CN110333294A - 一种注入电流式热声成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种注入电流式热声成像方法，涉及电热声成像技术领域，采用A、B两个电极对目标体施加微秒宽的脉冲电压U(t)，目标体的电导率是σ，将目标体和超声换能器均浸没于电导率为0的去离子水中；由于感应的磁场非常小，采用电准静态场近似；其图像对比度高，不使用射线，安全环保，具有价格低廉、操作简单以及重复使用的优点，可以实现疾病的早期检测、诊断以及治疗康复过程中的监护，在医学成像领域的发展潜力非常大。

Description

一种注入电流式热声成像方法
技术领域
本发明涉及电热声成像技术领域，尤其涉及一种注入电流式热声成像方法。
背景技术
现在正处于应用的医学成像方法主要有纯光学成像、超声成像、X射线技术和核磁共振成像等，但是纯光学成像空间分辨率随着穿透组织的深度的增加迅速下降；超声成像针对病变组织其成像对比度比较低；X射线对人体有害，可能会导致癌变几率的增加；核磁共振成像设备成本造价高、使用及维护费用昂贵，成像速度非常慢。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种注入电流式热声成像方法(Applied Current Thermoacoustic Imaging,简称ACTAI)，其图像对比度高，不使用射线，安全环保，具有价格低廉、操作简单以及重复使用的优点，可以实现疾病的早期检测、诊断以及治疗康复过程中的监护，在医学成像领域的发展潜力非常大。
本发明提供如下技术方案：
一种注入电流式热声成像方法，采用A、B两个电极对目标体施加微秒宽的脉冲电压U(t)，目标体的电导率是σ，将目标体和超声换能器均浸没于电导率为0的去离子水中；由于感应的磁场非常小，采用电准静态场近似，ACTAI满足的电磁场定解模型为
其中φ和Γ分别是电标位和目标体的边界。电标位可以从式(1)中求出。
那么目标体内的电场强度为
则目标体内的电流密度为
J＝σE (3)
目标体吸收焦耳热，热函数Q(r′,t)为
Q(r′,t)＝σ|E(r′,t)|2 (4)
声压满足的波动方程为
通过格林函数积分解或者是仿真计算即可求得热声场的分布。
其中，φ和Γ分别是电标位和目标体的边界，即能从式(1)中求出电标位φ。n是边界S的法向单位矢量，▽·()是指对括号内矢量求散度；
-▽φ是指φ的梯度的负值，r’和t分别是指目标体的位置和时间，r表示声源的位置，cs表示声速、Cp表示介质比热容、β表示膨胀系数。
以下提供一些具体实施方式中的本发明热声成像方法的仿真分析方法。
仿真分析方法：
建立仿真模型的原始电导率和模型之间的位置关系如图1所示。图1(a)和(b)分别为简单模型和复杂模型，外围长方形模拟正常组织，其长、宽分别为0.04m和0.03m，电导率为1S/m，A端施加电压为U(t)＝100g(t)V，其中g(t)参数与2.1.2节相同，B端接地。图1(a)的内部的正方形模拟肿瘤组织，中心位置为(0,0)m，其边长为0.01m，电导率为5S/m；图1(b)的内部椭圆形和圆形模拟肿瘤组织，椭圆的中心位置为(-0.005,0)m，椭圆的长半轴和短半轴分别为0.01m和0.005m，其电导率为5S/m，圆形的半径为0.005m，中心位置为(0.005,0.01)m，其电导率为5S/m。
在求解电场强度时，利用有限元方法对式(1)求解，可以得到目标体的电标位，进而可以利用式(2)和式(3)求解目标体内的电场强度和电流密度。在t＝0.5μs时刻，计算得到的简单模型和复杂模型中电场强度模值分别如图2(a)和(b)所示，此时简单模型和复杂模型中电流密度模值分别如图3(a)和(b)所示。
由图2和图3可以看出，对于目标体内部结构比较复杂的情况下，其电场强度和电流密度的分布也趋于复杂化。内部电导率比较高的区域，其电流密度也比较大，并且目标体中电流密度的模值和目标体电导率的变化相对应，电导率比较大的区域中电流密度也大，电导率小的区域中电流密度也变小，电导率均匀的区域中电流密度并不是均匀的。
仿真得到的简单模型和复杂模型中热函数在t＝0.5μs时刻的分布分别如图4(a)和(b)所示。图5(a)和(b)分别是简单模型和复杂模型中的热函数在t＝0.5μs时刻，y＝0直线上随着x变化的分布图。
由图4和图5可以看出，对于目标体内部电导率复杂的模型，热函数的分布也趋于复杂，目标体中热函数与目标体电导率的变化相对应，内部电导率比较高的区域，其热函数也比较大，激发的声源也大。因此，声源的强度与目标体中电导率的分布存在着对应关系，但是电导率均匀的区域中热函数并不是均匀的。
注入电流式热声成像中，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声换能器接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声换能器的脉冲响应函数h(t)的卷积，即
式(6)表明，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声换能器的响应特性。
