CN111505107B - 一种磁声电成像图像重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁声电成像图像重建方法及系统。所述重建方法包括：以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；以旋转角度为移动角度，待测目标为旋转中心，圆周移动超声换能器与电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动，采集每一帧第一磁声电图像；根据第一磁声电信号进行预处理；对第一磁声电图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。采用本发明所提供的重建方法及系统能够对每个角度下的磁声电信号进行叠加，反映出实际的电导率差异，消除了声束方向与界面的角度影响。

Description

一种磁声电成像图像重建方法及系统

技术领域

本发明涉及电阻抗成像领域，特别是涉及一种磁声电成像图像重建方法及系统。

背景技术

磁声电成像为一种多物理场耦合的成像方法，涉及电磁学和超声学，以待测物体的电导率信息作为成像目标，该成像方法具有电阻抗成像的高对比度与超声成像的高分辨率的优点，是一种应用潜力很大的医学成像方法。

成像原理：利用一束超声信号激励置于静磁场下的待测目标，待测目标内的离子受超声信号激励产生振动，运动的离子在静磁场的作用下，产生洛伦兹力，正、负离子所受的洛伦兹力方向相反，从而产生电荷分离；当洛伦兹力与离子所受的电场力平衡时，会产生一个稳定的电势差(霍尔电压)，此电压信号即反映待测目标的电导率信息。

电参数图像采集的信号是待测物体两侧的浮电势，它反映的是待测物体内部的电导率分布；现有技术方案利用单阵元探头发射超声波声束，激励置于静磁场下的待测目标，产生磁声电信号，通过待测目标两侧的一对电极采集磁声电信号，在一个角度下进行线性扫描，得到一组磁声电信号，得到电参数图像。而因为磁声电信号在超声声束与电导率差异的界面垂直的情况下，测量信号为最大值，而当超声声束偏离垂直角度越多，采集的磁声电信号越小，直到超声声束与电导率差异界面平行时，无法采集到磁声电信号，因此，一个角度下的采集方法已经无法完整重建待测目标的电参数图像，即：对于形状不规则的待测目标，无法重建电参数图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁声电成像图像重建方法及系统，以解决现有的磁声电成像方法对于形状不规则的待测目标，无法重建电参数图像。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种磁声电成像图像重建方法，包括：

以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号；

以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号；

根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像；

对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

可选的，所述根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像，具体包括：

利用带通滤波器对所述第一磁声电信号进行滤波，确定滤波后的磁声电信号；

利用希尔伯特变换提取所述滤波后的磁声电信号的包络信号；

利用维纳滤波器对所述包络信号进行滤波，确定预处理的磁声电信号；一次线性扫描会有若干第一磁声电信号，重复以上处理过程，得到若干预处理的磁声电信号；

将同一组预处理磁声电信号按扫描顺序整合成矩阵；

对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像；

截取所述插值后的图像内的目标区域，确定感兴趣区域图像。

可选的，所述对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像，具体包括：

一个扫描角度对应一个第一磁声电图像，对每个角度下的第一磁声电图像分别进行如下处理：

对所述感兴趣区域图像进行旋转，确定旋转后的图像；

对所述旋转后的图像进行补零处理，确定补零后的图像；

根据所述补零后的图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

可选的，所述对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像，具体包括：

按照所述感兴趣区域图像中x方向上磁声电信号的距离间隔，利用插值函数对所述感兴趣区域图像中y方向上的磁声电信号进行插值，确定插值后的图像。

一种磁声电成像图像重建系统，包括：

第一磁声电信号采集模块，用于以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号；

圆周运动采集模块，用于以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号；

感兴趣区域图像确定模块，用于根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像；

磁声电成像图像重建模块，用于对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

可选的，所述感兴趣区域图像确定模块具体包括：

第一滤波单元，用于利用带通滤波器对所述第一磁声电信号进行滤波，确定滤波后的磁声电信号；

提取单元，用于利用希尔伯特变换提取所述滤波后的磁声电信号的包络信号；

第二滤波单元，用于利用维纳滤波器对所述包络信号进行滤波，确定预处理的磁声电信号；一次线性扫描会有若干第一磁声电信号，重复以上处理过程，得到若干预处理的磁声电信号；

