CN115024739A - 生物体内格留乃森参数分布的测量方法、应用 - Google Patents
生物体内格留乃森参数分布的测量方法、应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法、应用，所述方法具体为：将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据；投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布；采集X射线激发的超声信号，得到初始声压分布；基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，或当入射X射线为平行束时，根据光通量分布初值和吸收系数分布迭代求光通量分布；计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布。本发明方法结合X射线断层成像和X光声断层成像得到格留乃森参数分布为生物医学分析提供客观依据。
Description
技术领域
本发明属于生物医学、X射线成像、光声成像领域，尤其涉及一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法、应用。
背景技术
近些年来，光声成像技术在生物医学中的应用得到了迅速发展，它具有高分辨、高对比度以及无损伤等成像优点，成为了医学成像的研究热点。它通过脉冲光产生的超声信号成像，其初始声压与生物体的格留乃森参数（即Grüneisen参数）、吸收系数和光通量有关。格留乃森参数（即Grüneisen参数）是生物体的生理特征之一，它可以为生物研究和临床诊断提供独特的生物信息，并且它与生物体的温度具有相关性。因此，获取格留乃森参数对于生物研究和临床诊断具有重要意义。然而，不同的生物组织具有不同的格留乃森参数和吸收系数，这使得无法通过获取初始声压得到格留乃森参数，并且由于光在生物组织中的强散射性，进一步增大了获取格留乃森参数的难度。现有的方式仅局限于测量在特定条件下对单一组织的格留乃森参数与温度之间的关系，即提取单一组织，假设其吸收系数为常数，并制备生物体模，以保证在多次测量中光散射和吸收的一致性，以此保证格留乃森参数为单一变量，再通过显微成像的方式测量声压与温度之间的关系，从而反映格留乃森参数与温度的关系。这种方法可以在实验研究中明确格留乃森参数的生理特性，但它无法满足生物研究和临床诊断的要求。
因此，亟需提出一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法。
发明内容
本发明针对现有技术不足提供了一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法及其应用。
本发明基于X射线断层成像和X光声断层技术提供了一种测量生物体内温度分布的方法，解决了现有技术中测定深层组织温度的问题。为体内温度的测量提供了一种新的技术途径。
本发明采用的技术方案如下：本发明提供了一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法，所述方法具体为：将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据；投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布；采集X射线激发的超声信号，得到初始声压分布；基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，或当入射X射线为平行束时，根据光通量分布初值和吸收系数分布迭代求光通量分布；计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布。
进一步地，将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据包括：X射线穿过生物体后造成通量衰减，X射线源和X射线探测器同时旋转，通过X射线探测器获得穿过生物体后的通量分布，将初始通量分布的自然对数和通过生物体后的通量分布的自然对数之差作为投影数据。
进一步地，所述投影数据的公式如下：
其中，
是
角度下的投影数据，
是生物体的吸收系数分布， 
是冲击响应函数。
进一步地，投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布，公式如下：
其中，
是滤波后的投影数据。
进一步地，基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，公式如下：
其中，
；n是X射线光子数，E是X射线能量，C是单位电荷量，A是距离射线源L
处的辐射面积。
进一步地，基于初始声压分布、吸收系数分布和光通量分布得到格留乃森参数分布，包括：
通过反投影初始声压分布得到：
其中，
和
是超声换能器的位置坐标，
是声速，
是
角度下探
测到的声压值；
计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布，公式如下：
即：
进一步地，X射线为平行束时，光通量为离散型，公式如下：
其中，
和
体素的行和列编号，
为体素大小；
格留乃森参数分布为：
其中，
为初始声压，
为生物体的吸收系数。
本发明实施例的第二方面提供了一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法在测量生物体内温度分布或生物体组织成像中的应用。
进一步地，所述生物体内格留乃森参数分布的测量方法用于测量生物体内温度分布具体为：将格留乃森参数分布的逆函数作为生物体内的温度分布。
