CN107174202A - 一种基于主动探测的磁声成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动探测的磁声成像方法及系统，其中，所述基于主动探测的磁声成像方法通过对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；之后通过多通道数据采集模块对振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；之后根据振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。采用低频窄带激励信号大大降低了激励源设计要求，节约成像装置成本，对目标物体的位移信号进行主动探测和分析，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提高了采集效率及图像重建效果。

Description

一种基于主动探测的磁声成像方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别涉及基于主动探测的磁声成像方法及系统。

背景技术

癌症已成威胁人类健康的首要杀手。肿瘤机理研究表明，在肿瘤的发展过程中，血管新生会导致组织电导率变化。因而，测量组织电导率对于疾病的早期无创诊断具有重要应用价值。

磁声耦合成像是一种新型无创生物组织电特性功能成像技术，根据激励方式不同可分为注入电流式磁声耦合成像与感应式磁声耦合成像。感应式磁声耦合成像的原理图如图1所示，其主要原理是将目标体置于静态磁场B₀中，使用激励线圈代替驱动电极，对激励线圈施加高压脉冲电流J(t)产生脉冲磁场B(t)，脉冲磁场使目标体内产生感应电流密度J，感应电流密度J在静磁场B₀作用下产生洛伦兹力F_L，继而产生振动，激发出超声波，通过声换能器检测目标体四周的声波信号，这种使用单振元超声传感器接收声信号，都是属于被动探测，即生物组织受洛伦兹力后激发出超声波，经介质(一般为水)中传播出去，利用声传感器接收声波信号后转为电信号，以重建出目标体电导率分布图像，但该方式还存在许多问题。

首先，感应式磁声耦合成像通常采用μs级窄脉冲进行激励，受换能器工作频率范围限制，换能器能接收到的声信号能量有限，致使脉冲能量转换率不高；其次，换能器产生的电信号能量来自由洛伦兹力激发的微弱振动传播了几十毫米的声波，故此被动式接收的磁声信号微弱。为了提高对于弱导电的人体组织的灵敏度，已经发表的实施方法通常采用kV级高电压激励来提高感应电流密度J的强度，另外，微弱的磁声信号也易于受到高频空间电磁场耦合干扰，限制了成像质量；且声传感器接收到的声波信号是所有路径声波信号的积分和，外界噪声也混入其中，导致信号信噪比低(故要做放大滤波)，重建难度增大；同时采用单振元换能器和单通道系统接收磁声信号，令每次对线圈作脉冲激励后只能采集单一空间点的磁声信号，为了形成一帧二维图像，需要采用机械扫描装置带动单振元换能器于每一个像素采集数据，加上上述的灵敏度问题，采用重复多次激励采集信号来提高信噪比，导致采集时间长，目标体需要长时间暴露在脉冲磁场区域才能采集足够多的数据用以成像，且存在一定安全性问题。

并且，由于超声探头所要检测的超声波频率与激励磁场B(t)频率相同，因此，超声探头会受到来自激励线圈的不可避免的直接电磁干扰，此干扰信号与样品因受洛伦兹力机制所产生的信号无关，为了部分减少电磁干扰，探头可以放置在与感应线圈和样品更远的距离处，但这种做法同时也降低了灵敏度和信噪比

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于主动探测的磁声成像方法及系统，采用低频窄带激励信号大大降低了激励源设计要求，节约成像装置成本，同时采用多通道数据采集模块对目标物体的位移信号进行主动探测和分析，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提高了采集效率及图像重建效果。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于主动探测的磁声成像方法，其包括如下步骤：

A、对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；

B、位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；

C、通过多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；

D、根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述步骤C包括步骤：C1、由多通道数据采集模块向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号；

C2、根据所述超声回波信号计算目标物体各质点的振动位移及振速信息。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述步骤C1具体包括：由彼此成预设角度的超声探头沿各自的波束反向交替向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述步骤C2包括步骤：