下面分别是对图1中的简单模型和复杂模型激发的声信号进行的模拟仿真：
将目标体和超声换能器均放置于去离子水中，其电导率为0，目标体和去离子水中声速为1500m/s。先通过注入电流式热声成像正问题求得声压，然后利用式(6)将仿真得到的声压与超声换能器的脉冲响应进行卷积，可以求解得超声换能器最终测得的信号。
超声换能器的中心频率为1MHz，将超声换能器放置于点(0.02,0)m位置，此点的声压波形如图6所示，其中图(a)所示为简单模型产生声压，图(b)所示为复杂模型产生的声压；超声换能器接收到的声信号随着时间的变化曲线如图7所示，其中图(a)所示为简单模型产生的声信号，图(b)所示为复杂模型产生的声信号。
从仿真的声信号分布曲线可以看出，声信号幅值发生变化的位置与仿真模型电导率变化的位置相对应。
图6(a)和图7(a)为简单模型的声信号波形，简单模型激发的四个脉冲信号通过与超声换能器卷积后得到四个波簇，这四个波簇分别与目标体电导率变化的位置相对应。第一个波簇对应于声波从模拟正常组织的外围正方形的边界(0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈3.3μs；第二个波簇对应声波从模拟肿瘤正方形靠近超声换能器边界(0.005,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.005)/1500＝10μs；第三个波簇对应声波从模拟肿瘤正方形远离超声换能器边界(-0.005,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.005)/1500≈16.7μs；第四个波簇对应声波从模拟正常组织正方形的第二个边界(-0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.015)/1500≈23.3μs。
图6(b)和图7(b)为复杂模型的声信号波形，复杂模型激发的五个脉冲信号通过与超声换能器卷积后得到五个波簇，这五个波簇分别与目标体电导率变化的边界相对应。第一个波簇对于声波从模拟正常组织的外围正方形的边界(0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈3.3μs；第二个波簇对应声波从模拟肿瘤圆形靠近超声换能器边界传播到超声换能器位置的时间，即 第三个波簇对应声波从模拟肿瘤椭圆形靠近超声换能器边界(0,0)m传播到超声换能器位置的时间，即0.02/1500≈1.3μs；第四个波簇对应声波从模拟肿瘤椭圆形的第二个边界(-0.01,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.01)/1500＝20μs。第五个波簇对应声波从模拟正常组织正方形的第二个边界(-0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈23.3μs。
因此，超声换能器测得的声信号也可以反映模型电导率的变化情况，此仿真结果能够为注入电流式热声成像的实验提供效果证明。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)针对环形扫描热声成像，提出了基于时间反演法(或压缩感知理论)的最小二乘迭代重建算法，从热声信号中重建了热吸收系数分布图像和电导率分布图像；针对线性扫描热声成像，仿真分析了二维模型下的热声图像，设计搭建了线性和环形扫描成像实验系统，实现了MHz频率磁场激励下凝胶仿体(37S/m)的热吸收系数和电导率成像，为推进MMTAI的生物医学应用奠定了基础。
(2)提出了注入电流式热声成像方法，建立了注入电流式热声成像(Appliedcurrent thermo-acoustic imaging,ACTAI)的数学物理模型并开展了正问题仿真分析，设计搭建了成像实验系统，对凝胶仿体模型(0.2S/m)进行了热声信号测量，仿真与实验对比验证了实验的可靠性。针对离体猪肉获得了反映组织的电特性差异的线性扫描热声图像，验证了ACTAI在生物医学成像领域的可行性。
(3)在微秒脉冲激励条件下，首次对磁声效应和热声效应进行了对比研究，初步得出了热声效应占优、可以忽略磁声效应的结论。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明注入电流式热声成像方法目标体电导率模型图；
图2是本发明注入电流式热声成像方法在0.5μs时，目标体中电场强度模值的分布图；
图3是本发明注入电流式热声成像方法在0.5μs时，目标体中电流密度模值的分布图；
图4是本发明注入电流式热声成像方法在0.5μs时，目标体中的热函数分布图；
图5是本发明注入电流式热声成像方法在直线y＝0上0.5μs时刻，热函数随着x变化的分布图；
图6是本发明注入电流式热声成像方法仿真的原始声信号；
图7是本发明注入电流式热声成像方法仿真超声换能器接收信号；
图8是本发明注入电流式热声成像方法的成像原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种注入电流式热声成像方法，采用A、B两个电极对目标体施加微秒宽的脉冲电压U(t)，目标体的电导率是σ，将目标体和超声换能器均浸没于电导率为0的去离子水中；由于感应的磁场非常小，采用电准静态场近似，ACTAI满足的电磁场定解模型为：
