CN114502062B - 用于确定感兴趣材料的参数的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定感兴趣材料的参数的方法，该方法包括：使用射频(RF)源将RF能量引导到感兴趣区域中，该感兴趣区域包括材料、已知参考物以及材料与已知参考物之间的边界；使用声学接收机检测响应于RF能量而生成的至少一个热声多极信号；以及由一个或更多个处理器根据至少一个热声多极信号和发射功率校正因子确定材料的参数。

Description

用于确定感兴趣材料的参数的方法和系统
领域
本主题公开涉及热声成像，并且具体涉及用于确定感兴趣材料的参数的方法和系统。
背景
可以通过对材料进行一次或更多次测量来识别或量化材料类型，并且因此，如果材料的类型未知，可以执行识别或量化方法来识别材料类型。这些方法往往需要使用专门的设备。例如，介电测量系统需要专门的探头和网络分析仪。
在医疗环境中，诸如在医院中，这种专门设备可能不是容易获得的。如将理解的，如果需要，期望使用在医疗环境中容易获得的设备来确定感兴趣材料的一个或更多个参数。
尽管已经考虑了用于确定材料的一个或更多个感兴趣参数的技术，但仍需要改进。因此，目的至少是提供一种用于确定感兴趣材料的参数的新颖方法和系统。
概述
应当理解，提供本概述是为了以简化的形式介绍理念的选择，该理念在下文的详细描述中进一步描述。本概述并不打算用于限制所要求保护主题的范围。
因此，在一个方面，提供了一种用于确定感兴趣材料的参数的方法，该方法包括：使用射频(RF)源将RF能量引导到感兴趣区域中，该感兴趣区域包括材料、已知参考物以及材料与已知参考物之间的边界；使用声学接收机检测响应于RF能量而生成的至少一个热声多极信号；以及由一个或更多个处理器根据至少一个热声多极信号和发射功率校正因子确定材料的参数。
在一个实施例中，使用射频(RF)源将RF能量引导到感兴趣区域中，包括使用热声成像系统将RF能量脉冲引导到感兴趣区域中。
在一个实施例中，使用声学接收机检测响应于RF能量而生成的至少一个热声多极信号包括：使用至少一个热声换能器阵列或至少一个超声换能器阵列来检测响应于RF能量而生成的至少一个热声多极信号。
在一个实施例中，该方法包括基于RF源的输入功率和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
在一个实施例中，该方法包括基于已知参考物的估计厚度和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
在一个实施例中，每个热声多极信号对应于单独的边界位置。
在一个实施例中，该方法还包括：使用超声系统将声波引导到感兴趣区域中；使用超声系统的超声换能器检测响应于声波而在感兴趣区域中生成的回波；处理与回波相关联的超声数据以生成一个或更多个超声图像；以及使用一个或更多个超声图像来定位感兴趣区域。
根据另一方面，提供了一种用于确定感兴趣材料的参数的系统，该系统包括：射频(RF)源，该射频(RF)源被配置成将RF能量导向感兴趣区域，其中感兴趣区域包括材料、已知参考物以及材料与已知参考物之间的边界；至少一个热声或超声换能器，该至少一个热声或超声换能器被配置成接收响应于RF能量信号而生成的至少一个热声多极信号；以及一个或更多个处理器，该一个或更多个处理器被配置成根据至少一个热声多极信号和发射功率校正因子确定材料的参数。
在一个实施例中，RF源被配置成将RF能量脉冲引导到感兴趣区域中。
在一个实施例中，基于RF源的输入功率和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
在一个实施例中，基于已知参考物的估计厚度和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
在一个或更多个实施例中，每个热声多极信号对应于单独的边界位置。
在一个实施例中，该系统还包括超声成像系统，该超声成像系统被配置成将声波引导到感兴趣区域中并检测响应于声波而在感兴趣区域中生成的回波，并且其中一个或更多个处理器被配置成处理与该回波相关联的超声数据以生成一个或更多个超声图像，并使用该一个或更多个超声图像来定位感兴趣区域。
根据另一方面，提供了一种用于确定感兴趣材料的参数的系统，该系统包括：热声成像系统以及一个或更多个处理器，该热声成像系统包括射频(RF)施加器和声学接收机，该射频(RF)施加器被配置成将RF能量脉冲发射到感兴趣区域中，该感兴趣区域包括材料和已知参考物，该材料和已知参考物由至少一个边界隔开，该声学接收机被配置成接收响应于RF能量脉冲而在感兴趣区域中引起的至少一个热声多极信号；该一个或更多个处理器被配置成：根据至少一个热声多极信号和发射功率校正因子确定材料的参数。
在一个实施例中，基于RF施加器的输入功率和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
在一个实施例中，基于已知参考物的估计厚度和已知参考物的衰减系数来确定发射功率校正因子。
附图简述
现在将参照附图更全面地描述实施例，其中：