C21、对超声回波信号原始数据做波速合成得到超声射频信号；

C22、对所述超声射频信号做希尔伯特变换后得到其正交分量信号；

C23、对所述正交分量信号做互相关计算，并将互相关系数极大值点处的位移除以相邻两帧数据间的时间间隔，得到对应于目标物体的相对平均移动速度；

C24、对所述相对平均移动速度做时间积分计算出目标物体各质点的振动位移。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述步骤D包括：

D1、根据位移控制方程以及目标物体各质点的振动位移得出洛伦兹力的值；

D2、根据洛伦兹力的值和当前磁场的总磁通密度计算电流密度；

D3、根据所述电流密度和当前激励线圈提供的电场强度得出电导率分布图像。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述位移控制方程为其中G为目标物体的剪切模量；υ为目标物体的泊松比；u为振动位移；ρ为目标物体的密度，f为洛伦兹力。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述总磁通密度为静态磁场的磁通密度和动态磁场的磁通密度的矢量叠加。

所述的基于主动探测的磁声成像方法中，所述低频窄带激励信号为低频连续正弦信号。

一种基于主动探测的磁声成像系统，其包括：

激励线圈；

信号发生器，用于对所述激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；

静磁场模块，用于提供静态磁场；

多通道数据采集模块，用于对目标物体产生的振动位移信号进行主动探测，根据探测信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；

重建模块，用于根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。

所述的基于主动探测的磁声成像系统中，所述多通道数据采集模块为多通道超声换能器。

相较于现有技术，本发明提供的基于主动探测的磁声成像方法及系统中，所述基于主动探测的磁声成像方法通过对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；之后位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；之后通过多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；之后根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。采用低频窄带激励信号大大降低了激励源设计要求，节约成像装置成本，同时采用多通道数据采集模块对目标物体的位移信号进行主动探测和分析，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提高了采集效率及图像重建效果。

附图说明

图1为现有技术中磁声耦合成像的原理图。

图2为本发明提供的基于主动探测的磁声成像方法的流程图。

图3为本发明提供的基于主动探测的磁声成像方法的原理图。

图4为本发明提供的基于主动探测的磁声成像系统的结构框图。

具体实施方式

鉴于现有技术，感应式磁声耦合成像采用的高压输出宽带脉冲激励方式存在的设计难度、低灵敏度和安全性等缺点，本发明的目的在于提供一种基于主动探测的磁声成像方法及系统，采用低频窄带激励信号大大降低了激励源设计要求，节约成像装置成本，同时采用多通道数据采集模块对目标物体的位移信号进行主动探测和分析，直接检测洛伦兹力产生的震动，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提高了采集效率及图像重建效果。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图2和图3，本发明提供的基于主动探测的磁声成像方法包括如下步骤：

S100、对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；

S200、位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；

S300、通过多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；

S400、根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。

具体实施时，如图3所示，将目标物体放置在静态磁场中，具体可采用永磁铁提供该静态磁场B₀，则目标物体位于永磁铁与激励线圈之间，之后对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生一动态磁场Bs(t)，所述低频窄带激励信号的频率范围为10Hz-10kHz，优选为0.1kHz，例如对激励线圈施加0.1kHz连续正弦激励信号I₀sin(ωt)产生动态磁场Bs(t)，目标物体在所述动态磁场Bs(t)下产生感应电流，感应电流在静态磁场B₀的作用下继而产生洛伦兹力F_L，目标物体因受洛伦兹力而产生振动，发出振动位移信号，之后通过放置在目标物体表面的多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，并根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息，之后根据所述振动位移及振速信息通过图像重建算法重建目标物体的电导率分布图像，实现了组织电导率分布的实时成像。

本发明采用低频窄带激励信号的激励方式，使用普通的信号发生器即可实现激励信号，大大降低了激励源的设计难度，降低了装置成本，同时针对现有的被动探测方式缺陷，本发明采用快速主动探测技术检测直接检测洛伦兹力产生的振动，同时由多通道采集模块向目标物体发射脉冲超声波，利用目标物体本身的声学特性产生反射或者散射回波，利用每次脉冲之间待测区域位移产生回波的相位变化，分析得到目标物体各质点的振动位移及振速信息，利用多通道采集方式大大提高数据采集效率，极大程度上缩短了采集时间，提高了成像方法的应用安全性及稳定性。同时本发明中的空间分辨率由多通道采集模块的脉宽决定，使得本发明的空间分辨率和激励磁场的频率、带宽等因数脱钩，可以分别优化，以达到最佳的成像效果。

