CN113080926B - 一种线圈检测式磁声电成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线圈检测式磁声电成像装置及方法。该装置包括：激励模块、检测模块和图像重建模块；激励模块包括脉冲激励源、平面波超声探头和磁体；脉冲激励源的输出端与平面波超声探头连接，平面波超声探头用于产生超声波；平面波超声探头产生的超声波与磁体产生的磁场均覆盖检测区域，且超声波方向与磁场方向正交；检测模块包括阵列线圈和数据采集器，阵列线圈固定于检测区域周围，数据采集器用于采集阵列线圈的感应电动势；图像重建模块接收数据采集器采集的感应电动势数据，并根据感应电动势数据重建待测区域的电导率图像。本发明可以提高磁声电成像的便捷性，适用于特殊场合。

Description

一种线圈检测式磁声电成像装置及方法

技术领域

本发明涉及磁声电成像领域，特别是涉及一种线圈检测式磁声电成像装置及方法。

背景技术

磁声电成像是2005年提出的阻抗成像新方法，继承了超声成像和电阻抗成像的优良基因，兼具高分辨率和高对比度的优势。作为一种新型的电阻抗成像技术从提出至今，引起了学者的广泛关注和深入研究，在提高成像的对比度和分辨率方面，目前已有聚焦超声激励的磁声电成像、超声调制磁声电成像等技术，但多数采用的是超声激励电极检测的方式，申请人所在的课题组在2013年首次推导出超声扫描激励与单线圈检测式磁声电成像的激励检测理论和互易场重建方法，并实现了小动物电导率的重建，但是该方法需要超声的扫描激励，在一些特定场合如脑疾病监测中，颅脑不同部位厚度不同，超声大范围扫描受限。因此，现有的磁声电成像方案由于需要超声的扫描激励导致使用不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种线圈检测式磁声电成像装置及方法，以提高磁声电成像的便捷性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种线圈检测式磁声电成像装置，包括：激励模块、检测模块和图像重建模块；

所述激励模块包括脉冲激励源、平面波超声探头和磁体；所述脉冲激励源的输出端与所述平面波超声探头连接，所述平面波超声探头用于产生超声波；所述平面波超声探头产生的超声波与所述磁体产生的磁场均覆盖检测区域，且超声波方向与磁场方向正交；

所述检测模块包括阵列线圈和数据采集器，所述阵列线圈固定于所述检测区域周围，所述数据采集器用于采集所述阵列线圈的感应电动势；

所述图像重建模块接收所述数据采集器采集的感应电动势数据，并根据所述感应电动势数据重建待测区域的电导率图像。

可选的，所述检测模块还包括：多通道前置放大器；所述阵列线圈的输出数据通过所述多通道前置放大器放大后，由所述数据采集器进行二次放大和滤波处理后采集。

可选的，所述阵列线圈为差分形式的复合线圈结构。

一种线圈检测式磁声电成像方法，所述线圈检测式磁声电成像方法应用于前述的线圈检测式磁声电成像装置，所述线圈检测式磁声电成像方法包括：

获取待检测区域的参数；所述参数包括阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量、场点到源点的距离和沿电场线方向的距离单元；

获取阵列线圈的感应电动势向量；

根据所述参数和所述感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量；

根据所述电导率向量确定所述目标成像体的电导率图像。

可选的，所述重建模型为KU＝M；其中，K为系数矩阵向量，K＝-S(r')/ρ₀，S(r')为阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量，

ρ₀为目标成像体的密度，μ₀为目标成像体的磁导率，R为场点到源点的距离，l为沿电场线方向的距离单元；U为电导率向量；M为感应电动势向量。

可选的，所述根据所述参数和所述感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量。

可选的，所述采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

对所述阵列线圈的感应电动势进行多点随机采样，得到采样点的感应电动势向量；

根据所述随机采样的采样点，确定所述采样点的参数；

利用所述重建模型，确定所述采样点对应的电导率向量；

对所述采样点对应的电导率向量采用正交基矩阵方法，重构所述目标成像体的电导率向量。

可选的，所述采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

对所述阵列线圈的感应电动势进行多点随机采样，得到采样点的感应电动势向量；

根据所述随机采样的采样点，确定所述采样点的参数；

对所述采样点的感应电动势向量采用正交基矩阵方法，重构所述阵列线圈的感应电动势；

对所述采样点的参数采用正交基矩阵方法，重构所述待检测区域的参数；

利用所述重建模型，确定所述目标成像体的电导率向量。

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：

本发明不需要对超声激励进行扫描，便捷性高，因此可以应用于特殊的场合，例如对脑科学研究等，只能在特定部位进行超声扫描的场合；而且本发明利用阵列线圈检测可是实现检测的非接触，避免了接触电极对检测信号的影响，可以提高重建电导率图像的准确度。