图1是成像系统的示意图，其中感兴趣区域在体外(in vitro)；
图2是示出响应于感兴趣组织区域的热声成像而生成的示例性热声多极信号的曲线图，该感兴趣组织区域包括由边界隔开的不同组织材料；
图3是示出示例性电场强度衰减曲线的曲线图；
图4是示出射频(RF)能量脉冲的示例性通量(能量梯度)的曲线图；
图5是用于确定感兴趣对象的材料类型的方法的流程图；
图6是用于确定感兴趣对象的材料类型的另一方法的流程图；
图7是成像系统的示意图，其中感兴趣区域在体内(in vivo)；以及
图8是成像系统的另一个实施例的示意图。
实施例的详细描述
当结合所附附图阅读时，将更好地理解前述概述以及以下某些示例的详细描述。如本文所使用的，以单数引入并以单词“一(a)”或“一个(an)”开头的元素或特征应该被理解为不一定排除多个元素或特征。此外，对“一个示例”或“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所描述的元素或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非相反地明确声明，否则“包含(comprise)”或“具有(have)”或“包括(include)”具有特定特性的一个元素或特征或者多个元素或特征的示例或实施例可以包括不具有该特性的附加元素或特征。此外，应当理解，术语“包含”、“具有”、“包括”意味着“包括但不限于”，并且术语“包含”、“具有”和“包括”具有等效的含义。
如本文所使用的，术语“和/或”可以包括相关联的所列出的元素或特征中的一个或更多个的任何和所有的组合。
应当理解，当一个元素或特征被称为“在另一个元素或特征上”、“附着到另一个元素或特征”、“连接到另一个元素或特征”、与另一个元素或特征“耦合”、“接触另一个元素或特征”等时，该元素或特征可以直接在另一个元素或特征上、直接附着到另一个元素或特征、直接连接到另一个元素或特征、直接与另一个元素或特征耦合、或者直接接触另一个元素或特征，或者也可以存在中间元素。相反，当一个元素或特征被称为例如“直接在另一个元素或特征上”、“直接附着”到另一个元素或特征、“直接连接”到另一个元素或特征、“直接与另一个元素或特征耦合”或“直接接触”另一个元素或特征时，不存在中间元素或特征。
应当理解，空间相关的术语，诸如“在......之下(under)”、“在......下方(below)”、“下部(lower)”、“在......之上(over)”、“在...上方(above)”、“上部(upper)”、“前部(front)”、“后部(back)”等可在本文中使用，以便于描述如附图所示的一个元素或特征与另一个元素或特征的关系。然而，空间相关的术语可以包含除了附图中描绘的取向之外的使用或操作中的不同取向。
总的来说，本主题公开讨论了一种用于基于热声成像、超声成像和射频特性来识别感兴趣材料的参数的方法和系统。
例如，与已知参考材料或填料(padding)结合的热声成像系统可以获取未知材料的热声信号。在这种情况下，已知参考材料或填料放置在未知材料的顶部，并被用于表征未知材料的特性。未知材料需要与热声成像系统的感测极限相对应的最小质量和最小尺寸。在热声成像期间，当存在未知材料和已知参考材料或填料两种材料时，由于未知材料和已知参考材料或填料的能量吸收率不同，在未知材料和已知参考材料或填料之间的边界处会出现热声多极信号。基于热声多极信号的相位和强度，热声成像系统可以识别未知材料的签名值(signature value)。签名值可以包括Grüneisen参数和电导率(或介电常数的虚部)。
下面表I示出了材料的Grüneisen参数和电导率的示例。Grüneisen参数取决于材料的温度并且通常呈线性关系。材料的电导率取决于各种因素，诸如频率和温度。
表I.室温下材料的Grüneisen参数和电导率(在434MHz)的示例
蒸馏水 皮下脂肪 肌肉 血液 矿物油
Grüneisen参数 0.11 0.81 0.21 0.14 0.71
电导率(S/m) 0.045 0.042 0.80 1.36 0
超声成像系统可以观察成像材料的散射特性和声速，并将散射特性与参考材料进行比较。超声成像可以在有或没有已知参考材料或填料的情况下完成。超声成像可用于检查一般的材料条件(material condition)，并检查任何可能干扰热声或射频(RF)测量结果的不希望的结构，诸如裂纹或气泡。
对于射频(RF)特性(诸如电压驻波比(VSWR)、前向功率(forward power)和反射功率以及阻抗)，这些特性可以被测量以检查被测材料和RF施加器之间的阻抗匹配(或表面接触)。这种测量结果可以在有或没有已知参考材料或填料的情况下获得。
未知材料的其他潜在观察(例如，颜色、透明度或其他物理特性)可以与参考材料或填料进行比较。表II总结了可以直接观察到的材料的特性。
表II.材料的其他物理特性的示例
蒸馏水 脂肪 矿物油 混凝土
颜色 无色 白色 无色 白色/灰色/彩色
透明度 透明 不透明 透明 不透明
气味 无味 腐臭的 无味 混凝土气味
纹理 光滑 光滑 光滑 粗糙
材料状态 液体 固体 液体 固体