其中φ和Γ分别是电标位和目标体的边界。电标位可以从式(1)中求出。
那么目标体内的电场强度为
则目标体内的电流密度为
J＝σE (3)
目标体吸收焦耳热，热函数Q(r′,t)为
Q(r′,t)＝σ|E(r′,t)|2 (4)
声压满足的波动方程为
通过格林函数积分解或者是仿真计算即可求得热声场的分布。
仿真分析
建立仿真模型的原始电导率和模型之间的位置关系如图1所示。图1(a)和(b)分别为简单模型和复杂模型，外围长方形模拟正常组织，其长、宽分别为0.04m和0.03m，电导率为1S/m，A端施加电压为U(t)＝100g(t)V，其中g(t)参数与2.1.2节相同，B端接地。图1(a)的内部的正方形模拟肿瘤组织，中心位置为(0,0)m，其边长为0.01m，电导率为5S/m；图1(b)的内部椭圆形和圆形模拟肿瘤组织，椭圆的中心位置为(-0.005,0)m，椭圆的长半轴和短半轴分别为0.01m和0.005m，其电导率为5S/m，圆形的半径为0.005m，中心位置为(0.005,0.01)m，其电导率为5S/m。
在求解电场强度时，利用有限元方法对式(1)求解，可以得到目标体的电标位，进而可以利用式(2)和式(3)求解目标体内的电场强度和电流密度。在t＝0.5μs时刻，计算得到的简单模型和复杂模型中电场强度模值分别如图2(a)和(b)所示，此时简单模型和复杂模型中电流密度模值分别如图3(a)和(b)所示。
由图2和图3可以看出，对于目标体内部结构比较复杂的情况下，其电场强度和电流密度的分布也趋于复杂化。内部电导率比较高的区域，其电流密度也比较大，并且目标体中电流密度的模值和目标体电导率的变化相对应，电导率比较大的区域中电流密度也大，电导率小的区域中电流密度也变小，电导率均匀的区域中电流密度并不是均匀的。
仿真得到的简单模型和复杂模型中热函数在t＝0.5μs时刻的分布分别如图4(a)和(b)所示。
图5(a)和(b)分别是简单模型和复杂模型中的热函数在t＝0.5μs时刻，y＝0直线上随着x变化的分布图。
由图4和图5可以看出，对于目标体内部电导率复杂的模型，热函数的分布也趋于复杂，目标体中热函数与目标体电导率的变化相对应，内部电导率比较高的区域，其热函数也比较大，激发的声源也大。因此，声源的强度与目标体中电导率的分布存在着对应关系，但是电导率均匀的区域中热函数并不是均匀的。
注入电流式热声成像中，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声换能器接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声换能器的脉冲响应函数h(t)的卷积，即
式(6)表明，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声换能器的响应特性。
下面分别是对图1中的简单模型和复杂模型激发的声信号进行的模拟仿真。将目标体和超声换能器均放置于去离子水中，其电导率为0，目标体和去离子水中声速为1500m/s。先通过注入电流式热声成像正问题求得声压，然后利用式(6)将仿真得到的声压与超声换能器的脉冲响应进行卷积，可以求解得超声换能器最终测得的信号。
超声换能器的中心频率为1MHz，将超声换能器放置于点(0.02,0)m位置，此点的声压波形如图6所示，其中图(a)所示为简单模型产生声压，图(b)所示为复杂模型产生的声压；超声换能器接收到的声信号随着时间的变化曲线如图7所示，其中图(a)所示为简单模型产生的声信号，图(b)所示为复杂模型产生的声信号。
从仿真的声信号分布曲线可以看出，声信号幅值发生变化的位置与仿真模型电导率变化的位置相对应。图6(a)和图7(a)为简单模型的声信号波形，简单模型激发的四个脉冲信号通过与超声换能器卷积后得到四个波簇，这四个波簇分别与目标体电导率变化的位置相对应。第一个波簇对应于声波从模拟正常组织的外围正方形的边界(0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈3.3μs；第二个波簇对应声波从模拟肿瘤正方形靠近超声换能器边界(0.005,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.005)/1500＝10μs；第三个波簇对应声波从模拟肿瘤正方形远离超声换能器边界(-0.005,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.005)/1500≈16.7μs；第四个波簇对应声波从模拟正常组织正方形的第二个边界(-0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.015)/1500≈23.3μs。图6(b)和图7(b)为复杂模型的声信号波形，复杂模型激发的五个脉冲信号通过与超声换能器卷积后得到五个波簇，这五个波簇分别与目标体电导率变化的边界相对应。