CN114224298A - 一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法，涉及磁声电成像领域，包括耦合模块、环形相控阵、相控阵超声激励检测子系统、检测线圈(或检测电极)、控制模块。在工作状态下，测量模具容纳有被测生物组织；相控阵超声激励检测子系统启动以控制环形相控阵激励被测生物组织，并在核磁共振静磁场的作用下被测生物组织内部产生等效电场源，检测电极或检测线圈采集磁声电信号，环形相控阵采集超声回波信号；控制模块根据磁声电信号生成被测生物组织的电阻抗分布图像，根据超声回波信号生成被测生物组织的声阻抗分布图像。本发明能同时获取含有间质流体的生物组织的声阻抗分布图像和电阻抗分布图像。
Description
技术领域
本发明涉及磁声电成像领域，特别是涉及一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法。
背景技术
生命体中的间质结构(Interstitial Structure)由纤维网及基质构成，位于细胞与细胞间、实质功能组织之间、器官之间，形成从疏松纤维网到致密纤维间质结构的多级次网络结构，包括细胞外基质、疏松结缔组织、致密结缔组织(筋膜)以及筋膜间隙等，执行着连接、充填、固定与营养功能等功能。其中，致密结缔组织实际上是充满流体的间质(interstitium)网络，并发挥着“减震器”的作用。
目前，由于磁共振成像(MRI)的非侵入性且无放射性，使其在生物医学成像的研究和临床应用中具有得天独厚的优势，特别是对于人体器官结构，能显示优异的软组织对比度。目前MRI在临床上，对于中枢神经、心血管、腹部、盆腔器官、以及肌肉关节等部位的成像与诊断技术都已发展成熟，这些组织器官中都含有大量的自由水分子，在传统MRI中有较高的信噪比。但对于结缔组织，其水分子大部分被束缚在胶原大分子上，其横向弛豫时间短，信号衰减快，故而在一般的MRI图像中呈低信号，难以观察。
发明内容
本发明的目的是提供一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法，达到同时获取含有间质流体的生物组织的声阻抗分布图像和电阻抗分布图像的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种核磁共振下的磁声电成像系统，包括：耦合模块、超声相控阵模块、信号处理模块以及控制模块；
所述耦合模块至少包括测量模具；所述测量模具为两端开口的腔体结构；所述测量模具用于容纳被测生物组织；所述被测生物组织为含有间质流体的生物组织；
所述超声相控阵模块包括环形相控阵以及与所述环形相控阵连接的相控阵超声激励检测子系统；所述环形相控阵安装在所述测量模具的内壁上；
所述信号处理模块至少包括检测线圈或者检测电极；所述检测线圈安装在所述测量模具的内壁上；所述检测电极用于在工作状态下安装在所述被测生物组织上；
所述控制模块分别与所述相控阵超声激励检测子系统和所述信号处理模块连接；
在工作状态下，所述测量模具位于核磁共振静磁场环境内，所述测量模具容纳有所述被测生物组织；所述相控阵超声激励检测子系统启动以控制所述环形相控阵激励所述被测生物组织，并在核磁共振静磁场的作用下所述被测生物组织内部产生等效电场源，所述检测电极或所述检测线圈采集磁声电信号，所述环形相控阵采集超声回波信号；所述控制模块根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像，所述控制模块根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。
可选的，所述耦合模块还包括耦合介质；所述耦合介质用于耦合所述环形相控阵与所述被测生物组织的声传输。
可选的，所述耦合介质为固态介质、水膜或者与所述测量模具具有相同声学特征的固体凝胶介质。
可选的，所述相控阵超声激励检测子系统，用于：
控制所述环形相控阵中的单个阵元或者多个阵元激发，以使所述被测生物组织内部产生等效电场源；
接收所述环形相控阵采集的超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述控制模块。
可选的，当采用所述检测线圈采集磁声电信号时，所述检测线圈的组数为两组，分别位于所述环形相控阵的两侧；
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为离体组织时，所述检测电极为面电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接贴于所述被测生物组织上；
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为在体组织时，所述检测电极为半环状电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接套在所述被测生物组织上。
可选的，所述检测线圈的平面与所述核磁共振静磁场的磁场方向垂直。
可选的，所述信号处理模块还包括信号处理电路和前置放大单元；
所述信号处理电路用于对所述磁声电信号进行滤波处理；
所述前置放大单元用于对滤波处理后的磁声电信号进行放大处理，得到放大滤波后的磁声电信号，并将所述放大滤波后的磁声电信号发送至所述控制模块；
所述控制模块，用于：
根据所述放大滤波后的磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像并显示；
根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像并显示。
一种核磁共振下的磁声电成像方法，包括：
获取检测电极或检测线圈采集的磁声电信号；
获取环形相控阵采集的超声回波信号；