现在转到图1，示出了示例性成像系统，并且该成像系统大体由附图标记20标识。可以看出，成像系统20包括可通信地耦合到超声成像系统24和热声成像系统26的编程计算设备22。超声成像系统24和热声成像系统26分别被配置成获得感兴趣区域ROI的超声图像数据和热声图像数据。
本实施例中的编程计算设备22是个人计算机、服务器或其他合适的处理设备，包括例如处理单元，该处理单元包括一个或更多个处理器、计算机可读系统存储器(易失性和/或非易失性存储器)、其他不可移除或可移除计算机可读存储器(例如，硬盘驱动器、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM、DVD、闪存等)和将各种计算机部件耦合到该处理单元的系统总线。计算设备22还可以包括使用以太网、Wi-Fi和/或其他合适的网络格式的联网能力，以实现到共享或远程驱动器、一个或更多个联网计算机或其他联网设备的连接。诸如鼠标和键盘(未示出)的一个或更多个输入设备耦合到计算设备22以用于接收操作者输入。诸如一个或更多个计算机屏幕或监视器的显示设备(未示出)耦合到计算设备22以用于显示一个或更多个生成的图像，这些生成的图像基于从超声成像系统24接收的超声图像数据和/或从热声成像系统26接收的热声图像数据。编程计算设备22执行存储在计算机可读系统存储器和/或其他不可移除或可移除计算机可读存储器上的程序代码，并执行根据程序代码的方法，如下文将进一步描述的。
超声成像系统24包括以超声换能器28形式的声学接收机，该超声换能器28容纳被配置成将声波发射到感兴趣区域ROI中的一个或更多个超声换能器阵列30。被引导到感兴趣区域ROI中的声波从感兴趣区域ROI内的材料回波，其中不同的材料反射不同程度的声音。由超声换能器28的一个或更多个超声换能器阵列30接收的回波由超声成像系统24处理，之后作为超声图像数据被传送到计算设备22以用于进一步处理并且用于作为可由操作者解释的超声图像呈现在显示设备上。在该实施例中，超声成像系统24利用假定1,540m/s的标称声速的B模式超声成像技术。由于超声成像系统在本领域中是已知的，因此超声成像系统24的更多细节在本文中不再进一步描述。
热声成像系统26包括以热声换能器32形式的声学接收机。热声换能器32容纳一个或更多个热声换能器阵列34以及射频(RF)施加器36。然而，应当理解，RF施加器36可以与热声换能器32分开地进行容纳。RF施加器36被配置成发射被引导到感兴趣区域ROI内的材料中的短RF能量脉冲。在该实施例中，RF施加器36具有在约10MHz和100GHz之间的频率，并且具有在约0.1纳秒和10纳秒之间的脉冲持续时间。被递送到感兴趣区域ROI内的材料的RF能量脉冲引起由热声换能器32检测的感兴趣区域ROI内的声学压力波(热声多极信号)。由热声换能器32检测到的声学压力波被处理并作为热声图像数据被传送到计算设备22以用于进一步处理并且用于作为可由操作者解释的热声图像呈现在显示设备上。
在该实施例中，超声换能器28和热声换能器32机械互连，使得一个或更多个超声换能器阵列30、一个或更多个热声阵列34和RF施加器36之间的空间关系是已知的。使用一个或更多个超声换能器阵列30、一个或更多个热声换能器阵列34和RF施加器36的中心线来设置空间关系。超声换能器阵列34和热声换能器阵列34的中心线被定义为相应换能器阵列的一个区域的中点。
在该实施例中，一个或更多个超声换能器阵列30和一个或更多个热声换能器阵列34之间的空间关系是这样的，即一个或更多个热声换能器阵列34的中心线被设置成相对于一个或更多个超声换能器阵列30的中心线(也被称为轴向轴线或超声换能器阵列波束轴线)成已知角度α。一个或更多个热声换能器阵列34和RF施加器36之间的空间关系是这样的，即RF施加器36的中心线与一个或更多个热声换能器阵列34的中心线被空间间隔开并大体平行。
成像系统20利用一个或更多个超声换能器阵列30和一个或更多个热声换能器阵列34之间的已知空间关系来提高热声成像的精度和准确度。
超声换能器28的一个或更多个超声换能器阵列30的坐标系和热声换能器32的一个或更多个热声换能器阵列34的坐标系由计算设备22进行映射，使得可对所采集的超声图像和热声图像进行配准。可替代地，热声成像系统26可通过将一个或更多个超声换能器阵列30与超声换能器28断开并将该一个或更多个超声换能器阵列30连接到热声换能器32来利用超声换能器28的一个或更多个超声换能器阵列30。如将理解的，通过这样做，不需要一个或更多个超声换能器阵列30与一个或更多个热声换能器阵列34之间的坐标映射。
