CN112535469A - 基于磁场调控的差分热声成像方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于磁场调控的差分热声成像方法与装置，包括脉宽为500ns、频率为6G的微波源作为激发源、正圆极化耦合天线、磁场产生装置、热声激发组件，所述的热声激发组件、热声信号采集组件和数据处理组件顺次连接，所述热声信号采集组件包括线形超声换能器、64路信号放大器、高速数字采集卡。本发明在热声激发源和数据处理上有很大的改进，采用基于磁场调控的技术手段实现铁磁共振，增强热声信号，通过与为加持磁场所采集到的热声信号做差，实现热声差分成像。

Description

基于磁场调控的差分热声成像方法与装置
技术领域
本发明涉及微波热声成像技术技术领域，尤其涉及一种基于磁场调控的差分热声成像方法与装置。
背景技术
微波热声成像技术是一种具有广泛应用潜力和良好的应用前景的新型无损检测技术，对于医学影像技术来说，高分辨和高对比性成像是两个必要的技术前提，其中微波热声成像技术兼有超声成像的高分辨和微波成像的高对比度，并且有效的克服超带宽微波成像直达波的干扰问题，该技术对生物组织的介电性质和磁性质分布进行高分辨和高对比度成像，微波热声成像技术通过非电离辐射脉冲微波辐射到生物组织上，生物组织将会吸收微波能量转化为内能，组织瞬间温升导致形体上的热膨胀，热膨胀过程中将会产生压力波即超声波向组织的四周扩散，产生的超声波会被组织周围的超声阵列探测截获，通过超声信号的采集反演出组织内部微波吸收差异图像。
由于生物组织的介电性质和磁性质差别有限，导致成像背景信号较强，分辨率和对比度不够理想，即使加入造影剂也难以实现很好的对比度，这成为微波热声成像面临的一个技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有微波热声成像中存在的缺点，如：现有基于微波热声成像技术对比度不够，无法实现实时微波热声成像，而提出的基于磁场调控的差分热声成像方法与装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于磁场调控的差分热声成像方法，所述方法包括以下步骤：
第一步，微波经由脉宽为500ns、频率为6G的微波源发出重复频率为10Hz的短脉冲微波；
第二步，经由正圆偏振天线调整后的脉冲微波辐射到样品上，样品吸收电磁能量瞬间温升膨胀，产生压力波即超声波；
第三步，由可编程电源控制的电磁铁产生稳定均匀静磁场，在与微波交变磁场的共同作用下，发生铁磁共振，产生共振吸收，增强瞬间温升膨胀效果，增大超声波。
第四步，热声信号由线形超声探头检测，经过信号放大器放大然后被高速数字采集卡采集并保存至计算机。
第五步，运用数据处理程序，将两次采集的热声信号做差，重建样品微波吸收分布图，即差分热声图像。
本发明提供了一种具有高分辨率高对比度的差分热声成像方法，微波源产生短脉冲微波，经正圆偏振天线辐射出正圆偏振磁场，同时通过电磁铁加持静磁场，通过调节电流源的输出电流，来调节静磁场达到铁磁共振的强度，实现磁性样品对微波场的强烈吸收，产生一个比未加持静磁场更强的热声信号，通过线形超声换能器进行采集并保存在电脑上。在数据处理过程上，将加持静磁场与未加持所采集的两次热声信号做差，实现差分热声成像。
基于磁场调控的差分热声成像装置，包括大功率脉冲微波激发源、正圆极化耦合天线、热声激发组件、静磁场发生组件，所述热声激发组件连接有热声信号采集组件和数据处理组件，所述的热声激发组件、热声信号采集组件和数据处理组件顺次连接，所述热声信号采集组件包括环形超声换能器、64路信号放大器、高速数字采集卡。所述的
优选的，还包括正圆极化天线输出部分。
优选的，增加静磁场发生装置，所述的静磁场发生装置包括可编程电流源、电磁铁和数控高斯计。电磁铁可产生0-3000GS的磁场，单次连续可工作时间为10min。
优选的，所述计算机上所安装的采集控制程序及信号处理过程是由Labview和Matlab程序编写而成；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在热声激发装置上有很大的改进，通过电流源控制电磁铁在一定范围空间中产生均匀磁场，使得铁磁纳米颗粒发生拉莫尔进动，同时加之与静磁场方向垂直的交变磁场，产生铁磁共振现象，实现微波能量的极大吸收，从而增强热声信号。
2、通过调节产生时序脉冲电流，来控制静磁场的有无，实现在ON状态和OFF状态的转换，进而实现差分成像的效果。
附图说明
图1为本发明提出的基于磁场调控的差分热声成像装置示意图；
图2为本发明的提出的基于磁场调控的差分热声成像方法原理图；
图3为样品热声信号图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1：磁场调控的差分热声成像装置的结构，包括大功率脉冲微波激发源、正圆极化耦合天线、热声激发组件、静磁场发生组件，所述热声激发组件连接有热声信号采集组件和数据处理组件，所述的热声激发组件、热声信号采集组件和数据处理组件顺次连接，所述热声信号采集组件包括线形超声换能器、64路信号放大器、高速数字采集卡。所述的静磁场发生组件是由可编程电流源控制的电磁铁。