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为本发明阵列线圈检测式磁声电成像原理图；

图2为本发明线圈检测式磁声电成像装置的结构示意图。

图中标号：A1-平面波超声探头，A2-目标成像体，A3-阵列线圈，A4-磁体，A5-脉冲激励源，A6-多通道前置放大器，A7-数据采集器，A8-图像重建模块。

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。

本发明阵列线圈检测式磁声电成像的原理为：将目标成像体置于静磁场中，由超声波与静磁场共同作用于目标成像体产生高频动生电流源，进而可以利用阵列线圈检测到目标成像体的感应电动势，采用图像重建算法即可重建目标成像体的电导率信息，从原理中可以看出阵列线圈和平面波超声探头都不需要扫描，简化了磁声电成像系统。

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为本发明阵列线圈检测式磁声电成像原理图，图2为本发明线圈检测式磁声电成像装置的结构示意图。结合图1和图2所示，本发明线圈检测式磁声电成像装置包括：激励模块、检测模块和图像重建模块三部分。

激励模块包括平面波超声探头A1、磁体A4和脉冲激励源A5，目的是使声场和电磁场共同作用于目标成像体A2，产生动生电流源。平面波超声探头A2通过脉冲激励源A5激励产生超声波，平面波超声探头A2产生的超声波与磁体A4产生的静磁场均覆盖检测目标成像体A2的检测区域，且超声波的声场方向与磁场方向相互正交。平面波超声探头A2可以是阵列式探头也可以是单阵元探头，其优势是可以一次性覆盖目标成像体A2的成像区域。产生静磁场的磁体A4可以是halbach磁体或U型的永磁体，也可以是超导磁体。

检测模块包括阵列线圈A3和数据采集器A7，目的是实现阵列线圈A3内的感应电动势的采集和处理。阵列线圈A3分布于待检测区域的周围，即目标成像体A2的周围，实现非接触式检测。为增大阵列线圈A3接收感应电动势的信噪比，本发明采用差分形式的复合线圈结构，即阵列线圈的每一个线圈均由一对消除噪声干扰的复合线圈组成。信号采集器A7用来采集阵列线圈A3的感应电动势。为进一步提升采集数据的准确度，检测模块还包括多通道前置放大器A6，阵列线圈A3接收的数据首先经过多通道前置放大器A6对信号进行放大，然后再经过数据采集器A7对信号进行二次放大、滤波处理后进行采集。

图像重建模块A8接收数据采集器A7采集的感应电动势数据，并根据感应电动势数据重建待测区域的电导率图像。例如，图像重建模块A8可采用计算机，数据采集器A7采集后的信号直接由计算机进行保存和显示，利用重建模型实现目标成像体A2的电导率图像重建和显示。

具体的，基于上述的装置，本发明还提供了一种线圈检测式磁声电成像方法，图像重建模块利用该方法实现电导率图像的重建，具体过程如下：

Step1：获取待检测区域的参数。所述参数包括阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量S(r')、场点到源点的距离R和沿电场线方向的距离单元l。根据场点到源点的距离R和沿电场线方向的距离单元l，利用公式

可以确定阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量S(r')，其中μ₀为目标成像体的磁导率。

Step2：获取阵列线圈的感应电动势向量M。

Step3：根据所述参数和所述感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量。重建模型为KU＝M，其中，K为系数矩阵向量，K＝-S(r')/ρ₀，ρ₀为目标成像体的密度；U为电导率向量；M为感应电动势向量。下面给出本发明重建模型的确定过程：

首先，考虑到目标成像体具有低电导率特性，超声波和静磁场共同作用于目标成像体，可以得到对应的高频动生电流源为：

J_组织＝σv_h×B₀ (1)