图2中示出了示例性热声多极信号200、205和210。热声多极信号200、205和210响应于感兴趣组织区域ROI的热声成像而生成，该感兴趣组织区域ROI包括由边界215隔开的第一组织220和不同类型的第二组织225。虚线230指示与边界215相对应的时间点。热声多极信号200、205和210的峰到峰值的差表示第一组织220在收缩之前响应于递送的RF能量而膨胀到边界215并进入第二材料225中的程度，并且可以是由于例如Grüneisen参数、电导率和/或温度的差异。随着两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差增大，第一材料220膨胀到边界215并进入第二材料225的量增加。因此，每个热声多极信号200、205和210的峰到峰幅度与两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差成正比。可以看出，热声多极信号200的峰到峰值大于热声多极信号205、210的峰到峰值，并且热声多极信号205的峰到峰值大于热声多极信号210的峰到峰值。因此，当生成热声多极信号200时两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差大于当生成热声多极信号205时两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差。类似地，当生成热声多极信号205时两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差大于当生成热声多极信号210时两种不同组织220和225在边界215处吸收的RF能量的量之间的差。
图3示出了材料310和315中的电场强度衰减曲线300和305作为距RF施加器36的距离的函数。该示例进行了简化，并且忽略了诸如边界的反射的因素。每个电场强度衰减曲线300和305分别表示材料310、315的作为距RF施加器36的距离的函数的电场强度衰减。材料310和315具有不同的衰减系数(这可能是各自材料中不同脂肪浓度的结果)。在该示例中，与电场强度衰减曲线300相关联的材料310具有比与电场强度衰减曲线305相关联的材料315低的衰减系数。与电场强度衰减曲线300相关联的材料310具有高脂肪浓度(例如大于10％)，而与电场强度衰减曲线305相关联的材料315具有低脂肪浓度(例如小于10％)。与电场强度衰减曲线300相关联的材料310还具有不同于与电场强度衰减曲线305相关联的材料315的Grüneisen参数。
图4示出了由RF施加器36生成的RF能量脉冲的通量(能量梯度)。RF施加器36位于X轴的0值处并在X轴的0值处居中。可以看出，随着与RF施加器36的中心相距的距离增大，电场强度减小。
不同的材料在给定的频率和温度下具有特定的介电特性。因此材料的介电特性决定了吸收了多少能量。传输透过材料的电场被衰减，并且衰减量由材料的介电特性和物理特性两者来决定。例如，与瘦(正常)组织相比，脂肪组织吸收更少的能量，从而衰减更少的电场。已知这些特性，透过材料的衰减量就可以被估计出来。此外，对于具有特定设计和调谐的给定RF施加器，材料的介电特性导致不同的RF匹配和能量传递。例如，如果将RF施加器36调谐为与人体匹配，则该RF施加器36很可能与高含水量的材料(诸如超声凝胶)匹配不佳。因此，已知RF功率和匹配特性可以提供关于与RF施加器36接触的材料的信息。
现在转到图5，其示出了一种用于确定感兴趣材料的参数的方法，并且该方法大体由附图标记500标识。首先，在该方法期间，将已知参考物和感兴趣材料在感兴趣区域ROI内彼此相邻地定位(步骤510)。在感兴趣区域ROI位于人体外部(例如体外)的实施例中，已知参考物可以是由已知材料(诸如例如橡胶)制成的垫(pad)的形式。垫构造的其他示例可以包括但不限于由诸如琼脂、明胶(gelatin)、凝胶蜡(gelwax)等的材料制成的凝胶。垫应当具有已知的介电特性、低声学衰减特性、最小RF干扰特性和良好的声学匹配特性。已知参考物(例如，垫)被放置在感兴趣对象的顶部。
然后使用热声成像系统26对感兴趣区域ROI进行成像。结果，RF能量脉冲被递送到感兴趣区域ROI。响应于所递送的RF能量脉冲，在边界位置处，生成由热声换能器32检测和接收的热声多极信号(步骤520)。
由热声换能器32接收的热声多极信号作为热声数据被传送到计算设备22用于处理(步骤530)。在该实施例中，计算设备22被编程以根据热声多极信号和发射功率校正因子确定感兴趣材料的参数。
为了估计未知材料的特性，可以利用许多方程。众所周知，由热源H(r，t)产生的热声压力p(r，t)遵循以下方程：
Figure GDA0004055751930000101
其中r是空间位置向量，β是等压体积膨胀系数，c是声速，而Cp是比热容。关于热声压力p(r，t)求解方程1产生以下正演问题(forward problem)：
Figure GDA0004055751930000102
热源H(r，t)被建模为两个因子的乘积，这两个因子是能量吸收的空间分布A(r)和时间辐照函数I(t)。能量吸收的空间分布A(r)是基于被成像的材料的特性来确定的。由于热声换能器阵列30具有有限带宽，接收的热声数据pd(r，t)是热声压力p(r，t)与热声换能器阵列30的脉冲响应h(t)卷积的结果，如方程3所示：
pd(r，t)＝p(r，t)*t h(t)    (3)
其中*t表示一维(1D)时间卷积。
如将理解的，对于传统的热声成像，目标是通过反演该正演问题来恢复空间吸收分布A(r)。因此，辐照函数被建模为在给定时间点上均匀的时间函数。
由于热声换能器阵列30的带宽有限，准确地恢复空间吸收分布A(r)并非易事。因此，提取定量信息需要比传统的重建方法更复杂的方法。
