一种注入电流式热声成像方法技术

一种注入电流式热声成像方法，通过电极向成像目标体注入电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，利用超声探头检测超声信号。根据检测的超声信号，重建声源和目标体的电导率分布。本发明专利技术可用于高分辨率的电阻抗成像，用于疾病的早期诊断。

Injection current type thermoacoustic imaging method

A current injection type thermoacoustic imaging method, imaging target to the injected current through the electrode, the Joule heat in the imaging target, caused by thermal expansion, produce ultrasonic signal, the ultrasonic signal detection using ultrasonic probe. According to the detected ultrasonic signal, the electrical conductivity distribution of sound source and target body is reconstructed. The invention can be used for high resolution electrical impedance imaging for early diagnosis of disease.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热声成像方法，特别涉及一种医学注入电流式热声成像方法。
技术介绍
热声成像是目标体吸收能量，产生热膨胀而产生超声信号，利用超声进行对目标体结构进行重建。现有的热声成像根据激励源可分为光声成像、微波热声成像和磁热声成像等。光声成像是利用激光对目标体进行照射，目标体吸收能量而产生膨胀，进而产生超声信号，光声成像深度可到毫米级别。微波热声是利用微波代替激光，对目标体进行辐照。微波热声成像深度可到厘米级别。磁热声利用低频磁场(20MHz左右)激励目标体，在目标体内产生感应电场，产生焦耳热，进而产生热膨胀而产生超声信号。磁热声成像具有更深的成像深度，可达10厘米以上。对于生物组织成像，微波热声和磁热声的成像深度虽然能到厘米级别，但微波热声和激励源功率需要数十千瓦，磁热声的激励磁场由大脉冲功率源驱动线圈产生，大功率的激励源笨重、功耗大、体积大、成本高，不方便仪器的设计和使用。医学中人体组织发生病变，其功能病变要早于形态病变，在形态结构尚未变化之前，病变组织的电特性已经发生变化。因此，通过对组织电特性的检测，可实现疾病的早期诊断和早期治疗。电阻抗成像是一种对人体内部组织电阻抗进行成像的技术，具有无损害、低成本等特点。三十多年来，已经发展了多种电阻抗成像技术。传统电阻抗成像包括注入式电阻抗成像、感应式电阻抗成像、磁感应成像等，但传统电阻抗成像的测量信息对物体内部的电导率反映灵敏度低，加之测量数据有限以及测量噪声的影响，重建电导率的逆问题存在严重的病态性，尽管可以利用各种数学技巧来处理逆问题，但难以从本质上解决算法的稳定性、收敛性等问题，因此成像分辨率低。近些年提出的核磁共振电阻抗成像和磁声成像。核磁共振电阻抗成像设备昂贵；磁声成像也需要大功率磁激励源，也存在激励源笨重、功耗大、体积大的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有方法的不足，本专利技术提出一种注入电流式热声成像方法。本专利技术采用电极注入电流作为激励。通过电极向成像目标体注入电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，根据检测的超声信号，重建导电物体的电导率分布。本专利技术的目标体产生的超声信号是由注入的电流产生，注入电流I为脉冲电流，脉冲电流的频谱在微波以下，主要分布在100MHz以内，采用较低的频率具有更深的成像深度。成像目标体的电导率分布σ，注入电流I在成像目标体中产生的电场强度E，电流密度J＝σE，成像目标体中产生的热量主要是目标体电导率引起的电导损耗，即焦耳热，其单位体积的功率密度为σE2，目标体中产生的超声声压满足方程：式中，p为声压，c为声速，β为等压膨胀系数，Cp为物体的比热容，t为时间，▽为拉普拉斯算子。本专利技术的成像方法步骤如下：步骤1：通过电极向成像目标体注入电流，通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号；首先通过电极对目标体施加脉冲电流激励，目标体内由于电流感应电场的作用产生焦耳热，进而产生热声信号；所产生的热声信号通过耦合剂传播到超声探头；超声探头接收到超声信号后通过对超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大处理后，进行存储；步骤2：利用接收的超声信号，重建声源分布；已知注入电流式热声成像的声压波动方程：式中，p(r,t)是在时刻t和位置r的声压，cs是热声源在耦合剂与目标体中的传播声速，CP和β分别表示目标体的比热容和体积膨胀系数，Q(r′)是r′位置的热声源分布；对方程(1)利用时间反演法进行求解，得到热声源的重建公式：式中，r为超声换能器位置、r′为热声源位置、S为超声换能器的检测面，n为检测面上超声换能器位置r的单位矢量。选取目标体的某一断层面z＝z0，断层面z＝z0上利用时间反演法对方程(1)求解，获取热声源Q(x,y,z0)。目标体上的热声源Q(x,y,z)通过断层数据在z方向的插值得到，或者通过移动超声换能器分层计算得到；步骤3：获取目标体标量电位空间分量热声源分布同时是电导率和电场强度的函数，因此热声源表示为：Q＝σE2(3)式(3)中，Q为热声源分布，σ为目标体的电导率，E为目标体内电场强度分布；本专利技术所述的注入电流式热声成像方法主要用于生物组织的成像，考虑到生物组织的电导率较低，电场强度的空间分布表示为：E＝-▽φ(4)式(4)中，φ是标量电势，▽是哈密顿算符；根据电流连续性定理，有：▽·(σ▽φ)＝0(5)对目标体进行空间离散，给出电导率的初值[σ]0，将[σ]0代入公式(5)，利用线性有限元方法求解得到标量电位的空间分量[φ]0。步骤4：最优化迭代重建成像目标体电导率由公式(3)和公式(4)得到：定义优化目标函数：f(σ)＝[Q-σ(▽φ)·(▽φ)]2(7)将标量电位的空间分量[φ]0代入优化目标函数中，通过最优化算法进行迭代，直到误差满足终止条件，所得的电导率即为最终目标体的电导率。本专利技术中，所述的激励是注入脉冲电流，检测的是超声信号，重建的是目标体的电阻率，是一种高分辨的电阻抗成像方法。可根据实际情况，选择注入电流的脉冲宽度和脉冲电流类型。对于浅层成像，对分辨率的要求较高时，采用较窄脉冲；对于较深目标体成像，由于超声的传播衰减，采用较宽脉冲；对于信噪比较低时，采用编码脉冲、脉冲压缩技术提高信噪比。本专利技术采用电极注入电流激励目标体产生超声信号，激励源的功率小、轻便、成本低、使用方便、灵活、可产生复杂波形，信噪比好、成像质量高。可实现低成本、高质量的高分辨率的电阻抗成像，可用于疾病的早期诊断。附图说明图1本专利技术原理示意图；其中，1激励源，2导线，3注入电流的电极，4成像目标体，5成像目标体中的不同电导率物体，6超声探头阵列；图2本专利技术应用实例图；其中，7激励源，8注入电流的电极，9生物组织体，10耦合剂，11超声探头，12放大采集器，13成像计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。本专利技术原理如图1所示，激励源1通过电极3向目标体4注入电流作为激励，在目标体4中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，利用超声探头阵列6检测超声信号，根据检测的超声信号重建声源和目标体电导率分布。激励源1通过电极3向目标体4注入电流I为脉冲电流，脉冲电流的频谱在微波以下，主要分布在100MHz以内，采用较低的频率将具有更深的成像深度，对于医学成像应用，根据生物组织的电阻抗特性，选择脉冲宽度为0.1μs～10μs，目标体4的电导率分布σ，注入电流I在目标体4中产生的电场强度E，电流密度J＝σE，目标体3中产生的热量主要是目标体4的电导率引起的电导损耗，即焦耳热，其单位体积的功率密度为σE2，产生的超声声压满足方程：其中，p为声压，c为声速，β为等压膨胀系数，Cp为物体的比热容，t为时间，▽为拉普拉斯算子。利用注入电流式热声实现电阻抗成像步骤如下：步骤1：通过电极向成像目标体注入电流，通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号；首先通过电极对目标体施加脉冲电流激励，目标体内由于电流感应电场的作用产生焦耳热，进而产生热声信号；所产生的热声信号通过耦合剂传播到超声探头；超声探头接收到超声信号后通过对超声信号处理、采集子系统进行前置放大、滤波、二级放大处理后，进行存储；步骤2：利用接收的超声信号，重建声源分布；已知注入电流式热声成像的声压波动方程：其中p(r,t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种注入电流式热声成像方法，其特征在于，所述的注入电流式热声成像方法通过电极向成像目标体注入电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，根据检测的超声信号，重建声源分布和电导率分布。

