CN111358465B - 一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法。包括：磁体、线阵探头、电极对和数据处理模块；磁体包括分别设置于目标体上方和下方的第一磁铁和第二磁铁，磁体在目标体处产生均匀的磁场；线阵探头向目标体的上部分发出垂直于磁场方向的超声波；电极对包括贴附于目标体表面下部分且相对设置的两个电极；线阵探头绕目标体旋转，对目标体做360度扫描；电极对采集线阵探头在不同旋转角度下以及横向扫描下不同扫描线单独作用时目标体产生的电压信号；控制模块，与电极对信号连接，根据电极对采集到的电压信号，采用滤波逆投影算法对目标体进行电导率成像。本发明能够完整地重建形状不规则目标体的电参数图像，减少成像时间，降低操作复杂度。

Description

一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法

技术领域

本发明涉及电导率成像领域，特别是涉及一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法。

背景技术

磁声电成像是一种新型的混合成像方法，它结合了电阻抗成像的高对比度特性以及超声成像的高分辨率特性，是一种具有很好应用潜力的医学成像方法。它的成像原理是由超声换能器发射一束超声波注入目标体内，目标体内的离子随着超声传播而发生振动，在静磁场的作用下，正负离子受到方向不同的洛伦兹力而发生电荷分离，进而在目标体内形成稳定的电场，再由目标体表面的接收电极检测电压信号用于电参数成像。

现有的技术方案是：目标体置于静磁场中，仿体表面贴有一对电极，单阵元超声探头向仿体发射超声波，采集磁声电信号。但是，现有技术中的磁声电成像系统存在以下技术缺陷：

对于形状不规则的目标体难以完整地重建图像，因为当超声波束与目标体表面垂直时，测得的电压信号是最强的，当有一定角度时，测得的电压信号与该角度有关，特别是超声波束与目标体平行时，则得不到电压信号。单阵元超声探头要做机械扫描，成像时间长和操作复杂度高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法，能够完整地重建形状不规则目标体的电参数图像，减少成像时间，降低操作复杂度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统，包括：磁体、线阵探头、电极对以及数据处理模块；所述磁体包括分别设置于目标体上方的第一磁铁以及设置于目标体下方的第二磁铁，所述磁体在所述目标体处产生均匀的磁场；所述线阵探头向所述目标体的上部分发出垂直于磁场方向的超声波；所述电极对包括贴附于所述目标体表面下部分且相对设置的两个电极；

所述线阵探头以设定的角度间隔绕所述目标体旋转，对所述目标体做360度扫描；所述电极对采集所述线阵探头在不同旋转角度下以及横向扫描下不同扫描线单独作用时所述目标体产生的电压信号；所述控制模块，与所述电极对信号连接，用于根据所述电极对采集到的电压信号，采用滤波逆投影算法对所述目标体进行电导率成像。

可选的，所述线阵探头每隔设定旋转角度，对所述目标体进行一次扫描，直至旋转完360度。

可选的，所述电极对中两个电极之间的连线与所述线阵探头的超声波发射方向垂直。

可选的，所述电极对的数量为多个，在所述目标体的周向上均匀设置，分别用于采集所述线阵探头在不同旋转角度下对所述目标体进行扫描时所述目标体产生的电压信号。

本发明还提供了一种基于滤波逆投影的磁声电成像方法，该方法应用于本发明提供的基于滤波逆投影的磁声电成像系统，所述方法包括：

线阵探头在各设定旋转角度下，以横向扫描的方式对目标体进行扫描，相应的电极对采集所述目标体产生的电压信号；

对所述电压信号进行预处理；

根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像。

可选的，所述预处理包括：带通滤波处理和包络检测处理。

可选的，所述根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像，具体包括：

根据

计算投影数据R_v(p,θ)，其中，V_ij(t)为线阵探头在第j个旋转角度下以及第i条扫描线单独扫描下，目标体产生的电压信号，t为时间，N为线阵探头设置的扫描线的数量，θ＝j·Δθ，Δθ为线阵探头每次旋转的设定角度；

根据Radon逆变换公式，使用包含不同旋转角度以及不同扫描线信息的投影数据R_v(p,θ)求得所述目标体空间各点的像素值，以重建目标体的电导率图像。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于滤波逆投影的磁声电成像系统及方法，由于使用了电子线阵探头并且对目标体进行了360度扫描，所以对于形状不规则的目标体，也可以重建出具有完整轮廓形状的电参数图像。而且使用电子线阵探头代替单阵元探头，节省了成像时间和降低了操作复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于滤波逆投影的磁声电成像系统的基本结构示意图；

图2和图3为本发明实施例中基于滤波逆投影的磁声电成像系统的工作原理示意图；

图4为本发明实施例中磁声电信号的投影方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的第一方面提供了一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统，如图1所示，该系统包括：磁体、线阵探头3、电极对4以及数据处理模块；所述磁体包括分别设置于目标体2上方的第一磁铁以及设置于目标体2下方的第二磁铁，所述磁体在所述目标体2处产生均匀的磁场1；所述线阵探头3向所述目标体2的上部分发出垂直于磁场1方向的超声波；所述电极对4包括贴附于所述目标体2表面下部分且相对设置的两个电极。