当使用RF能量脉冲加热感兴趣材料时，每单位体积的功率沉积A(r)表示为：
A(r)＝ωε0ε″rE2(r)   (4)
其中ω是角频率，ε0是真空介电常数，ε″r是感兴趣材料的相对介电常数(也称为电导率)的虚部，并且E(r)是电场强度。从感兴趣材料中获得的热声数据的强度S(r)是组织的沉积能量和Grüneisen参数Γ的乘积：
S(r)＝ΓA(r)＝Γωε0ε″rE2(r)    (5)
如将理解的，由于热声换能器阵列的脉冲响应特性，所记录的热声数据在两种不同材料之间的边界处呈现多极信号。多极热声数据的强度被定义为多极信号的两个峰之间的距离。在其他实施例中，度量还可以包括其他信息，诸如双模信号的宽度或多极信号的三个或更多个峰的幅度。
在介电损耗介质内，电场强度在传播通过介质时衰减。衰减量由各种因素决定，诸如感兴趣材料的特性和RF施加器36的特性。电场的空间分布可以表示为：
E(r)＝E0EA(r)    (6)
其中E0是感兴趣区域的最大电场强度，并且EA(r)是电场在给定空间上的衰减。对于简单的一维情况，衰减EA(r)可以用指数形式表示：
EA(d)＝e-ηd    (7)
其中η是感兴趣区域的电场吸收系数，并且d是感兴趣区域ROI与RF施加器36的距离。在现实中，衰减函数会有更复杂的形式。
在该实施例中，方程5被用作从热声数据中推断对象材料参数(特性)的模型。如所述，从感兴趣区域ROI获得的热声数据以热声多极信号的形式存在。热声多极信号的强度或峰到峰幅度表示感兴趣材料与已知参考物之间的吸收特性之差。此外，边界处的热声数据的相位指示哪种材料(感兴趣材料或已知参考物)具有更高或更低的吸收系数。在边界位置r处测量的每个热声多极信号的强度或峰到峰幅度Sl由方程8表示：
Sl＝(ΓMOIε″r，MOI-Γrefε″r，ref)ωε0El 2    (8)
其中MOI表示感兴趣材料，ref表示已知参考物，并且El表示边界处的入射电场强度。
如方程8所示，每个热声多极信号的强度由若干材料参数和边界处的电场强度决定。
由于参考物的特性是已知的，为了估计感兴趣材料的特性，只需要边界处的电场强度。换句话说，由于感兴趣材料具有不同于已知参考物的介电和/或热声特性，因此可以推导出感兴趣材料的特性。
利用方程6，边界位置处(从已知参考物到感兴趣材料)的入射电场El可以被估计为：
Figure GDA0004055751930000121
其中E0是已知参考物的开始处的电场强度，nref是已知参考物的衰减系数，而dref是已知参考物的厚度。如将理解的，电场强度E0可以使用有限差分时域法(FDTD方法)建模，并且可以从在RF换能器32处进行的测量来推断。电场强度E0也可以可替代地使用电场探头在边界处直接测量。
边界位置处的热声多极信号强度可以由方程8和方程9导出：
Figure GDA0004055751930000131
感兴趣材料的参数kMOI可以计算为：
Figure GDA0004055751930000132
计算参数kMOI需要基于已知参考物的衰减特性对电场进行精确建模。相反，可以基于从具有各种已知特性的合成对象或模体(phantom)创建的查找表来进行估计。通过使用已知合成对象或模体，可以绕过对这种精确建模的需要。然而，精确的电场建模仍然会有好处，因为电场分布会根据正在扫描的感兴趣材料而变化。
创建查找表需要结合已知参考物对每种已知合成对象或模体进行热声成像。在已知合成对象或模体与已知参考物的热声成像期间，在已知参考物与已知合成对象或模体的边界处，热声多极信号强度将为：
Figure GDA0004055751930000133
由方程(10)和方程(11)可以得到如下表达式：
Figure GDA0004055751930000134
其中a是校正合成对象或模体与感兴趣材料之间的发射功率差的缩放因子。
对方程13的各项进行重新排列，得到下面的方程14：
Figure GDA0004055751930000135
对于不同的合成对象或模体和感兴趣对象，可以根据模型和实验将参数κobj制表以生成κobj，syn。可以针对每个合成对象或模体和每个感兴趣对象来测量或建模κobj的每一个成分。对于每个感兴趣对象和给定的合成对象或模体，参数κobj将是唯一值。如果有多个合成对象或模体，那么对于单个感兴趣对象将有多个K值。在一个实施例中，将利用参数κobj,syn代替κobj，因为未知材料类型的未知量的产品取决于感兴趣对象和所使用的合成对象或模体。
κobj,syn可以看作是一个既取决于对象又取决于合成对象的函数。对于给定的合成对象(syn1)，我们将得到κobj,syn1。对于另一个合成对象(syn2)，我们将得到κobj,syn2。
合成对象或模体可以由各种液体和固体制成，包括但不限于水、凝胶、蜡、琼脂、TX-151、TiO2或它们的某种组合。合成对象或模体可以具有广泛的介电特性和Grüneisen参数。在该实施例中，扫描合成对象或模体和已知参考物，并记录它们的热声测量结果和功率测量结果。记录的测量结果和从测量结果计算的度量值被制表成多维查找表。对于查找表，热声多极信号强度按前向功率归一化，以补偿合成对象或模体之间的功率变化。在一个实施例中，介电常数的实相对部在5到100之间(无量纲)。