其中，J_组织为超声波和静磁场共同作用区域的动生电流源的电流密度，σ为电导率，v_h为质点速度，B₀为磁场强度。

然后，借助矢量磁位，忽略动生电流源产生的电场φ，对于低电导率的目标成像体的电场分布满足：

其中，E为目标体内的电场分布，A为矢量磁位，μ₀为目标成像体的磁导率，σ为目标体内电导率分布；v为目标体内粒子振速，即公式(1)中的J_组织；R＝|r-r'|为场点到源点的距离。

声压-速度耦合方程为：

ρ₀是目标成像体的静息密度，p是声压，

是梯度算符。

进一步，根据公式(1)-(3)可以得到阵列线圈接收的感应电动势ξ(t)为：

令

即在测量线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位为S(r')。于是对公式(4)进行运算变形可以得到：

根据公式(5)可以得出线圈接收的感应电动势与速度势函数

静磁场磁场强度B₀、目标成像体的电导率σ以及目标成像体的密度ρ₀有关。由于B₀、ρ₀和S(r')为已知量，且B₀、ρ₀可以认为是常量，电导率σ是未知待求函数，理论上根据公式(5)可以对电导率进行求解。

在实际应用时，无法得到线圈接收的感应电动势ξ(t)的函数形式，因此，需要对公式(5)进行离散化，进而可以根据实时采样的感应电动势求解电导率的分布。首先将公式(5)可以写成第一类弗雷德霍姆方程，去除公式中的常量，此时在目标成像体外部进行n阵列磁感应测量；然后把目标成像体的成像区域离散为m个像素，用U表示其形成的m×1阶未知电导率，S(r')则表示按照成像区域离散后的阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量，为n×m阶矩阵。K表示n×m阶的系数矩阵向量，K＝-S(r')/ρ₀，则公式(5)的积分方程可以离散为如下线性组：

KU＝M (6)

公式(6)即为本申请的重建模型，K是n×m阶系数矩阵向量，U是m×1阶未知电导率向量，M是n×1阶测量的感应电动势向量，则通过采集的感应电动势向量M和已知的系数矩阵向量K，可以求解得到目标成像体成像区域的电导率向量U。

为了进一步提高电导率的求解效率，本发明采用压缩感知技术实现电导率重建，目标是能够从少量采样数据中重建出目标成像体的电导率分布。

压缩感知技术又称为压缩采样(Compressive sampling)或稀疏采样(Sparsesampling)，是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，该技术认为重建得到的图像在某种正交基变换后的系数是稀疏的或可压缩的，因此本发明可进一步压缩感知技术对电导率分布进行重建。此时压缩后的重建模型表示如下：

KX＝Y (7)

其中Y代表了时域的测量的感应电动势信号，X代表了待求的电导率分布，矩阵K中的元素为K_m,n为公式(6)中的系数矩阵。假设每个感应电动势的采样点数为L，则对于第m行第n列的数据K_m,n代表第i个线圈在第j个时刻段的动生电流源对检测线圈贡献的权值，i代表m/L的商加1，j代表n/L的余数加1。

对阵列线圈测量得到的感应电动势根据设定的M组随机向量进行N点随机抽样，然后将M组抽样得到的N点时域数据合并为一个M×N的抽样矩阵，即采样点的感应电动势向量，表示如下：

其中t_j(j＝1,2,...,N)代表第j个采样时刻。

根据随机抽样的采样点，可以确定采样点的参数，进而可以确定采样点的系数矩阵，进而可以根据公式(7)求解采样点对应的电导率分布X。在根据采样点对应的电导率分布X求解成像目标体整体的电导率分布U时，可以采用正交基矩阵方法求解，正交基矩阵可以是傅里叶正交基、小波正交基、曲波正交基等，最后求解压缩感知最优化问题，即最小l₁范数问题。

或者，在得到采样点的感应电动势向量和采样点的系数矩阵之后，分别采用正交基矩阵方法求解得到整个阵列线圈的感应电动势和整个目标成像体对应的系数矩阵，进而根据公式(6)直接求解得到成像目标体整体的电导率分布U。