在成像过程中，所述线阵探头3以设定的角度间隔绕所述目标体2旋转，对所述目标体2做360度扫描；所述电极对4采集所述线阵探头3在不同旋转角度下以及横向扫描(每一次扫描只开启若干个阵元，形成独立的扫描线)下不同扫描线单独作用时所述目标体2产生的电压信号；所述控制模块，与所述电极对4信号连接，用于根据所述电极对4采集到的电压信号，采用滤波逆投影算法对所述目标体2进行电参数成像。

如图1所示，目标体2放置于静磁场1中，线阵探头3向目标体2发射超声波，目标体2内的离子随着超声传播而发生振动，在静磁场1的作用下，正负离子受到方向不同的洛伦兹力而发生电荷分离，进而在目标体2内形成稳定的电场，由如图1中所示的电极对4采集目标体2产生的电压信号。作为一个优选的实施方式，线阵探头3可以每隔设定旋转角度，对目标体2进行一次扫描，直至旋转完360度(当然，在线阵探头3旋转后，电极对也要随之旋转)。线阵探头3每次旋转设定角度后，以横向扫描的方式对目标体2进行扫描，由电极对4分别进行电压信号采集。这样，电极对4采集到了各设定旋转角度下、在线阵探头3中各扫描线单独扫描下目标体2产生的电压信号。通过数据处理模块采用滤波逆投影算法对这些电压信号进行处理，实现对目标体2的电导率成像。

在实施例中，作为一个优选的实施方式，所述电极对4中两个电极之间的连线与所述线阵探头3的超声波发射方向垂直，这样采集到的电压信号强度最大。

在实施例中，作为一个优选的实施方式，所述电极对的数量为多个，在所述目标体2的周向上均匀设置，分别用于采集所述线阵探头3在不同旋转角度下对所述目标体2进行扫描时所述目标体2产生的电压信号。这样，在线阵探头3旋转后，无需再对电极对4进行旋转，避免了电极对4取下以及重新粘贴的操作。

在实施例中，作为一个优选的实施方式，所述设定旋转角度可以为5度，如图2和图3所示，在0°时，线阵探头3对目标体2进行第一次扫描，之后，旋转5°，对目标体2进行第二次扫描，直至旋转到355°，完成一周旋转为止。

本发明的第二方面提供了一种基于滤波逆投影的磁声电成像方法，该方法用于本发明第一方面提供的基于滤波逆投影的磁声电成像系统，该方法包括以下步骤：

线阵探头在各设定旋转角度下，以横向扫描的方式对目标体进行扫描，相应的电极对采集所述目标体产生的电压信号；

对所述电压信号进行预处理；

根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像。

在实施例中，作为一个优选的实施方式，所述预处理包括：带通滤波处理和包络检测处理。

在实施例中，作为一个优选的实施方式，所述根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像，具体包括：

根据

计算投影数据R_v(p,θ)，其中，V_ij(t)为线阵探头在第j个旋转角度下以及第i条扫描线单独作用下，目标体产生的电压信号，t为时间，N为线阵探头设置的扫描线的数量，θ＝j·Δθ，Δθ为线阵探头每次旋转的设定角度；

根据Radon逆变换公式重建目标体的电导率图像。

在实施例中，如图4所示，目标体静止，线阵探头在做B扫的同时，也绕目标体旋转，假设B扫描线个数为N，表示为Γ,l_i∈Γ,i＝1,2,…,N，旋转的角度个数为M，表示为Θ,θ_j∈Θ,j＝1,2,…,M，在每一个确定的时间t下，可以确定沿y方向的积分直线P,p_k∈P,k＝1,2,…,U，在确定的扫描线l_i和旋转角度θ_j下，所得到的磁声电信号V_ij(t)都是一个关于时间t的函数。确定角度θ_j后，N条扫描线就可以得到N个磁声电信号V_ij(t),i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,M，在同一时刻t₀，对相同的旋转角度，不同的N条扫描线的磁声电信号做线积分p_k，即可得到磁声电信号V_ij(t₀)沿直线P方向的投影值，直线p的物理含义为垂直于N条扫描线的投影线，也就是N条扫描线的N个磁声电信号在同一时刻下的值的连线，p_k代表的是具体的某条投影线。

假设在任意时刻t下，磁声电信号V_ij(t)的投影值为：

根据滤波逆投影方法重建电导率图像。滤波反投影算法是应用比较广泛的图像重建算法，源于中心切片定理，Radon逆变换公式如下：

其中，p_k＝kd,k＝1,2,…,U代表投影线的条数，d为投影线的间距，θ_j＝j·Δθ，M是投影角度总数，H_R是滤波函数，V(x,y)代表的就是点(x,y)的灰度值，R_V是一个二维矩阵，它包含了旋转角度信息θ_j和不同的投影值p_k。