在单独的实施例中，使用单个合成对象或模体而不是使用多个合成对象或模体来生成多维查找表。为了生成具有单个合成对象或模体的查找表数据，使用校正合成对象或模体与感兴趣材料之间的前向功率差的缩放因子。将该组测量参数与已知参数进行比较使用户能够基于与已知参数的最接近匹配来确定感兴趣材料的参数。
来自给定热声数据的各种测量结果可以用来构建一个度量，该度量也可以被制表并用于识别感兴趣材料。例如，热声测量结果在测量开始时可能没有与感兴趣材料相关的响应信号。相反，响应信号可以来自耦合介质(例如，超声凝胶)、来自内部部件或换能器部件、已知参考物与RF施加器36之间的边界、来自RF施加器36的内部部件等。来自这些源的响应信号与感兴趣材料无关，并且可以用于补偿或归一化来自感兴趣材料的热声多极信号。在已知参考物和感兴趣材料之间的边界处的热声多极信号和与材料无关的响应信号之间的简单比值可用作度量。如果存在多个与材料无关的响应信号，则可以从它们的各种组合中构建其他度量。
本领域技术人员将理解，超声成像系统可用于帮助识别感兴趣材料。例如，可以观察感兴趣材料的声速和散射特性，并将其与参考物的声速和散射特性进行比较。超声成像系统还可用于检查感兴趣材料的条件，并检查可能干扰热声成像过程的不希望的结构，诸如裂纹或气泡。
本领域技术人员将理解，射频(RF)特性可用于帮助识别感兴趣材料。例如，可以监视RF能量脉冲的RF前向功率和反射功率。如图所示，RF前向功率是RF施加器发射的RF能量脉冲的功率。RF反射功率是被反射回RF施加器的RF能量脉冲的功率。使用RF前向功率和反射功率，可以计算电压驻波比(VSWR)，并且该电压驻波比是从RF施加器36发射RF功率的效率的度量。
在该实施例中，RF能量脉冲被引导通过至少一个中间区域并进入包括感兴趣材料的感兴趣区域。RF能量脉冲具有已知频率和已知幅度。第一功率监视器用于测量RF能量脉冲的前向功率。第二功率监视器用于测量RF能量脉冲的反射功率。可以在参考物存在或不存在的情况下获取RF前向功率和反射功率。
在该实施例中，VSWR被计算为测量的前向功率和测量的反射功率的比率。使用测量的前向功率、VSWR和估计的至少一个中间区域的厚度，可以使用查找表估计感兴趣材料的参数。本领域技术人员将理解，可以使用与其他功率相关的测量结果。
在使用网络分析仪来调谐RF施加器36的实施例中，可以在临床研究期间收集数据集，其中使用统计上数量显著的受试者来获得感兴趣材料的非侵入式热声测量结果和该感兴趣材料的金标准评估。
本领域技术人员将理解，热声多极信号的相位可用于帮助识别感兴趣材料。由于参考物由已知的材料制成，与另一种材料相比吸收更多热量的材料(感兴趣材料或参考物)迅速膨胀，跨过边界并且进入膨胀较小的另一种材料，并且然后迅速收缩。双极声学信号的相位取决于哪一种材料吸收更多的热量。
尽管系统被设计成使得已知参考物和未知感兴趣材料之间的边界接近与换能器阵列的表面平行，但边界的形状可能会根据感兴趣材料而变形。在这种情况下，所获得的热声测量结果需要对这种变形进行补偿。变形量可以基于超声成像和/或获得的热声测量结果来估计。对于本领域的技术人员来说，从超声图像估计边界的形状和角度是技术成熟的。也可以使用基于二维测量域中的角度和基于热声多极信号的形状的热声测量结果来估计变形。
在热声换能器阵列34处接收到的信号可以使用方程15表示：
ps(t)＝∫S p(r，t)dS   (15)
其中S是热声换能器阵列的表面积。如将理解的，热声换能器阵列的特性及其相对于感兴趣材料的定位改变了热声数据的特性。热声换能器阵列接收到的热声多极信号受各种因素的影响，这些因素与信号生成无关，而与信号传播有关。这些因素取决于换能器的空间灵敏度、热声换能器阵列与感兴趣材料和已知参考物之间的边界之间的相对定位、以及已知参考物关于热声换能器阵列表面的相对形状。即使对于相同的感兴趣区域和相同的热声换能器阵列，在热声数据采集期间改变热声换能器阵列的位置和角度也会导致不同的测量结果。
在该实施例中，基于由操作者提供的信息和测量结果计算补偿因子，或者使用所采集的超声图像数据估计补偿因子。补偿因子可以是单个因子或多个因子，其中每个因子是计算出的信息，诸如已知参考物的尺寸和形状以及超声换能器阵列与边界之间的角度。在一个实施例中，补偿因子是基于理论方法诸如通过使用声传播和超声换能器特性计算的。在另一个实施例中，补偿因子可以从合成对象或模体和临床研究中获得。在又一个实施例中，可以使用理论和实验方法两者。
当用补偿因子调整热声数据时，方程11中的热声信号强度Sl由经调整的热声信号强度S l代替：
Figure GDA0004055751930000161
当感兴趣材料大到足以忽略部分体积效应时，只需要基于角度的调整。当边界处的感兴趣材料的切向量与一个或更多个换能器阵列34的中心线不垂直时，对所采集的测量结果进行信号调整。该调整表示为：
S l＝SlC(θ)   (17)
其中C是基于角度的调整因子，θ是边界处的感兴趣材料的切向量与一个或更多个换能器阵列34的中心线之间的角度。