当然，需说明的是，所述静磁场的实现方式不仅限于永磁铁，还可采用其他方式，利用使用电磁铁通入直流电产生静磁场等等，且永磁铁的形状和大小也可根据需求进行调整，同时所述低频窄带激励信号可根据具体需求选取不同的波形，例如低频连续正弦信号、低频连续三角波信号等等，本发明对此不作限定。

具体地，所述步骤S300包括步骤：

S301、由多通道数据采集模块向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号；

S302、根据所述超声回波信号计算目标物体各质点的振动位移及振速信息。

本实施例中，所述多通道数据采集模块可采用多通道超声换能器，具体可使用多通道超声数据采集平台来采集目标物体的振动位移信号。多通道可编程超声成像平台可直接提供多通道(>＝128)超声射频数据，。

基于多通道超声数据采集平台，使用其配置的多通道超声换能器，例如128通道或256通道线阵换能器以主动探测方式去检测目标物体的位移，具体为将该多通道超声换能器放置在目标物体的表面，向目标物体发射探测平面波，之后采集目标物体的超声回波信号，根据所述超声回波信号对其进行位移信号分析，计算得到目标物体各质点的振动位移及振速信息，以用于后续计算目标物体的电导率成像，针对目前感应式磁声耦合成像采用的单振元声换能器旋转接收磁声信号存在的检测精度低和实验时间长等问题采用，本发明该主动探测振动位移信号可以避免被动检测声信号低信噪比的限制，提升图像重建效果，同时多通道超声换能器相较单通道换能器采集效率高，极大程度降低采集所需时间，平台采集的原始数据含有生物组织各个像素点的丰富信息量，避免逐点扫描，可实现生物组织内部精确成像。

具体地，所述步骤S301具体包括：由彼此成预设角度的超声探头沿各自的波束反向交替向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号。传统的感应式磁声耦合成像图像重建方法中，通常是根据超声探头在有限数量的观测点获取压力p测量值后，从压力值中获取速度V的矢量场，进而计算出洛伦兹场、感应电流密度场和电导率，但是由于压力p测量值是超声探头在有限数量观测点的标量测量值，而速度V为矢量场，因此并没有足够的信息来玩去确定矢量场，使得速度V矢量场不确定，影响后续计算的准确性。

在本发明中，主动探测技术通过由彼此成预设角度的超声探头沿各自的波束反向交替向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号，即通过以彼此成预设角度(例如直角)定位的两个超声探头，每个探头沿其波束反向来提供速度分量，两个超声探头以交错的方式工作，进而直接提供了全速度矢量场，消除了获取速度V矢量场不确定的问题，提高图像重建的准确性。并且，本发明中，由于以独立于激励线圈频率的频率工作，从而规避了从激励线圈到超声探头的电磁干扰问题。事实上，激励频率与主动检测方法的脉冲重复频率(PRF)相同。即使激励线圈确实引起了对超声探头的相互作用，也可以通过超声子系统的前端(FE)和/或数字信号处理级中的高通滤波器容易地消除。

进一步地，所述步骤S302具体包括：

S321、对超声回波信号原始数据做波速合成得到超声射频信号；

S322、对所述超声射频信号做希尔伯特变换后得到其正交分量信号；

S323、对所述正交分量信号做互相关计算，并将互相关系数极大值点处的位移除以相邻两帧数据间的时间间隔，得到对应于目标物体的相对平均移动速度；

S324、对所述相对平均移动速度做时间积分计算出目标物体各质点的振动位移。

具体来说，多通道超声数据采集平台可提供超声回波信号原始数据，利用DAS(Delay and Sum，延时累加)对超声回波信号原始数据做波速合成可得超声射频(RF)信号，之后对所述超声射频信号做希尔伯特变换后得到其正交分量信号(IQ分量)，利用所得到的正交分量信号做互相关计算，将其互相关系数极大值点处的位移除以相邻两帧数据间的时间间隔，即可得到对应于目标物体的相对平均移动速度，即振速信息，最后对所述相对平均移动速度做时间积分计算出精确的目标物体各质点的相对位移距离，即其振动位移，从而实现了以主动检测方式来检测位移，能得到精确的振动位移信息以用于后续的电导率分布图像重建，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提升图像重建效果。具体的计算公式为：

