CN107064302A - 一种注入电流式热声成像电导率重建方法 - Google Patents

一种注入电流式热声成像电导率重建方法 Download PDF

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Abstract

一种注入电流式热声成像电导率重建方法，基于电流注入方式的热声成像原理。通过电极向成像目标体注入脉冲电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，用超声换能器接收超声信号，对接收到的超声信号进行处理和采集，采用电导率图像重建算法获取目标体的电导率图像。具体步骤为：1、首先获取注入电流式热声信号；2、利用获取的注入电流式热声信号重建目标体热声源；3、利用热声源，采用非线性有限元求解方法重建标量电位；4、利用重建的标量电位重建电导率。

Description

一种注入电流式热声成像电导率重建方法
技术领域
本发明涉及一种电导率图像重建方法，特别涉及一种注入电流式热声成像的电导率重建方法。
背景技术
由于激励频率的限制，传统电阻抗成像技术的灵敏度和空间分辨率不高。单一场都有其物理局限性，多物理场成像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，成为人们研究的热点，磁热声成像正是一种新兴的多物理场成像技术。
磁热声成像是由新加坡南洋理工大学的Feng在2013年首次提出的新型的电阻抗成像方法，其原理为：通过对导电成像体施加MHz量级的交变磁场，在目标体内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发热弹性的超声信号，检测超声信号进行成像。与微波热声成像相比，允许更低的功率进行高效的成像，并且具有便携式成像的潜力，同时，激励源的频率降低，使得磁场穿透组织更深，也避免的辐射。
作为一种新型的多物理场成像方法，2013年Feng利用金属铜仿体，检测到磁热声信号，并得到铜仿体的热声图像，并未进行电导率图像重建，且生物组织不同于金属铜仿体，磁场和感应电流作用产生的洛伦兹力较弱。专利“一种磁热声成像的电导率重建方法”(201410773988.5)公布了一种基于磁热声效应的电导率重建方法，其在热函数基础上提出了电导率重建方法，依然为采用线圈激励方式。同时，外加激励线圈产生时变磁场在目标体中产生二次磁场和感应电流，磁场和感应电流作用同时产生洛伦兹力和焦耳热，即磁声效应和磁热声效应共存，如何区分磁声效应和磁热声效应是仍需解决的问题。
基于此，采用注入电流式热声成像方法，可以避开磁声效应和磁热声效应共存问题，注入电流式热声成像与磁热声成像在激励方式、从热函数到电导率的重建方法上均不相同。
发明内容
本发明的目的是克服现有磁热声成像存在的问题，提出一种基于注入电流式热声成像的电导率重建方法，利用热声源重建电导率。本发明避免了热声成像过程中磁声效应的干扰，同时采用注入电流式激励，可增强热声效应，可实现目标体电导率图像的精确重建。
注入电流式热声成像原理为：通过注入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。采用超声换能器进行检测，根据检测的超声信号，重建热声源和电导率。
本发明注入电流式热声成像的电导率图像重建包括四个步骤：1、首先获取注入电流式热声信号，即检测超声信号；2、利用获取的注入电流式热声信号重建目标体热声源；3、利用热声源，采用非线性有限元求解方法重建标量电位；4、利用重建的标量电位重建电导率。
具体描述如下：
第一步：获取注入电流式热声信号
信号发生器和功率放大器组成脉冲激励源，通过注入电极A和注入电极B对目标体注入电流，目标体在电流作用下产生焦耳热，进而产生热膨胀，激发超声信号，超声信号通过耦合剂耦合到超声换能器，超声换能器接收到信号后通过信号处理器进行信号的放大和滤波，经数据采集系统后进行存储，超声换能器在控制器控制下对目标体进行扫描检测；
第二步：获取目标体热声源
已知热声成像的声压波动方程：
其中r为超声换能器位置，p(r,t)是声压，cs为介质中的声速，CP为目标体(5)的比热容，β为目标体的热膨胀系数，δ(t)是狄拉克函数，S(r)为热声源分布，t为时间，为拉普拉斯算符；
热声源分布的时间反演法重建公式为：
其中，R为标量，R＝|r′-r|，R为矢量，eR为单位矢量，r'是超声探头的位置，r为热声源位置，Sd是超声探头所在的平面，p′是声压对时间的一阶导数，n是r′位置Sd的法线矢量，β为目标体的热膨胀系数；
选取目标体的某一断层面z＝z1，超声换能器在此断层面上进行圆周扫描，采集超声信号，利用方程(1)和公式(2)，求解z＝z1断层面上的热声源分布S(x,y,z1)，移动超声换能器在不同断层面上进行扫描检测，求解不同断层面上的热声源分布，目标体上整体热声源S可由分层检测计算或z方向上插值得到；