下面的表III是一个示例查找表，其允许感兴趣材料的参数作为边界处的热声多极信号、能量信号的前向功率和能量信号的电压驻波比的函数。
表III.查找表的示例
Figure GDA0004055751930000171
Figure GDA0004055751930000181
半定量测量结果可以用来帮助识别感兴趣材料。例如，对于具有未知条件的材料，可以将每个定量特性与表III中列出的条件进行比较。示例性比较度量如方程18所示：
Figure GDA0004055751930000182
其中N是在比较中包含的定量特性的总数，i表示查找表中的第i个条件，j表示第j个材料特性，pj i表示第i个条件下的第j个材料特性，pj未知表示未知条件下的第j个材料特性，wj表示第j个特性的加权因子。材料具有最低Qi将被视为材料的识别条件。如将理解的，仅部分材料特性可以被用于确定材料条件。
在一些实施例中，不直接从查找表中选择感兴趣材料的参数，而是基于所获取的度量来建议其身份(identity)的可能性。例如，一种材料可能有60％的可能性是材料1，而有40％的可能性是材料2。
在一些实施例中，基于所获取的度量，感兴趣材料的参数将被提议为多种材料的加权组合。
在一些实施例中，基于所获取的度量，感兴趣材料的参数将被提议为多种材料的加权组合。
本领域的技术人员将理解，在实施例中，可以使用基于超声分割或热声数据分析的算法来自动定义参考物和感兴趣材料之间的边界。如将理解的，操作者定义的方法和自动方法两者可以组合。
尽管参考物被描述为由已知材料制成的垫的形式并被放置在感兴趣材料顶部，但本领域技术人员将理解可使用替代方案。例如，在另一实施例中，已知参考物可以是容器或培养皿的形式，该容器或培养皿被配置成容纳或包含感兴趣对象。
现在转到图6，其示出了一种用于确定感兴趣材料的参数的方法的另一实施例，并且该方法大体由附图标记700标识。方法700与方法500非常相似但以下例外情况除外。在方法700期间，不同于感兴趣区域在体外，在方法700中感兴趣区域在体内。因此，最初在该方法期间，将待成像的感兴趣区域ROI定位在受试者的身体内，该待成像的感兴趣区域ROI包含由至少一个边界隔开的感兴趣材料和参考物。在该实施例中，使用超声成像系统24来定位感兴趣区域ROI(步骤710)。具体地，将由超声成像系统24获得的超声图像数据传送到计算设备22。超声图像数据由计算设备22处理，并且重建的超声图像被呈现在显示设备上。操作者移动超声换能器28直到感兴趣区域被定位。在定位感兴趣区域时，计算设备22将与超声换能器28的一个或更多个换能器阵列30的中心线的角度相关联的信息叠加(overlay)在显示设备上的重建超声图像上。该信息用于向操作者提供反馈以确保超声换能器28的轴向轴线大体垂直于感兴趣对象和参考物之间的边界。
一旦已经定位了感兴趣区域ROI，就执行分别与方法500的步骤520和530相同的步骤720和730。
图7中示出了示例，其中感兴趣区域ROI包含感兴趣材料和参考物。在该实施例中，感兴趣材料是受试者的肝脏，并且参考物是瘠瘦组织(lean tissue)，诸如受试者的肾脏。
尽管在实施例中，单个边界、单个感兴趣材料和单个参考物被成像，但本领域的技术人员将理解，替代方案是可用的。图8中示出了示例。在该实施例中，用户利用计算设备22操作超声成像系统24。超声成像系统24向一个或更多个超声换能器阵列30发送信号，超声换能器阵列30发送声波到已知参考物142中，已知参考物142是由已知材料制成的垫的形式并且位于感兴趣区域116内。在感兴趣区域116内，存在第一边界位置134和136处的第一边界126、第一感兴趣材料128、第二感兴趣材料146以及第二边界位置148和150处的第二边界144。超声换能器阵列30接收反射声波以经由超声成像系统24生成B模式图像。B模式图像的范围在形状上是圆锥形的，并用B模式图像界限118示出。B模式图像给出了边界126的物理位置，使计算设备22能够对从热声换能器阵列34和RF发射器36获得的数据进行关联。一旦位置坐标已知，超声成像系统24关闭以消除对热声成像系统26的潜在干扰。然后热声成像系统启动RF发射器36以将RF能量脉冲122发送到参考物142中。RF能量脉冲122在感兴趣区域116中被吸收。参考物142中吸收的RF能量与第一感兴趣材料128中吸收的RF能量之间的差产生从边界位置134和136发出的热声多极信号124和138。此外，第一感兴趣材料128中吸收的RF能量与第二感兴趣材料146中吸收的RF能量之间的差产生从边界位置148和150发出的热声多极信号152和154。参考物142的已知参数然后可以与来自在边界位置134和136处生成的热声多极信号的热声数据结合使用，以确定第一感兴趣材料128的参数。另外，第一感兴趣材料128的特性或参数可与来自在边界位置148和150处生成的热声多极信号的热声数据结合使用，以确定第二感兴趣材料146的参数。
尽管在上述实施例中，一个或更多个超声换能器阵列被描述为可与超声成像系统断开连接并且可重新连接到热声成像系统，但是本领域的技术人员将认识到，替代方案也是可用的。例如，一个或更多个超声换能器阵列可以连接到本身连接到超声成像系统24和热声成像系统26的集线器。在该实施例中，集线器可以由计算设备22或通过其他输入来控制，以在超声成像系统24与热声成像系统26之间切换操作，反之亦然。