其中I为RF信号的同相分量；Q为RF信号正交分量；u为组织相对平均位移估计量；M为取样容积数；N为时间取样窗口长度；c为声速；fc为RF信号的中心频率。

更进一步地，在得到各质点的振动位移及振速信息后，可根据图像重建算法重建目标物体的电导率分布图像，具体所述步骤S400包括步骤：

S401、根据位移控制方程以及目标物体各质点的振动位移得出洛伦兹力的值；

S402、根据洛伦兹力的值和当前磁场的总磁通密度计算电流密度；

S403、根据所述电流密度和当前激励线圈提供的电场强度得出电导率分布图像。

当得到目标物体各质点的振动位移后，因目标物体内的感应电流J在磁场B₀受洛伦兹力f而产生振动，即可视其为目标体物内的振动源，因此利用位移控制方程可得出洛伦兹力f，具体所述位移控制方程为其中G为目标物体的剪切模量；υ为目标物体的泊松比；u为振动位移；ρ为目标物体的密度，f为洛伦兹力。

得到洛伦兹力f后，由于洛伦兹力f＝J×B，其中J为电流密度，B为总磁通密度，因此根据洛伦兹力的值和当前磁场的总磁通密度计算电流密度，其中所述总磁通密度为静态磁场的磁通密度和动态磁场的磁通密度的矢量叠加，静态磁场的磁通密度由静态磁场提供方式决定，例如永磁铁的固有参数，动态磁场的磁通密度由激励线圈决定。

得出电流密度J之后，即可根据所述电流密度和当前激励线圈提供的电场强度得出电导率分布图像，即J＝σE，其中E为当前激励线圈提供的电场强度，其由激励线圈的参数决定，σ为电导率，得到电导率σ之后继而可得到目标物体的电导率分布特性图像，实现基于主动探测的磁声成像。

在本发明另一个实施例中，激励线圈和数据采集以不同的频率重复。这种方法提供丰富的信息，因为感应电流密度(J)与电导率的关系不是直接成比例的，并且可以通过分析来自不同频率感应过程的数据来改善电导率的重建。

进一步地，不同的线圈激励频率可以组合到单个或少数激发脉冲，例如，在编码的激励信号或“chirp”频率扫描激励信号中。

在本发明另一个实施例中，激励磁场由提供空间变化的感应磁场的多个分量线圈提供。使用不同分布和/或定向的感应场重复磁场激励和数据采集。这种方法使高级数据分析方法能够在电导率3维成像中有更高的分辨率。

在本发明另一个实施例中，使用单个超声探头，并且仅获得速度分量(而不是全速矢量)。这导致定量确定电导率的能力降低，然而，洛伦兹力诱导振动的图像仍然是定性有用的图像，其优点是系统复杂性和成本降低。

在本发明另一个实施例中，通过仅使用单个超声探头的替代方法来提供洛伦兹力诱导的速度矢量。可以使用诸如矢量多普勒法的多种方法。

在本发明另一个实施例中，超声波主动检测子系统使用传统的彩色多普勒成像来提供速度映射，该技术只能提供有限的时间和空间分辨率，然而，这具有降低系统复杂度和成本以及广泛可用性的优点。

在本发明另一个实施例中，超声波主动检测子系统采用脉冲波多普勒测量(PWD)方法来在单个点或在某些情况下沿着光束线提供几个点的速度测量，这种方法提供了出色的时间分辨率，信噪比和抗干扰能力，但是检测点的数量从几万个降低到几个点。