根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像；
根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。
可选的，所述根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像，具体包括：
对所述磁声电信号进行放大滤波处理；
利用平面波超声成像算法对所述放大滤波后的磁声电信号进行处理，生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像。
可选的，所述根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像，具体包括：
利用超声回波算法和合成孔径成像算法对所述超声回波信号进行处理，生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像。
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：
本发明借助核磁共振空间的高磁场强度，可以实现被测生物组织内部间质流体流通特性的检测。首先利用环形相控阵依次激励被测生物组织，在核磁共振静磁场的作用下被测生物组织内部产生等效电场源，利用检测电极或检测线圈接收磁声电信号，同时利用环形相控阵接收超声回波信号，该超声回波信号能够检测被测生物组织内部质点振动速度，最后利用磁声电信号和超声回波信号同时获取被测生物组织内间质流体的电导率分布图像和反应间质流体结构的超声图像。
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为本发明核磁共振下的磁声电成像系统的原理图；
图2为本发明核磁共振下的磁声电成像系统的结构示意图；
图3为本发明核磁共振下的磁声电成像系统的成像目标体截面图；
图4为本发明核磁共振下的磁声电成像系统的成像目标体侧视图；
图5为本发明核磁共振下的磁声电成像的方法流程图。
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。
为了满足核磁共振静磁场下间质流体的高分辨率检测，本发明提供了一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法。本发明借助于核磁共振的高磁场强度，不仅可以实现间质流体流通特性检测，也可以高精度检测被测生物组织的电导率。本发明原理是：如图1所示，利用超声换能器或者环形相控阵激励被测生物组织，并在核磁共振静磁场的作用下被测生物组织内部产生等效电场源，一方面利用检测电极或检测线圈接收磁声电信号，然后利用重建算法获得被测生物组织内部电阻抗分布图像；另一方面在核磁共振下的环形相控阵可以直接激励被测生物组织，并利用环形相控阵接收超声回波信号，该超声回波信号用于检测被测生物组织内部质点振动速度，然后利用超声回波方法和合成孔径成像算法获取声阻抗分布图像，本发明不仅可以获得被测生物组织内间质流体的电阻抗分布图像，还可以获取反应间质流体结构的声阻抗分布图像(即超声图像)，即这种原理带来的优势是实现声阻抗分布和电阻抗分布的双模成像，同时获取被测组织的结构信息和功能信息。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的一种核磁共振下的磁声电成像系统包括耦合模块、超声相控阵模块、信号处理模块和控制模块1。
所述耦合模块包括耦合介质和测量模具2。所述测量模具2为两端开口的腔体结构；所述测量模具2用于容纳被测生物组织3；所述被测生物组织3为含有间质流体的生物组织。所述超声相控阵模块包括环形相控阵4以及与所述环形相控阵4连接的相控阵超声激励检测子系统5；所述环形相控阵4安装在所述测量模具2的内壁上；所述信号处理模块至少包括检测线圈6或者检测电极；所述检测线圈6安装在所述测量模具2的内壁上；所述检测电极用于在工作状态下安装在所述被测生物组织3上；所述控制模块1分别与所述相控阵超声激励检测子系统和所述信号处理模块连接。
其中，所述耦合介质可以为固态介质，可以是水膜，也可以是与测量模具1具有相同声学特征的固体凝胶介质，所述耦合介质用于耦合环形相控阵4与被测生物组织3直接的声传输。
所述测量模具2用于支撑耦合介质、环形相控阵3以及信号处理模块中的检测线圈6或者检测电极。
在工作状态下，所述测量模具2位于核磁共振静磁场环境内，所述测量模具2容纳有所述被测生物组织3；所述相控阵超声激励检测子系统5启动以控制所述环形相控阵4激励所述被测生物组织3，并在核磁共振静磁场的作用下所述被测生物组织3内部产生等效电场源，所述检测电极或所述检测线圈6采集磁声电信号，所述环形相控阵4采集超声回波信号；所述控制模块1根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织3的电阻抗分布图像，所述控制模块1根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织3的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。其中，所述检测线圈6的平面与所述核磁共振静磁场的磁场方向垂直。
一个实施例中，所述相控阵超声激励检测子系统5，用于：
控制所述环形相控阵中的单个阵元或者多个阵元激发，以使所述被测生物组织内部产生等效电场源；接收所述环形相控阵采集的超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述控制模块。
一个实施例中，所述信号处理模块还包括信号处理电路和前置放大单元；