尽管在上述实施例中，热声数据被描述为热声多极信号的形式，但本领域技术人员将理解，热声数据可以是其他多极信号的形式。
尽管在上述实施例中，用于估计边界处的信号强度的度量是热声多极信号的两个或更多个峰值之间的差，但本领域技术人员将理解，度量可以是简单峰值(simple peak)(最大值)、p范数、热声多极信号下的面积等。
如将理解的，可以实时地或使用存储在存储器中的图像离线地对超声图像和热声图像执行上述图像处理的实施例。
尽管热声成像系统26被描述为包括被配置成生成RF电磁辐射的短脉冲的RF施加器36，但是本领域技术人员将认识到，在其他实施例中，热声成像系统可以包括可见光源或波长在400nm和10μm之间、脉冲持续时间在10皮秒和10微秒之间的红外辐射源。
尽管在上文描述的实施例中，热声成像系统26和超声成像系统24被描述为使用一个或更多个超声换能器阵列，但是本领域技术人员将认识到，替代方案是可行的。例如，可以使用单个换能器元件、具有直线或弯曲的一维阵列的超声换能器阵列或者二维超声换能器阵列。
尽管在上述实施例中，获得了单个感兴趣区域的热声数据，但本领域技术人员将理解，可以分析和组合多个感兴趣区域。
本领域技术人员将理解，上述超声图像数据和热声数据可以是一维的、二维的或三维的。在实施例中，超声图像数据可以在不同于热声数据的维度上。例如，超声图像数据可以是二维的，而热声数据可以是一维的。此外，可以使用不同的视场。
在另一个实施例中，不同类型或型号的换能器阵列可以与热声和超声成像系统一起使用。在该实施例中，可以使用变换将热声吸收数据映射到超声图像。在另一实施例中，在换能器阵列几何形状的知识不容易获得的情况下，可使用具有参考点的模体将热声吸收数据映射到超声图像。在该实施例中，可以使用变换将来自热声吸收数据的已知的模体参考点映射到超声图像上的模体参考点。
尽管超声成像系统24被描述为使用B模式超声成像技术，但也可以使用其他技术，诸如例如功率多普勒图像、连续波多普勒图像、应变成像(strain imaging)等。
尽管在上述实施例中获得感兴趣区域的热声数据，但本领域技术人员将理解，可以获得比感兴趣区域大的区域的热声数据。
本领域技术人员将理解，在实施例中，计算设备22可以被编程以调整RF施加器36的参数。
本领域技术人员将理解，可对被设计成模拟感兴趣区域的模体执行上述方法。在该实施例中，可在对材料成像之前调整RF施加器以最大化热声多极信号的峰到峰幅度。此外，可对具有各种特性的多个模体执行该方法以模拟不同的材料。
尽管以上参考附图描述了实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行变化和修改。

Claims (3)

1.一种用于确定材料的参数的方法，所述方法包括：
使用射频(RF)源将RF能量引导到感兴趣区域中，所述感兴趣区域包括所述材料、已知参考物以及所述材料与所述已知参考物之间的边界；
使用声学接收机检测响应于所述RF能量而生成的至少一个热声多极信号；以及
由一个或更多个处理器根据所述至少一个热声多极信号、发射功率校正因子以及从具有各种已知特性的合成对象创建的查找表来确定所述材料的参数，其中，所述发射功率校正因子是基于所述已知参考物的估计厚度和所述已知参考物的衰减系数来确定的，而且其中，所述材料的所述参数选自于由Grüneisen参数和电导率组成的组。
2.一种用于确定材料的参数的系统，所述系统包括：
射频(RF)源，其被配置成将RF能量引导到感兴趣区域中，其中，所述感兴趣区域包括所述材料、已知参考物以及所述材料与所述已知参考物之间的边界；
至少一个热声或超声换能器，其被配置成接收响应于RF能量信号而生成的至少一个热声多极信号；以及
一个或更多个处理器，其被配置成根据所述至少一个热声多极信号、发射功率校正因子以及从具有各种已知特性的合成对象创建的查找表来确定所述材料的参数，其中，所述发射功率校正因子是基于所述已知参考物的估计厚度和所述已知参考物的衰减系数来确定的，而且其中，所述材料的所述参数选自于由Grüneisen参数和电导率组成的组。
3.一种用于确定材料的参数的系统，所述系统包括：
热声成像系统，所述热声成像系统包括射频(RF)施加器和声学接收机，所述射频(RF)施加器被配置成将RF能量脉冲发射到感兴趣区域中，所述感兴趣区域包括所述材料和已知参考物，所述材料和所述已知参考物由至少一个边界隔开，所述声学接收机被配置成接收响应于所述RF能量脉冲而在所述感兴趣区域中引起的至少一个热声多极信号；以及
一个或更多个处理器，其被配置成根据所述至少一个热声多极信号、发射功率校正因子以及从具有各种已知特性的合成对象创建的查找表来确定所述材料的参数，其中，所述发射功率校正因子是基于所述已知参考物的估计厚度和所述已知参考物的衰减系数来确定的，而且其中，所述材料的所述参数选自于由Grüneisen参数和电导率组成的组。
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