磁声电信号矩阵构建单元，将同一组预处理磁声电信号按扫描顺序整合成矩阵；

插值单元，用于对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像；

感兴趣区域图像确定单元，用于截取所述插值后的图像内的目标区域，确定感兴趣区域图像。

可选的，所述磁声电成像图像重建模块具体包括：

一个扫描角度对应一个第一磁声电图像，对每个角度下的第一磁声电图像分别进行如下处理：

旋转单元，用于对所述感兴趣区域图像进行旋转，确定旋转后的图像；

补零单元，用于对所述旋转后的图像进行补零处理，确定补零后的图像；

重建单元，用于根据所述补零后的图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

可选的，所述插值单元具体包括：

插值子单元，用于按照所述感兴趣区域图像中x方向上磁声电信号的距离间隔，利用插值函数对所述感兴趣区域图像中y方向上的磁声电信号进行插值，确定插值后的图像。

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：本发明提出了一种磁声电成像图像重建方法及系统，对于待测目标内的某个电导率差异的界面进行观察，经过360度的扫描后，每个角度下都会产生一个磁声电信号，对每个角度下的磁声电信号进行叠加，反映出实际的电导率差异，消除了声束方向与界面的角度影响，对于形状不规则的待测目标，也能够重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像，即电参数图像。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的磁声电成像原理图；

图2为本发明所提供的磁声电成像图像重建方法流程图；

图3为本发明所提供的线性扫描俯视图；

图4为本发明所提供的360度扫描示意图；

图5为本发明所提供的换能器旋转线性扫描示意图；

图6为本发明所提供的y方向移动下的线性扫描示意图；

图7为本发明所提供的信号预处理流程图；

图8为本发明所提供的磁声电成像图像重建系统结构图。

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。

本发明的目的是提供一种磁声电成像图像重建方法及系统，能够对每个角度下的磁声电信号进行叠加，反映出实际的电导率差异，消除了声束方向与界面的角度影响，对于形状不规则的待测目标，也能够重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

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。

图1为本发明所提供的磁声电成像原理图，如1所示，待测目标置于静磁场中，磁场方向与z方向平行。超声信号由信号发生器发出，经功率放大器放大，激励超声换能器产生超声声束，声束方向与x方向平行(假设当超声声束方向为x，超声声束垂直于两个电极间的连线。声束转了，采集电极也要旋转)，待测目标在超声声束和静磁场的作用下，产生磁声电信号。通过贴在待测目标两侧的弧形电极采集信号，经差分放大器放大，由示波器采集电压信号并存储，后续将存储的数据导入至电脑，使用MATLAB进行信号处理.可以用数据采集卡代替，经过信号处理方法，可得出磁声电信号。

图2为本发明所提供的磁声电成像图像重建方法流程图，如图2所示，一种磁声电成像图像重建方法，包括：

步骤201：以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号。

搭建如图1所示的平台，该平台的超声换能器是可以移动的，移动的方式有两种，一种是延y轴方向的直线移动，一种是以z轴为旋转中心的圆周移动。采集电极随超声换能器圆周运动，但不会延y轴移动，每个移动位置都是可以采集一帧磁声电信号的。

延y轴直线移动，每移动一个步长的位置，会采集一帧磁声电信号。直至超声换能器从一端直线移动到另一端尽头，也就是线性扫描，如图3所示。

沿电极连线移动超声换能器，使超声声束位于待测区域的边缘，激励超声换能器，采集磁声电信号。按照设定步长延y方向移动超声换能器，重复激励超声换能器，采集磁声电信号，直至超声声束移动至待测区域的另一侧边缘。

步骤202：以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号。

采集磁声电信号的大小与超声声束方向和电导率差异界面的夹角有关，为了准确重建出待测目标的电导率信息，提出了360度扫描的方法。磁声电信号在超声声束与电导率差异的界面垂直的情况下，测量信号为最大值，而当超声声束偏离垂直角度越多，采集的磁声电信号越小，直到超声声束与电导率差异界面平行时，无法采集到磁声电信号。因此，当待测目标进行360度的扫描后，此情况会得到很大的改善，如图4所示，对于待测目标内的某个电导率差异的界面进行观察，经过360度的扫描后，每个角度下都会产生一个磁声电信号。对每个角度下的磁声电信号进行叠加，则可以反映其实际的电导率差异，消除了声束方向与界面的角度影响，并且，旋转角度步长越小，效果越好。