热声源S同时是电导率和电场强度的函数，可以表示为：
S＝σE2＝σE·E (3)
其中，σ为目标体的电导率，E为目标体内电场强度分布；
第三步：求解标量电位
所述的注入电流式热声成像方法，电场强度的空间分布表示为：
式(4)中，φ是标量电位，是哈密顿算符；
针对生物组织，采用电准静态近似，根据电流连续性定理，有：
其中，为散度符号，是标量电位φ的梯度；
由公式(3)和(4)，可得到
将公式(6)代入公式(5)中
满足的边界条件为：
其中，ΓA,B为注入电极位置，Γg为除去电极之外的目标体边界，A0为电极与目标体接触面积，I为注入电流，为φ的法向导数；
将热声源S代入公式(7)，结合边界条件公式(8)，进行有限元法求解，即可重建得到标量电位φ；
第四步：求解电导率
将标量电位φ代入公式(6)，即可重建电导率σ。
附图说明
图1本发明重建方法所涉及的注入电流式热声信号获取装置示意图；
图中：1信号发生器、2功率放大器、3水槽、4注入电极A、5目标体、6注入电极B、7超声换能器、8信号处理器、9数据采集系统、10图像重建模块、11控制器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明重建方法所涉及的注入电流式热声信号获取装置主要包括激励系统、检测系统、控制器和目标体四个部分。如图1所示，所述的激励系统包括信号发生器1、功率放大器2、注入电极A4和注入电极B6。所述的检测系统包括超声换能器7、信号处理器8、数据采集系统9和图像重建模块10。信号发生器1驱动功率放大器2，通过注入电极A4和注入电极B6向目标体5注入电流信号。超声换能器7与目标体5之间通过耦合剂耦合，超声换能器7的输出端连接信号处理器8的输入端，信号处理器8的输出端连接数据采集系统9的输入端，数据采集系统9连接图像重建模块10。控制器11实现对超声换能器7的旋转扫描运动控制。
注入电流式热声成像原理为：通过注入电极A4和注入电极B6向成像目标体5注入电流，在成像目标体5中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，采用超声换能器7进行检测超声信号，根据检测的超声信号，由图像重建模块10重建热声源和电导率。
本发明注入电流式热声成像的电导率图像重建包括四个步骤：1、首先获取注入电流式热声信号，即检测超声信号；2、利用获取的超声信号重建目标体热声源；3、利用热声源，采用非线性有限元求解方法重建标量电位；4、利用重建的标量电位重建电导率。
图像重建的具体过程描述如下：
第一步：获取注入电流式热声信号
信号发生器1和功率放大器2组成脉冲激励源，脉冲激励源通过注入电极A4和注入电极B6对目标体5注入电流，目标体5在电流作用下产生焦耳热，进而产生热膨胀，激发超声信号，超声信号通过耦合剂耦合到超声换能器7，超声换能器7接收到信号后，通过信号处理器8进行信号的放大和滤波，经数据采集系统9后进行存储，超声换能器7在控制器11控制下对目标体5进行扫描检测；
第二步：获取目标体热声源
已知热声成像的声压波动方程：
其中r为超声换能器位置，p(r,t)是声压，cs为介质中的声速，CP为目标体(5)的比热容，β为目标体(5)的热膨胀系数，δ(t)是狄拉克函数，S(r)为热声源分布，t为时间，为拉普拉斯算符；
热声源分布的时间反演法重建公式为：
其中，R为标量，R＝|r′-r|，R为矢量，eR为单位矢量，r'是超声探头的位置，r为热声源位置，Sd是超声探头所在的平面，p′是声压对时间的一阶导数，n是r′位置Sd的法线矢量，β为目标体的热膨胀系数；
选取目标体的某一断层面z＝z1，超声换能器在此断层面上进行圆周扫描，采集超声信号，利用方程(1)和公式(2)，求解z＝z1断层面上的热声源分布S(x,y,z1)，移动超声换能器在不同断层面上进行扫描检测，求解不同断层面上的热声源分布，目标体上整体热声源S可由分层检测计算或z方向上插值得到；
热声源S同时是电导率和电场强度的函数，可以表示为：
S＝σE2＝σE·E (3)
其中，σ为目标体的电导率，E为目标体内电场强度分布；
第三步：求解标量电位
所述的注入电流式热声成像方法，电场强度的空间分布表示为：
式(4)中，φ是标量电位，是哈密顿算符；
针对生物组织，采用电准静态近似，根据电流连续性定理，有：
其中，为散度符号，是标量电位φ的梯度；
由公式(3)和(4)，可得到
将公式(6)代入公式(5)中
满足的边界条件为：
其中，ΓA,B为注入电极位置，Γg为除去电极之外的目标体边界，A0为电极与目标体接触面积，I为注入电流，为φ的法向导数；
将热声源S代入公式(7)，结合边界条件(8)，进行有限元法求解，即可重建得到标量电位φ；
第四步：求解电导率
将标量电位φ代入公式(6)，即可重建电导率σ。