在滤波反投影算法中，滤波函数的选择尤为重要，滤波设计是否合适与重建后的图像质量直接相关。理想上滤波器的系统函数是H_R(ω)＝|ω|，但是因为

参照佩利-维纳准则，这个频带无限宽的理想滤波器很难实现。因此本发明对理想的滤波器进行加窗处理，保留它的低频段：

H_R(ω)＝|ω|W(ω)

其中，W(ω)的物理含义为频率为ω的窗函数。窗函数的选取也有一定的准则：一般要求主瓣窄，旁瓣尽量小。实际应用中，也不能强行要求分片率一定要高，也要根据需要重建的对象考虑。常见的滤波函数有R-L滤波函数、S-L滤波函数等。

本发明由于使用了电子线阵探头并且对目标体进行了360度扫描，所以对于形状不规则的目标体，也可以重建出具有完整轮廓形状的电参数图像。另外使用电子线阵探头代替单阵元探头，用电子聚焦扫描来代替机械B扫描从而节省成像时间和操作复杂度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于滤波逆投影的磁声电成像系统，其特征在于，包括：磁体、线阵探头、电极对以及数据处理模块；所述磁体包括分别设置于目标体上方的第一磁铁以及设置于目标体下方的第二磁铁，所述磁体在所述目标体处产生均匀的磁场；所述线阵探头向所述目标体的上部分发出垂直于磁场方向的超声波；所述电极对包括贴附于所述目标体表面下部分且相对设置的两个电极；

所述线阵探头以设定的角度间隔绕所述目标体旋转，对所述目标体做360度扫描；所述线阵探头每隔设定旋转角度，对所述目标体进行一次扫描，直至旋转完360度；所述电极对采集所述线阵探头在不同旋转角度下以及横向扫描下不同扫描线单独作用时所述目标体产生的电压信号；所述数据处理模块与所述电极对信号连接，用于根据所述电极对采集到的电压信号，采用滤波逆投影算法对所述目标体进行电导率成像；

所述电极对中两个电极之间的连线与所述线阵探头的超声波发射方向垂直；所述电极对的数量为多个，在所述目标体的周向上均匀设置，分别用于采集所述线阵探头在不同旋转角度下对所述目标体进行扫描时所述目标体产生的电压信号；

根据电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像，具体包括：根据

计算投影数据R_v(p,θ)，其中，V_ij(t)为线阵探头在第j个旋转角度下以及第i条扫描线单独扫描下，目标体产生的电压信号，t为时间，N为线阵探头设置的扫描线的数量，p为积分直线，p的物理含义为垂直于N条扫描线的投影线，θ＝j·Δθ，j为第j个旋转角度，Δθ为线阵探头每次旋转的设定角度；

根据Radon逆变换公式，使用包含不同旋转角度以及不同扫描线信息的投影数据R_v(p,θ)求得所述目标体空间各点的像素值，以重建目标体的电导率图像；

Radon逆变换公式如下：

其中，p的物理含义为垂直于N条扫描线的投影线，p_k代表的是具体的某条投影线，p_k＝kd，k＝1，2，…，M代表旋转角度的个数，U代表投影线的条数，d为投影线的间距，Δθ为线阵探头每次旋转的设定角度，θ_j＝j·Δθ，j为第j个旋转角度，M是投影角度总数，H_R是滤波函数，V(x,y)代表点(x,y)的灰度值，R_V是一个二维矩阵，包含了旋转角度信息θ_j和不同的投影值p_k。

2.一种基于滤波逆投影的磁声电成像方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的基于滤波逆投影的磁声电成像系统，所述方法包括：

线阵探头在各设定旋转角度下，以横向扫描的方式对目标体进行扫描，相应的电极对采集所述目标体产生的电压信号；

对所述电压信号进行预处理；

根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像。

3.根据权利要求2所述的基于滤波逆投影的磁声电成像方法，其特征在于，所述预处理包括：带通滤波处理和包络检测处理。

4.根据权利要求2所述的基于滤波逆投影的磁声电成像方法，其特征在于，所述根据预处理后的电压信号，利用滤波逆投影算法重建目标体的电导率图像，具体包括：根据

计算投影数据R_v(p,θ)，其中，V_ij(t)为线阵探头在第j个旋转角度下以及第i条扫描线单独扫描下，目标体产生的电压信号，t为时间，N为线阵探头设置的扫描线的数量，p为积分直线，p的物理含义为垂直于N条扫描线的投影线，θ＝j·Δθ，j为第j个旋转角度，Δθ为线阵探头每次旋转的设定角度；

根据Radon逆变换公式，使用包含不同旋转角度以及不同扫描线信息的投影数据R_v(p,θ)求得所述目标体空间各点的像素值，以重建目标体的电导率图像。

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