旋转换能器，如图5所示，在xy平面，以待测目标的中心为旋转中心，按照设定角度i步长旋转超声换能器和采集电极；当超声换能器移动完一个直线后(完成一个线性扫描)，超声换能器回到起始位置，进行圆周运动，运动角度为一个旋转步长，旋转后，重复步骤202，在新的旋转角度下进行线性扫描；进行下一个角度的线性扫描，直至完成360度的圆周运动。

步骤203：根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干组感兴趣区域图像。

体处理方法如下：

将磁声电信号利用带通滤波器滤波，再利用希尔伯特变换取包络，再将包络信号利用维纳滤波器滤波，降低噪声，得到图像重建需要的信号，整合线性扫描得到的一组第一磁声电信号为矩阵，对矩阵插值规整化得出第一磁声电图像，截取第一磁声电图像得到感兴趣区域图像。信号处理方法流程图如图7所示。

此外，信号预处理方法可以用不同的方法。如卡尔曼滤波、匹配滤波、反卷积、其他的取包络方法等算法实现信号预处理。

整合二维图像：利用MATLAB中的imagesc函数对每组第一磁声电信号进行处理，得到各个角度下的第一磁声电图像。

插值处理：利用MATLAB中interp1函数对各个感兴趣磁声电图像进行插值，使各像素点间行列的分辨率一致，得到插值磁声电图像。

截取目标区域：根据感兴趣区域对第一磁声电图像进行截取，得到感兴趣磁声电图像。

步骤204：对各个角度下所述感兴趣区域图像进行旋转，将旋转后的图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

图像重建方法利用同一个角度下的线性扫描的数据，经过信号预处理后，组成线性扫描图像。每个旋转角度都会有一幅对应的线性扫描图像。对每张线性扫描图像进行旋转，旋转方向与对应的换能器旋转方向相反，旋转角度与对应的换能器旋转方向相同。(简单来说就是转回去。)将旋转后的图像进行叠加，可以得出最终的电参数图像。

图像叠加程序流程：旋转图像；补零处理，使每幅图像点数相同；图像叠加。

旋转处理：利用MATLAB中imroate函数对各个插值磁声电图像处理，旋转角度为各个插值磁声电图像对应的第一磁声电图像旋转角度。使各幅插值磁声电图像经旋转后为0度。得到旋转磁声电图像。

补零处理：利用MATLAB程序，对各个旋转磁声电图像四周进行补零，使各个图像的维度一致。

图像叠加：将j个补零后线性扫描二维图像。进行叠加，可以得到最终的电参数图像。

图8为本发明所提供的磁声电成像图像重建系统结构图，如图8所示，一种磁声电成像图像重建系统，包括：

第一磁声电信号采集模块801，用于以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号。

圆周运动采集模块802，用于以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号。

感兴趣区域图像确定模块803，用于根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干组第一磁声电图像。

所述感兴趣区域图像确定模块803具体包括：第一滤波单元，用于利用带通滤波器对所述第一磁声电信号进行滤波，确定滤波后的磁声电信号；提取单元，用于利用希尔伯特变换提取所述滤波后的磁声电信号的包络信号；第二滤波单元，用于利用维纳滤波器对所述包络信号进行滤波，确定预处理的磁声电信号；磁声电信号矩阵构建单元，将同一组预处理磁声电信号按扫描顺序整合成矩阵；插值单元，用于对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像；感兴趣区域图像确定单元，用于截取所述插值后的图像内的目标区域，确定感兴趣区域图像；

磁声电成像图像重建模块804，用于对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

所述磁声电成像图像重建模块804具体包括：

旋转单元，用于对所述感兴趣区域图像进行旋转，确定旋转后的图像；补零单元，用于对所述旋转后的图像进行补零处理，确定补零后的图像；重建单元，用于根据所述补零后的图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

所述插值单元具体包括：插值子单元，用于按照所述感兴趣区域图像中x方向上磁声电信号的距离间隔，利用插值函数对所述感兴趣区域图像中y方向上的磁声电信号进行插值，确定插值后的图像。

本发明对于待测目标内的某个电导率差异的界面进行观察，经过360度的扫描后，每个角度下都会产生一个磁声电信号。对每个角度下的磁声电信号进行叠加，则可以反映其实际的电导率差异，消除了声束方向与界面的角度影响；并且旋转角度步长越小，效果越好。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (6)