在本发明另一个实施例中，超声波主动检测子系统采用连续波多普勒测量(CWD)来在单个点提供速度测量。这种方法提供优异的时间分辨率并允许更高的激发频率。然而，检测位置减少到一个，空间分辨率相对较低。这种方法的一个优点是大大降低了探头和系统硬件的复杂性和成本。

本发明还相应提供一种基于主动探测的磁声成像系统，如图4所示，所述基于主动探测的磁声成像系统包括激励线圈10、信号发生器20、静磁场模块30、多通道数据采集模块40和重建模块50，其中，所述信号发生器20用于对所述激励线圈10施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；所述静磁场模块30用于提供静态磁场；所述多通道数据采集模块40用于对目标物体产生的振动位移信号进行主动探测，根据探测信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；所述重建模块50用于根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。具体请参阅上述方法对应的实施例。

其中所述静磁场模块30可选用永磁铁，或者使用电磁铁通入直流电产生静磁场；所述多通道数据采集模块40采用多通道超声换能器，例如可使用多通道超声数据采集平台来采集目标物体的振动位移信号，具体请参阅上述方法对应的实施例。

综上所述，本发明提供的基于主动探测的磁声成像方法及系统中，所述基于主动探测的磁声成像方法通过对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；之后位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；之后通过多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；之后根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。采用低频窄带激励信号大大降低了激励源设计要求，节约成像装置成本，同时采用多通道数据采集模块对目标物体的位移信号进行主动探测和分析，有效避免了被动检测声信号低信噪比的限制，提高了采集效率及图像重建效果。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；

B、位于静态磁场中的目标物体在动态磁场和静态磁场的作用下产生洛伦兹力，并在洛伦兹力的作用下产生振动位移信号；

C、通过多通道数据采集模块对所述振动位移信号进行主动探测，根据目标物体反馈的回波信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；

D、根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。

2.根据权利要求1所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述步骤C包括步骤：

C1、由多通道数据采集模块向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号；

C2、根据所述超声回波信号计算目标物体各质点的振动位移及振速信息。

3.根据权利要求2所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述步骤C1具体包括：由彼此成预设角度的超声探头沿各自的波束反向交替向目标物体发射探测平面波，并采集目标物体的超声回波信号。

4.根据权利要求3所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述步骤C2包括步骤：

C21、对超声回波信号原始数据做波速合成得到超声射频信号；

C22、对所述超声射频信号做希尔伯特变换后得到其正交分量信号；

C23、对所述正交分量信号做互相关计算，并将互相关系数极大值点处的位移除以相邻两帧数据间的时间间隔，得到对应于目标物体的相对平均移动速度；

C24、对所述相对平均移动速度做时间积分计算出目标物体各质点的振动位移。

5.根据权利要求1所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述步骤D包括：

D1、根据位移控制方程以及目标物体各质点的振动位移得出洛伦兹力的值；

D2、根据洛伦兹力的值和当前磁场的总磁通密度计算电流密度；

D3、根据所述电流密度和当前激励线圈提供的电场强度得出电导率分布图像。

6.根据权利要求5所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述位移控制方程为其中G为目标物体的剪切模量；υ为目标物体的泊松比；u为振动位移；ρ为目标物体的密度，f为洛伦兹力。

7.根据权利要求5所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述总磁通密度为静态磁场的磁通密度和动态磁场的磁通密度的矢量叠加。

8.根据权利要求1所述的基于主动探测的磁声成像方法，其特征在于，所述低频窄带激励信号为低频连续正弦信号。

9.一种基于主动探测的磁声成像系统，其特征在于，包括：

激励线圈；

信号发生器，用于对所述激励线圈施加低频窄带激励信号，产生动态磁场；

静磁场模块，用于提供静态磁场；

多通道数据采集模块，用于对目标物体产生的振动位移信号进行主动探测，根据探测信号分析目标物体各质点的振动位移及振速信息；

重建模块，用于根据所述振动位移及振速信息重建目标物体的电导率分布图像。

10.根据权利要求9所述的基于主动探测的磁声成像系统，其特征在于，所述多通道数据采集模块为多通道超声换能器。