像方法主要用于生物组织的成像,考虑到生物组织的电导率较低,电场强度的空间分布表示为:
E=-▽φ (4)
其中φ是标量电势,▽是哈密顿算符;
根据电流连续性定理,有:
▽·(σ▽φ)=0 (5)
对目标体进行空间离散,给出电导率的初值[σ]0,将[σ]0代入公式(5),利用线性有限元方法求解得到标量电位的空间分量[φ]0
步骤4:最优化迭代重建成像目标体电导率;
由公式(2)和公式(3)得到:
定义优化目标函数:
f(σ)=[Q-σ(▽φ)·(▽φ)]2 (7)
将标量电位的空间分量[φ]0代入优化目标函数中,通过最优化算法进行迭代,直到误差满足终止条件,所得的电导率即为最终目标体的电导率。
可根据实际情况,对注入电流的脉冲宽度、脉冲电流类型进行选择。对于浅层成像,对分辨率的要求较高时,采用较窄脉冲;对于较深目标体成像,由于超声的传播衰减,采用较宽脉冲;对于信噪比较低时,采用编码脉冲、脉冲压缩技术提高信噪比。
电极2可根据目标体3的结构、外形、电阻率进行选择,选用接触面较大的电极,减小 接触电阻,同时使得电流在目标体3的分布较为均匀。
如图2所示,在医学中,人体组织发生病变,其功能病变要早于形态病变,在形态结构尚未变化之前,病变组织的电特性已经发生变化。因此,通过对组织电特性的检测,可实现疾病的早期诊断和早期治疗,实现“治未病”的目的。利用注入电流式热声成像疾病诊断的应用实例如图2所示,激励源7的输出电压范围为0-1000V,输出电流范围为0-10A,调节输出电压和输出电流大小,激励电流脉冲宽度为0.5μs,电极8贴在生物组织体9的表面,激励源7通过电极8向生物组织体9注入电流作为激励,在生物组织体9中产生焦耳热,引起热膨胀,产生超声信号,将中心频率为1MHz超声相控阵探头11通过耦合剂10与生物组织体9接触,利用超声探头11检测超声信号,超声信号经过放大采集器12进行信号放大和采集,放大采集器12的放大倍数为60dB,采集速率为50Msps,将采集的数据通过以太网传输到计算机13,根据检测的超声信号进行超声成像以及重建电阻抗图像,在计算机13中显示成像结果,根据超声图像和电阻抗图像进行疾病诊断。

Claims (4)

1.一种注入电流式热声成像方法,其特征在于,所述的注入电流式热声成像方法通过电极向成像目标体注入电流,在成像目标体中产生焦耳热,引起热膨胀,产生超声信号,根据检测的超声信号,重建声源分布和电导率分布。
2.根据权利要求1所述的注入电流式热声成像方法,其特征在于,所述的超声信号由注入的电流产生,成像目标体的电导率分布σ,注入电流I在成像目标体中产生的电场强度E,电流密度J=σE,产生的超声声压满足方程:
其中,p为声压,c为声速,β为等压膨胀系数,Cp为物体的比热容,t为时间,为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的注入电流式热声成像方法,其特征在于,所述的注入电流式热声成像方法步骤如下:
步骤1:通过电极向成像目标体注入电流,通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号;
步骤2:利用接收的超声信号重建声源分布;
已知注入电流式热声成像的声压波动方程:
式中,p(r,t)是在时刻t和位置r的声压,cs是热声源在耦合剂与目标体中的传播声速,CP和β分别表示目标体的比热容和体积膨胀系数,Q(r′)是r′位置的热声源分布;
对方程(1)利用时间反演法进行求解,得到热声源的重建公式:
式中,r为超声换能器位置、r′为热声源位置、S为超声换能器的检测面,n为检测面上超声换能器位置r的单位矢量;
选取目标体的某一断层面z=z0,断层面z=z0上利用时间反演法对方程(1)求解,获取热声源Q(x,y,z0);目标体上的热声源Q(x,y,z)通过断层数据在z方向的插值得到,或者通过移动超声换能器分层计算得到;
步骤3:获取目标体标量电位空间分量;
热声源分布同时是电导率和电场强度的函数,因此热声源表示为:
Q=σE2 (3)
式(3)中,Q为热声源分布,σ为目标体的电导率,E为目标体内电场强度分布;
所述的注入电流式热声成像方法主要用于生物组织的成像,考虑到生物组织的电导率较低,电场强度的空间分布表示为:
式(4)中,φ是标量电势,是哈密顿算符;
根据电流连续性定理,有:
对目标体进行空间离散,给出电导率的初值[σ]0,将[σ]0代入公式(5),利用线性有限元方法求解得到标量电位的空间分量[φ]0
步骤4:最优化迭代重建成像目标体电导率;
由公式(3)和公式(4)得到:
定义优化目标函数:
将标量电位的空间分量[φ]0代入优化目标函数中,通过最优化算法进行迭代,直到误差满足终止条件,所得的电导率即为最终目标体的电导率。
4.根据权利要求1所述的注入电流式热声成像方法,其特征在于,所述的注入电流为脉冲电流,脉冲电流的频谱分布在100MHz以下。
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