Step4：根据电导率向量确定目标成像体的电导率图像，并显示该电导率图像。

与现有技术相比，现有的磁声电成像方法需要对超声激励扫描才能实现被测目标体区域内电导率的重建，采用本发明中提到的方法有三个方面的明显优势：

第一，不需要对超声激励进行扫描，该方法可以适用于一些特殊场合的成像，比如对脑科学研究等，只能在特定部位超声激励扫描的场合；

第二，利用阵列线圈检测可是实现检测的非接触，避免了接触电极对检测信号的影响，可以提高重建电导率图像的准确度；

第三，利用压缩感知重建被测目标体电导率分布可以进一步简化阵列线圈的数量以及采样数量，在保证被测目标体电导率图像分辨率的同时减小采集数据量，提高成像速度，由此可见新方法在便携、非接触以及图像重建速度方面都有很好的效果。

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 (7)

1.一种线圈检测式磁声电成像装置，其特征在于，包括：激励模块、检测模块和图像重建模块；

所述激励模块包括脉冲激励源、平面波超声探头和磁体；所述脉冲激励源的输出端与所述平面波超声探头连接，所述平面波超声探头用于产生超声波；所述平面波超声探头产生的超声波与所述磁体产生的磁场均覆盖检测区域，且超声波方向与磁场方向正交；

所述检测模块包括阵列线圈和数据采集器，所述阵列线圈固定于所述检测区域周围，所述数据采集器用于采集所述阵列线圈的感应电动势；

所述图像重建模块接收所述数据采集器采集的感应电动势数据，并根据所述感应电动势数据重建待测区域的电导率图像；

图像重建模块采用计算机，数据采集器采集后的信号直接由计算机进行保存和显示，利用重建模型确定待测区域的目标成像体的电导率向量，根据电导率向量实现待测区域的电导率图像重建和显示；所述重建模型为KU＝M；其中，K为系数矩阵向量，K＝-S(r')/ρ₀，S(r')为阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量，

ρ₀为待测区域的目标成像体的密度，μ₀为待测区域的目标成像体的磁导率，R为场点到源点的距离，l为沿电场线方向的距离单元；U为待测区域的目标成像体的电导率向量；M为感应电动势向量。

2.根据权利要求1所述的线圈检测式磁声电成像装置，其特征在于，所述检测模块还包括：多通道前置放大器；所述阵列线圈的输出数据通过所述多通道前置放大器放大后，由所述数据采集器进行二次放大和滤波处理后采集。

3.根据权利要求1所述的线圈检测式磁声电成像装置，其特征在于，所述阵列线圈为差分形式的复合线圈结构。

4.一种线圈检测式磁声电成像方法，其特征在于，所述线圈检测式磁声电成像方法应用于权利要求1-3任一项所述的线圈检测式磁声电成像装置，所述线圈检测式磁声电成像方法包括：

获取待检测区域的参数；所述参数包括阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量、场点到源点的距离和沿电场线方向的距离单元；

获取阵列线圈的感应电动势向量；

根据所述参数和所述感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量；所述重建模型为KU＝M；其中，K为系数矩阵向量，K＝-S(r')/ρ₀，S(r')为阵列线圈中通入1A直流电流产生的矢量磁位向量，

ρ₀为目标成像体的密度，μ₀为目标成像体的磁导率，R为场点到源点的距离，l为沿电场线方向的距离单元；U为电导率向量；M为感应电动势向量；

根据所述电导率向量确定所述目标成像体的电导率图像。

5.根据权利要求4所述的线圈检测式磁声电成像方法，其特征在于，所述根据所述参数和所述感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量。

6.根据权利要求5所述的线圈检测式磁声电成像方法，其特征在于，所述采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

对所述阵列线圈的感应电动势进行多点随机采样，得到采样点的感应电动势向量；

根据所述随机采样的采样点，确定所述采样点的参数；

利用所述重建模型，确定所述采样点对应的电导率向量；

对所述采样点对应的电导率向量采用正交基矩阵方法，重构所述目标成像体的电导率向量。

7.根据权利要求5所述的线圈检测式磁声电成像方法，其特征在于，所述采用压缩感知技术，根据采样点的参数和感应电动势向量，利用重建模型，确定所述待检测区域的目标成像体的电导率向量，具体包括：

对所述阵列线圈的感应电动势进行多点随机采样，得到采样点的感应电动势向量；

根据所述随机采样的采样点，确定所述采样点的参数；

对所述采样点的感应电动势向量采用正交基矩阵方法，重构所述阵列线圈的感应电动势；

对所述采样点的参数采用正交基矩阵方法，重构所述待检测区域的参数；

利用所述重建模型，确定所述目标成像体的电导率向量。

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