第一个波簇对于声波从模拟正常组织的外围正方形的边界(0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈3.3μs；第二个波簇对应声波从模拟肿瘤圆形靠近超声换能器边界传播到超声换能器位置的时间，即第三个波簇对应声波从模拟肿瘤椭圆形靠近超声换能器边界(0,0)m传播到超声换能器位置的时间，即0.02/1500≈1.3μs；第四个波簇对应声波从模拟肿瘤椭圆形的第二个边界(-0.01,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02+0.01)/1500＝20μs。第五个波簇对应声波从模拟正常组织正方形的第二个边界(-0.015,0)m传播到超声换能器位置的时间，即(0.02-0.015)/1500≈23.3μs。因此，超声换能器测得的声信号也可以反映模型电导率的变化情况，此仿真结果可以为注入电流式热声成像的实验提供效果证明。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：采用A、B两个电极对目标体施加微秒宽的脉冲电压U(t)，目标体的电导率是σ，将目标体和超声换能器均浸没于电导率为0的去离子水中；由于感应的磁场非常小，采用电准静态场近似，注入电流式热声成像方法满足的电磁场定解模型为：
其中，φ和Γ分别是电标位和目标体的边界，即能从式(1)中求出电标位φ；n是边界S的法向单位矢量，▽·()是指对括号内矢量求散度。
2.根据权利要求1所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：目标体内的电场强度E，为
其中，-▽φ是指φ的梯度的负值；
目标体内的电流密度J，为
J＝σE； (3)
目标体吸收焦耳热，热函数Q(r′,t)为
Q(r′,t)＝σ|E(r′,t)|2； (4)
其中，r’和t分别是指目标体的位置和时间；
则，声压p(r,t)满足的波动方程为
其中，r表示声源的位置，cs表示声速、Cp表示介质比热容、β表示膨胀系数。
3.根据权利要求2所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：获得声压波动方程后，通过格林函数积分解或者仿真计算，最终求得热声场的分布。
4.根据权利要求2所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：注入电流式热声成像中，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声换能器接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声换能器的脉冲响应函数h(t)的卷积，即
5.根据权利要求4所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：在式(6)中，超声换能器接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声换能器的响应特性。
6.根据权利要求2所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：在求解电场强度时，利用有限元方法对式(1)求解，可以得到目标体的电标位，进而可以利用式(2)和式(3)求解目标体内的电场强度和电流密度。
7.根据权利要求6所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：目标体内部结构复杂，其电场强度和电流密度的分布也趋于复杂化；内部电导率越高的区域，其电流密度越大，并且目标体中电流密度的模值和目标体电导率的变化相对应；电导率变大的区域中电流密度也变大，电导率变小的区域中电流密度也变小，电导率均匀的区域中电流密度并不均匀。
8.根据权利要求7所述的一种注入电流式热声成像方法，其特征在于：热函数的分布也趋于复杂，目标体中热函数与目标体电导率的变化相对应，内部电导率越高的区域，其热函数越大，激发的声源也越大；故声源的强度与目标体中电导率的分布相对应，但是电导率均匀的区域中热函数并不均匀。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111887807A (zh) * 2020-03-13 2020-11-06 中国石油大学(华东) 一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统
CN111948291A (zh) * 2020-03-13 2020-11-17 中国石油大学(华东) 一种纳秒脉冲电场诱导热声成像的电导率重建方法
CN112694974A (zh) * 2020-11-26 2021-04-23 中国石油大学(华东) 针对纳秒脉冲电场消融动态监测系统构建及监测方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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