所述信号处理电路用于对所述磁声电信号进行滤波处理；所述前置放大单元用于对滤波处理后的磁声电信号进行放大处理，得到放大滤波后的磁声电信号，并将所述放大滤波后的磁声电信号发送至所述控制模块；
所述控制模块1，用于：根据所述放大滤波后的磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像并显示；根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像并显示。
一个实施例中，当采用所述检测线圈6采集磁声电信号时，所述检测线圈6的组数可以为一组，也可以为多组，检测线圈位置理论上可以任意，特例情况下检测线圈6是一对，分别位于所述环形相控阵4的两侧。
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为离体组织时，所述检测电极为面电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接贴于所述被测生物组织上。其中，所述检测电极最好为一对电极，且一对电极最好位于环形相控阵4的两侧，最优情况下电极中的电流方向垂直于静磁场方向和超声的声传播方向。
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为在体组织时，例如人或者小动物四肢等，所述检测电极为半环状电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接套在所述被测生物组织上。优选地，所述检测电极包括第一半环状电极7和第二半环状电极8，第一半环状电极7和第二半环状电极8均直接套在被测生物组织3上，且第一半环状电极7和第二半环状电极8最好位于环形相控阵4的两侧。
其工作状态下被测生物组织的示意图如图3和4所示，其中，标号9表示核磁共振静磁场，标号10表示耦合介质。
为实现磁声电成像与超声成像两种模式的同时性，故激励过程和采集过程采用同步模式实现。在激励过程时，控制模块1通过控制相控阵超声激励检测子系统5使得环形相控阵4中的单个阵元或者多个阵元同时激发，激发的同时该环形相控阵4中的所有通道通过不同的采集模式设置不同通道接收超声回波信号，与此同时检测电极或者检测线圈6接收磁声电信号。
所述控制模块1的一个功能是能实时显示并记录环形相控阵4在不同激励状态下所对应得磁声电信号和超声回波信号，在系统层面上实现磁声电成像(即电阻抗分布图像)和超声成像(即声阻抗分布图像)的高度融合；所述控制模块1的另一个功能是电阻抗分布图像和声阻抗分布图像的重建和显示，首先在声阻抗分布图像和电阻抗分布图像的重建中，不仅可以采用扫描方式粗略显示被测生物组织的结构和电导率分布情况，还可以采用环形阵的合成孔径成像方法和平面波超快成像方法实现两种声阻抗分布图像和电阻抗分布图像，所述合成孔径成像方法描述如下：
假设被测生物组织内部的任意一个成像点的像素表示为：
其中，r(x,y)为被测生物组织内部任意一个坐标为(x,y)处的所有像素值的叠加，w()是单个阵元激励时在坐标(x,y)处的像素值，(xi,yi)表示第i个成像目标点的坐标，i＝1,···,M，(Xj,Yj)表示第j个激励阵元对应的坐标，j＝1,···,N，a为接收阵元的波阵面的半径，cs为被测生物组织内的声速，则被测生物组织在第i个成像目标点所对应的总传播时间为ti,j，则表达式为：
利用公式(1)和公式(2)将超声成像和磁声电成像进行融合。
所述平面波成像方法描述如下：
以磁声电成像为例进行描述，在磁声电成像中被测生物组织内部某一点的像素值可计算为：
其中，d为参与波束合成的所有接收信号的通道数，由检测线圈的数量和角度决定；i为对应的检测线圈的序号，wm为波束合成窗函数，ξ()则为接收的磁声电信号，τm(x,y)为波束合成时用于对检测通道数据寻址的延迟量，对于环形相控阵而言，则延迟为固定延迟。
本实施例提供的磁声电成像系统中的磁声电成像和超声成像不仅在检测上实现了两者的统一，在成像算法上也可以相互借鉴，其不同在于超声成像中环形相控阵的激励阵元和接收阵元位置固定，可以采用透射法和反射法进行合成孔径成像，但是磁声电成像则激励阵元位置固定，接收点则为成像目标点。为提高磁声电成像的信噪比和超声成像的图像对比度，可以采用多阵元轮换激励方式实现，如阵元1和阵元2同时激励，所有通道接收回波信号的同时，检测电极或者检测线圈接收磁声电信号，依次为阵元2，阵元3激励，所有通道接收回波信号的同时，检测电极或者检测线圈接收磁声电信号，依此轮换实现整个阵元的遍历激励。
实施例二
为实现上述目的，本实施例提供了一种实施例一所述的核磁共振下的磁声电成像系统的成像方法，如图5所示，包括：
步骤501：获取检测电极或检测线圈采集的磁声电信号；
步骤502：获取环形相控阵采集的超声回波信号；
步骤503：根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像；
步骤504：根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。
一个实施例中，步骤503，具体包括：
对所述磁声电信号进行放大滤波处理；利用平面波超声成像算法对所述放大滤波后的磁声电信号进行处理，生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像。
一个实施例中，步骤504，具体包括：
利用超声回波算法和合成孔径成像算法对所述超声回波信号进行处理，生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像。