1.一种磁声电成像图像重建方法，其特征在于，包括：

以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号；

以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号；

根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像；

所述根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像，具体包括：

利用带通滤波器对所述第一磁声电信号进行滤波，确定滤波后的磁声电信号；

利用希尔伯特变换提取所述滤波后的磁声电信号的包络信号；

利用维纳滤波器对所述包络信号进行滤波，确定预处理的磁声电信号；一次线性扫描会有若干第一磁声电信号，重复以上处理过程，得到若干预处理的磁声电信号；

将同一组预处理磁声电信号按扫描顺序整合成矩阵；利用MATLAB中的imagesc函数对每组第一磁声电信号进行处理，得到各个角度下的第一磁声电图像；

对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像；利用MATLAB中interp1函数对各个感兴趣磁声电图像进行插值，使各像素点间行列的分辨率一致，得到插值磁声电图像；

截取所述插值后的图像内的目标区域，确定感兴趣区域图像；

对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

2.根据权利要求1所述的磁声电成像图像重建方法，其特征在于，所述对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像，具体包括：

一个扫描角度对应一个第一磁声电图像，对每个角度下的第一磁声电图像分别进行如下处理：

对所述感兴趣区域图像进行旋转，确定旋转后的图像；

对所述旋转后的图像进行补零处理，确定补零后的图像；

根据所述补零后的图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

3.根据权利要求2所述的磁声电成像图像重建方法，其特征在于，所述对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像，具体包括：

按照所述感兴趣区域图像中x方向上磁声电信号的距离间隔，利用插值函数对所述感兴趣区域图像中y方向上的磁声电信号进行插值，确定插值后的图像。

4.一种磁声电成像图像重建系统，其特征在于，包括：

第一磁声电信号采集模块，用于以步长阈值为移动距离，沿待测目标的电极连线移动超声换能器，从起始位置进行线性扫描直至移动到终止位置，采集每一帧第一磁声电信号；一帧对应一个移动位置，线性扫描后得到一组第一磁声电信号；

圆周运动采集模块，用于以旋转角度为移动角度，所述待测目标为旋转中心，圆周移动所述超声换能器与所述电极，进行线性扫描直至完成360度的圆周运动；一个角度进行一次线性扫描，一次线性扫描有若干个移动位置，一个移动位置会采集到一帧第一磁声电信号，一次线性扫描对应一组第一磁声电信号；

感兴趣区域图像确定模块，用于根据多组所述第一磁声电信号进行预处理，得到若干感兴趣区域图像；

所述感兴趣区域图像确定模块具体包括：

第一滤波单元，用于利用带通滤波器对所述第一磁声电信号进行滤波，确定滤波后的磁声电信号；

提取单元，用于利用希尔伯特变换提取所述滤波后的磁声电信号的包络信号；

第二滤波单元，用于利用维纳滤波器对所述包络信号进行滤波，确定预处理的磁声电信号；一次线性扫描会有若干第一磁声电信号，重复以上处理过程，得到若干预处理的磁声电信号；

磁声电信号矩阵构建单元，将同一组预处理磁声电信号按扫描顺序整合成矩阵；所述矩阵用于绘制二维图像；利用MATLAB中的imagesc函数对每组第一磁声电信号进行处理，得到各个角度下的第一磁声电图像；

插值单元，用于对所述矩阵进行插值处理，确定插值后的图像；利用MATLAB中interp1函数对各个感兴趣磁声电图像进行插值，使各像素点间行列的分辨率一致，得到插值磁声电图像；

感兴趣区域图像确定单元，用于截取所述插值后的图像内的目标区域，确定感兴趣区域图像；

磁声电成像图像重建模块，用于对各个角度下所述感兴趣区域图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像；所述叠加后的磁声电成像图像用于显示所述待测目标的电导率。

5.根据权利要求4所述的磁声电成像图像重建系统，其特征在于，所述磁声电成像图像重建模块具体包括：

一个扫描角度对应一个第一磁声电图像，对每个角度下的第一磁声电图像分别进行如下处理：

旋转单元，用于对所述感兴趣区域图像进行旋转，确定旋转后的图像；

补零单元，用于对所述旋转后的图像进行补零处理，确定补零后的图像；

重建单元，用于根据所述补零后的图像进行图像叠加，重建磁声电成像图像，确定叠加后的磁声电成像图像。

6.根据权利要求5所述的磁声电成像图像重建系统，其特征在于，所述插值单元具体包括：

插值子单元，用于按照所述感兴趣区域图像中x方向上磁声电信号的距离间隔，利用插值函数对所述感兴趣区域图像中y方向上的磁声电信号进行插值，确定插值后的图像。

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