参考图2：基于磁场调控的差分热声成像方法，在施加强静磁场下，磁性纳米粒子的磁矩会绕外磁场做拉莫尔进动，此时，处于图1中的ON状态，施加一与静磁场垂直的交变场，当交变场频率等于拉莫尔进动频率时，会产生铁磁共振现象，产出磁性纳米粒子对交变场能量的极大吸收，产生强热声信号；当关闭电流源，静磁场消失，开启图1中的OFF状态时，产生较弱的热声信号。两次热声信号做差，进而实现热声差分成像的目的。
本实施例的微波源选用陕西北微机电科技有限公司的微波发生器(BW6000HPT)，其发射频率6GHz，脉宽为500ns，发射脉冲峰值功率250KW，重复频率10Hz。
函数发生器，设置频率范围为1-1000Hz，幅值为1-50vpp，脉宽为0.001-100μs。发射天线用于辐射高功率微波，形状为圆喇叭，增益范围为1-100dB，用于辐射高功率微波，本实施例中发射天线的口径优选为110mm，增益优选为3dB。
电流源，最大输出电流30A,最大输出功率为6.0KW，通过编程控制电流连续和间断输出，精度为0.1%。
电磁铁，单轭固定气隙结构，直立座放，磁场方向水平与地面，磁场固定气隙100mm；极柱极头为一体结构，极面为直径Φ140mm，在气隙100mm时，中心磁场Hmax≥0.3T；电磁铁采用自然冷却；在100mm气隙0.3T磁场环境下可连续工作10分钟，线包温升小于60℃；绝缘电阻优于10MΩ,冷态电阻约4.5Ω。
数据采集卡和计算机可进行数据采集和成像。数据采集卡用于采集热声时域信号，本实施例中数据采集卡采样率为50MS/s，采样率满足采集要求。计算机的中央处理器CPU型号为4GHz Intel Core 2 i7-4790K双核处理器，满足计算速度要求；利用MATLAB实现反投影算法进行图像重建处理，得到微波热声图像。
本发明装置的工作原理为：在ON状态，电流源输出恒定电流，控制电磁铁产生静磁场，磁流体样品放置在磁场中，纳米磁颗粒的磁矩绕着外磁场进行拉莫尔进动，同时，函数发生器发射脉冲序列，触发微波发生器发出脉冲微波，经发射天线均匀的辐照到磁流体样品上，微波频率与拉莫尔进动频率相同时，产生铁磁共振现象，引起磁流体对微波场能量的极大吸收。待测组织吸收微波能量引起瞬间温升，此时微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，发生绝热膨胀，产生热声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。在OFF状态，关闭电流源，函数发生器发射脉冲序列，触发微波发生器发出脉冲微波，经发射天线均匀的辐照到磁流体样品上，待测组织吸收微波能量引起瞬间温升，此时微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，发生绝热膨胀，产生热声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。ON状态所采集的热声信号与OFF状态所采集的热声的信号做差，经过成像处理程序，得到差分热声图像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于磁场调控的差分热声成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步，微波经由脉宽为500ns、频率为6G的微波源发出重复频率为10Hz的短脉冲微波；
第二步，经由正圆偏振天线调整后的脉冲微波辐射到样品上，样品吸收电磁能量瞬间温升膨胀，产生压力波即超声波；
第三步，由可编程电源控制的电磁铁产生稳定均匀静磁场，在与微波交变磁场的共同作用下，发生铁磁共振，产生共振吸收，增强瞬间温升膨胀效果，增大超声波；
第四步，热声信号由线形超声探头检测，经过信号放大器放大然后被高速数字采集卡采集并保存至计算机；
第五步，运用数据处理程序，将两次采集的热声信号做差，重建样品微波吸收分布图，即差分热声图像。
2.根据权利要求1所述的基于磁场调控的差分热声成像方法与装置，其特征在于，所述高速数字采集卡为基于LABVIEW软件控制的实时采集系统，并且能够将被激发区域与其数据一一对应。
3.根据权利要求1所述的基于磁场调控的差分热声成像方法与装置，其特征在于：所述电磁铁是由可编程电流源控制的，通过改变电流源的输出电流，调节电磁铁所产生的磁场强度，电磁铁的磁场由两个圆柱形极头导出，可以产生较为均匀的磁场。
4.基于磁场调控的差分热声成像装置,包括脉宽为500ns、频率为6G的微波源作为激发源、正圆极化耦合天线、磁场产生装置、热声激发组件，所述热声激发组件、热声信号采集组件和数据处理组件顺次连接，所述热声信号采集组件包括线形超声换能器、64路信号放大器、高速数字采集卡;微波源产生短脉冲微波，经正圆偏振天线辐射出正圆偏振磁场，同时通过电磁铁加持静磁场，通过调节电流源的输出电流，来调节静磁场达到铁磁共振的强度，实现磁性样品对微波场的强烈吸收，产生一个比未加持静磁场更强的热声信号，通过线形超声换能器进行采集并保存在电脑上；在数据处理过程上，将加持静磁场与未加持所采集的两次热声信号做差，实现差分热声成像。
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