本实施例提供的一种核磁共振下的磁声电成像系统及方法，涉及的是环形相控阵激励技术、环形相控阵激励检测超声成像技术以及用环形阵的合成孔径成像方法和平面波超快成像方法重建超声图像和磁声电图像的技术，基于该技术形成的新的成像方法和成像系统带来的优势是：与现有的磁声电成像方法相比，本发明将单阵元超声换能器替换成了环形相控阵激励，同时采用半环状电极采集磁声电信号，进而导致的磁声电图像重建算法和现有磁声电图像重建方法也不同，技术上提出核磁共振下电阻抗成像、超声成像以及核磁共振结构成像的三种成像的多模式成像方法。
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 (10)
1.一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，包括：耦合模块、超声相控阵模块、信号处理模块以及控制模块；
所述耦合模块至少包括测量模具；所述测量模具为两端开口的腔体结构；所述测量模具用于容纳被测生物组织；所述被测生物组织为含有间质流体的生物组织；
所述超声相控阵模块包括环形相控阵以及与所述环形相控阵连接的相控阵超声激励检测子系统；所述环形相控阵安装在所述测量模具的内壁上；
所述信号处理模块至少包括检测线圈或者检测电极；所述检测线圈安装在所述测量模具的内壁上；所述检测电极用于在工作状态下安装在所述被测生物组织上；
所述控制模块分别与所述相控阵超声激励检测子系统和所述信号处理模块连接；
在工作状态下，所述测量模具位于核磁共振静磁场环境内，所述测量模具容纳有所述被测生物组织；所述相控阵超声激励检测子系统启动以控制所述环形相控阵激励所述被测生物组织，并在核磁共振静磁场的作用下所述被测生物组织内部产生等效电场源，所述检测电极或所述检测线圈采集磁声电信号，所述环形相控阵采集超声回波信号；所述控制模块根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像，所述控制模块根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，所述耦合模块还包括耦合介质；所述耦合介质用于耦合所述环形相控阵与所述被测生物组织的声传输。
3.根据权利要求2所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，所述耦合介质为固态介质、水膜或者与所述测量模具具有相同声学特征的固体凝胶介质。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，所述相控阵超声激励检测子系统，用于：
控制所述环形相控阵中的单个阵元或者多个阵元激发，以使所述被测生物组织内部产生等效电场源；
接收所述环形相控阵采集的超声回波信号，并将所述超声回波信号发送至所述控制模块。
5.根据权利要求1所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，
当采用所述检测线圈采集磁声电信号时，所述检测线圈的组数为两组，分别位于所述环形相控阵的两侧；
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为离体组织时，所述检测电极为面电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接贴于所述被测生物组织上；
当采用所述检测电极采集磁声电信号且所述被测生物组织为在体组织时，所述检测电极为半环状电极，并且在工作状态下，所述检测电极直接套在所述被测生物组织上。
6.根据权利要求1所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，所述检测线圈的平面与所述核磁共振静磁场的磁场方向垂直。
7.根据权利要求1所述的一种核磁共振下的磁声电成像系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括信号处理电路和前置放大单元；
所述信号处理电路用于对所述磁声电信号进行滤波处理；
所述前置放大单元用于对滤波处理后的磁声电信号进行放大处理，得到放大滤波后的磁声电信号，并将所述放大滤波后的磁声电信号发送至所述控制模块；
所述控制模块，用于：
根据所述放大滤波后的磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像并显示；
根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像并显示。
8.一种应用于权利要求1-7任意一项所述的核磁共振下的磁声电成像系统的成像方法，其特征在于，包括：
获取检测电极或检测线圈采集的磁声电信号；
获取环形相控阵采集的超声回波信号；
根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像；
根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像；所述声阻抗分布图像为反应间质流体结构的超声图像。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述磁声电信号生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像，具体包括：
对所述磁声电信号进行放大滤波处理；
利用平面波超声成像算法对所述放大滤波后的磁声电信号进行处理，生成所述被测生物组织的电阻抗分布图像。
10.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述超声回波信号生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像，具体包括：
利用超声回波算法和合成孔径成像算法对所述超声回波信号进行处理，生成所述被测生物组织的声阻抗分布图像。
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