【技术特征摘要】
1.一种注入电流式热声成像方法，其特征在于，所述的注入电流式热声成像方法通过电极向成像目标体注入电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，根据检测的超声信号，重建声源分布和电导率分布。2.根据权利要求1所述的注入电流式热声成像方法，其特征在于，所述的超声信号由注入的电流产生，成像目标体的电导率分布σ，注入电流I在成像目标体中产生的电场强度E，电流密度J＝σE，产生的超声声压满足方程：其中，p为声压，c为声速，β为等压膨胀系数，Cp为物体的比热容，t为时间，为拉普拉斯算子。3.根据权利要求1所述的注入电流式热声成像方法，其特征在于，所述的注入电流式热声成像方法步骤如下：步骤1：通过电极向成像目标体注入电流，通过布置在目标体周边的超声探头接收产生的超声信号；步骤2：利用接收的超声信号重建声源分布；已知注入电流式热声成像的声压波动方程：式中，p(r,t)是在时刻t和位置r的声压，cs是热声源在耦合剂与目标体中的传播声速，CP和β分别表示目标体的比热容和体积膨胀系数，Q(r′)是r′位置的热声源分布；对方程(1)利用时间反演法进行求解，得到热声源的重建公式：式中，r为超声换能器位置、r′为热声源位置、S为超声换能器的检测面，n为检测面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏正武，李艳红，刘国强，夏慧，杨延菊，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11