Claims (1)

1.一种注入电流式热声成像电导率重建方法，所述的注入电流式热声电导率图像重建方法基于注入电流式热声成像原理，通过电极向成像目标体注入脉冲电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，用超声换能器接收超声信号，对接收到的超声信号进行处理和采集，采用电导率图像重建算法获取目标体的电导率图像，其特征在于：所述的注入电流式热声成像电导率重建方法包括以下步骤：
第一步：获取注入电流式热声信号
信号发生器(1)和功率放大器(2)组成脉冲激励源，通过注入电极A(4)和注入电极B(6)对目标体(5)注入电流，目标体(5)在电流作用下产生焦耳热，进而产生热膨胀，激发超声信号，超声信号通过耦合剂耦合到超声换能器(7)，超声换能器(7)接收到信号后通过信号处理器(8)进行信号的放大和滤波，经数据采集系统(9)后进行存储，由图像重建模块(10)重建热声源和电导率，超声换能器(7)在控制器(11)控制下对目标体(5)进行扫描检测；
第二步：获取目标体热声源
根据第一步采用一对注入电极A、注入电极B，向目标体注入电流后，引发热膨胀，激发声信号，检测到声压信号，采用声压信号重建目标体上整体热声源；
第三步：求解标量电位
所述的注入电流式热声成像方法，电场强度的空间分布表示为：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(4)中，φ是标量电位，是哈密顿算符；
针对生物组织，采用电准静态近似，根据电流连续性定理，有：
<mrow> <mo>&amp;dtri;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，为散度符号，是标量电位φ的梯度；
由公式S＝σE2＝σE·E和公式(4)，得到
<mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>S</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>E</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>S</mi> <mrow> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;dtri;</mo> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
将公式(6)代入公式(5)中
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满足的边界条件为：
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其中，ΓA,B为注入电极位置，Γg为除去电极之外的目标体边界，A0为电极与目标体接触面积，I为注入电流，为φ的法向导数；
将热声源S代入公式(7)，结合边界条件公式(8)，进行有限元法求解，即可重建得到标量电位φ；
第四步：求解电导率
将标量电位φ代入公式(6)，即可重建电导率σ。
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