本发明的有益效果是：本发明方法结合X射线断层成像和X光声断层技术一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法。本发明方法能够应用于测量生物体内温度分布或生物体组织成像中，能够反映病变的异常和其空间位置信息。本发明方法能够为生物医学分析提供客观依据，并为生物研究和临床诊断提供重要的生物信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的一种测量生物体内温度方法的成像示意图；
图3为本发明的方法获取格留乃森参数分布的结果图；
图4为本发明的基于格留乃森参数诊断疾病方法的结果图；
图5为本发明的获取生物体内温度分布方法的结果图；
附图标记：图1中，1-脉冲射线源，2-超声换能器，3-X射线探测器。
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。需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法，结合X射线断层成像和X光声断层技术测量生物体内格留乃森参数分布，所述方法具体为：将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据；投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布；采集X射线激发的超声信号，得到初始声压分布；基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，或当入射X射线为平行束时，根据光通量分布初值和吸收系数分布迭代求光通量分布；计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布。
X射线断层成像技术是根据X射线穿过生物体后造成的通量衰减进行图像重建的。X射线探测器可以获得通过生物体后的通量分布，即投影数据。最后，X射线源和X射线探测器同时旋转时得到最后的投影数据：
其中，
是
角度下的投影数据，投影数据
的值等于
，
和
分别是初始通量分布和通过生物体后的通量分布。
是生物体的吸收系数分布，
其值由密度和质量吸收系数决定：
。
是冲击
响应函数。吸收系数分布可以通过反投影得到：
其中，
是滤波后的投影数据。
在生物体中，脉冲X射线能激发超声信号，初始的声压分布由下式决定：
其中，
是初始声压分布（通过超声换能器进行测量），
是格留乃森
参数分布，
是吸收系数分布，
是光通量分布；
其中，光通量分布
的计算公式如下：
其中，
；n是X射线光子数，E是X射线能量，C是单位电荷量，A是距离射线源L
处的辐射面积。通过反投影初始声压分布可以得到：
其中，
和
是超声换能器的位置坐标，
是声速，
是
角度下探
测到的声压值。
根据公式(2)、(3)和(4)可以得到格留乃森参数分布：
即：
如入射X射线为平行束时，光通量的离散形式可以写为：
其中，
和
体素的行和列编号，
为体素大小。根据公式(2)~(7)，方程(6)可
写为：
根据(6)~(8)式可以得到生物体的格留乃森参数分布，因为格留乃森参数与温度具有相关性，获取体内温度分布的核心是获取格留乃森参数，因此，得到格留乃森参数，即可得到生物体内的温度分布，格留乃森参数分布的逆函数即为生物体内的温度分布，公式如下：
图2是测量生物体内温度方法的成像示意图，脉冲射线源1设置于生物体前端，脉冲射线源1激发X射线穿过生物体，通过X射线探测器3获得穿过生物体后的通量分布，并通过超声换能器2探测生物体的初始声压，所述脉冲射线源1、超声换能器2和射线探测器3构成了X射线断层成像和X射线光声断层成像双模态成像系统。图2中的（a）是扇形束双模态X射线成像系统示意图，图2中的（b）是平行束X射线成像系统以及离散的体素模型。
本发明通过数值模拟探索其在生物学中的应用价值。在医学中常用的X射线能量在40~120keV，本发明实施例在模拟中采用的X射线能量为50keV，初始光通量为0.1mJ/cm2，此时水的吸收系数为0.220/cm。肝组织的吸收系数为0.234/cm，格留乃森参数（即Grüneisen参数）为0.12；脂肪的吸收系数为0.206/cm，格留乃森参数（即Grüneisen参数）为0.7。通过MATLAB模拟了传统的CT成像，射线源采用了平行束，旋转角度间隔1°，投影数180。初始声压值通过(3)式和(7)式计算，并通过MATLAB k-Wave工具包模拟了光声成像过程，超声换能器采用了环形阵列，512个探测器沿360度均匀分布。
图3是该方法获取格留乃森参数的实施例。本发明实施例设计了一个由三层生物组织构成的生物体，最外层是血液，其半径为9mm；第二层由椭圆形的肝组织构成，长半轴6mm，短半轴4mm；最内层由脂肪构成的圆盘，半径为2mm，如图3中的(a)所示。根据传统CT和X光声得到的投影数据，再利用(7)和(8)式可以得到格留乃森参数分布，并且得到的生物体的格留乃森参数如图3中的(b)。图3中的(c)展示了y=0时生物体的格留乃森参数分布，其中直线是原始的数值，点画线是计算得到的数值，计算得到的参数分布有一定的振荡，这是图像反演时会造成伪影，尽管滤波可以减小伪影，但其仍然存在，因此在分布上表现为振荡，且在边界处更加严重。不同组织中误差较大的位置是：在x=-7mm处，数值等于0.196，血液的实际值为0.20，相差2%；在x=4mm处，数值等于0.116，肝的实际值为0.12，相差3%；在x=0处，数值等于0.690，脂肪的实际值为0.70，相差1%。因此，整体而言，误差仍然较小。
本发明的方法还可应用于生物体组织成像中，可以用在任意生物体组织中，图4为本发明提供的实施例，它展示的是格留乃森参数在疾病诊断中的应用。非酒精性脂肪肝病是常见的慢性疾病之一。脂肪肝病的诊断常用B超和CT技术。光声/CT双模态继承了二者的优点，而且，格留乃森参数也是生物体组织重要的参数之一。肝和脂肪组成的生物体被设计为肝组织为半径为9mm的圆，颗粒状的脂肪随机分布于肝组织中，本发明实施例通过对比有无噪声的CT图、光声图和格留乃森 参数图进行分析。本发明实施例中对CT图、光声图和格留乃森 参数图像的预处理均采用了相同的方法。图4中的(a)~(c)分别是不含噪声的CT图像、光声图像和格留乃森参数图，图4中的(d)~(f)是它们包含噪声对应的结果，噪声是高斯噪声，其最大幅值是20%。光声图像中同一组织的声压值从左到右逐渐减小，这是因为射线从左侧入射时，X光通量逐渐衰减造成的。当没有噪声时，图像均是清晰的，可以清楚的分辨肝和脂肪组织，但当包含噪声时，CT图像中的两种组织已经模糊到难以鉴别，然而格留乃森参数图像仍然可以很好的鉴别组织。这是因为肝和脂肪的吸收系数比较接近，但是其格留乃森参数相差约六倍，因此格留乃森参数图像仍有清晰的对比度。各组织的格留乃森参数不尽相同，因此，采用格留乃森参数进行组织成像可能是有优势的。本发明方法可为生物医学分析提供客观功能学依据。
本发明方法还可应用于生物体内温度分布的测量，图5是通过本方法测定温度分布的实施例。温度是生物体重要的生理参数之一，它可以研究生物体的新陈代谢以及诊断疾病。因此，获取体内的温度分布对生理学的研究具有重要意义。动物体内温度相对恒定，但各组织由于代谢及功能的不同，温度亦有差异，例如，肝脏代谢旺盛，其温度约为38℃，这要比主动脉的温度高0.4~0.8度。而且在病变状态下亦会引起温度变化，比如肿瘤热现象。本发明实施例构造了仿体，它由不同温度的血液组成，外部是一个圆板，温度为37℃，格留乃森参数值是0.200，内部由三个椭圆形板组成，温度为38℃，格留乃森参数是0.206，其吸收系数不变，值为0.2321/cm。图5中的(a)是仿体重建后的结果示意图，图5中的(b)是CT图像，由于其吸收系数无差异，因此，无法辨别内外区域，图5中的(c)是获得的温度图像，可以看出由于温度的不同对比度明显。因此，通过该方法可以获取生物体的温度分布，可以实现对生物代谢的研究和某些疾病的诊断。因此，本发明采用格留乃森参数分布可以反映出组织成像，直接反映病变（如肿瘤）的异常，还可以直接得出病变的空间位置信息。为生理研究和临床诊断提供重要的生物信息。
以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，图2中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。如图3~图5是中描述的方法实施例仅仅是示意性的，图中涉及的组织类型、参数等信息都可以不同，也可相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，所述方法具体为：将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据；投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布；采集X射线激发的超声信号，得到初始声压分布；基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，或当入射X射线为平行束时，根据光通量分布初值和吸收系数分布迭代求光通量分布；计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布。
2.根据权利要求1所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，将X射线穿过生物体后的通量分布作为投影数据包括：X射线穿过生物体后造成通量衰减，X射线源和X射线探测器同时旋转，通过X射线探测器获得穿过生物体后的通量分布，将初始通量分布的自然对数和通过生物体后的通量分布的自然对数之差作为投影数据。
3.根据权利要求1所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，所述投影数据的公式如下：
其中，
是
角度下的投影数据，
是生物体的吸收系数分布， 
是冲击响应函数。
4.根据权利要求1所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，投影数据滤波后通过反投影得到生物体的吸收系数分布，公式如下：
其中，
是滤波后的投影数据。
5.根据权利要求4所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，基于X射线光子数、辐射面积和吸收系数分布计算得到光通量分布，公式如下：
其中，
；n是X射线光子数，E是X射线能量，C是单位电荷量，A是距离射线源L处的
辐射面积。
6.根据权利要求3或5所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，基于初始声压分布、吸收系数分布和光通量分布得到格留乃森参数分布，包括：
通过反投影初始声压分布得到：
其中，
和
是超声换能器的位置坐标，
是声速，
是
角度下探测到的
声压值；
计算初始声压分布与吸收系数分布和光通量分布的比值得到格留乃森参数分布，公式如下：
即：
7.根据权利要求1所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法，其特征在于，X射线为平行束时，光通量为离散型，公式如下：
其中，
和
体素的行和列编号，
为体素大小；
格留乃森参数分布为：
其中，
为初始声压，
为生物体的吸收系数。
8.一种权利要求1至7任一项所述的生物体内格留乃森参数分布的测量方法在测量生物体内温度分布或生物体组织成像中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述生物体内格留乃森参数分布的测量方法用于测量生物体内温度分布具体为：将格留乃森参数分布的逆函数作为生物体内的温度分布。
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