一种低温等离子体诱导热声成像方法技术

一种低温等离子体诱导热声成像方法，特别涉及一种在生物医学成像领域的脉冲低温等离子体诱导热‑声耦合的功能性成像方法。将纳秒脉冲激励的“低温等离子体射流”作用于生物组织，低温等离子体将脉冲能量诱导至组织内部；由于正常组织与病变组织的电阻抗和对射流光谱的吸收系数不同，进而对等离子体射流能量的吸收也不同。生物组织吸收等离子体射流能量产生热效应，引起瞬态的热膨胀，激发热弹性的高频超声信号。该信号携带了组织内部的电阻抗和对射流光谱吸收强度的信息，利用声源重建算法，能在微米尺度上获得与电阻抗和光谱吸收系数相关的热声源图像，为疾病的早期诊断提供高分辨率和高对比度的生物组织医学影像。

A low temperature plasma induced thermoacoustic imaging method

A low temperature plasma induced thermo acoustic imaging method, especially relates to a biomedical imaging field pulse induced by low temperature plasma heat acoustic coupling of functional imaging method. The nanosecond pulse excitation in low temperature plasma jet effect in biological tissue, low temperature plasma pulse induced by internal energy to the organization; the resistance of normal tissue and diseased tissue and anti absorption coefficient of jet, and the plasma jet energy absorption is also different. The biological tissue absorbs the plasma jet energy to produce thermal effects, causing transient thermal expansion, and thermal elastic high frequency ultrasonic signals. The signal carrying the internal resistance and resistance on jet absorption intensity information, using acoustic source reconstruction algorithm, and can obtain the spectral absorption coefficient of thermal resistance and sound source image correlation on the micron scale, to provide medical imaging of biological tissue with high resolution and high contrast for early diagnosis of disease.

【技术实现步骤摘要】
一种低温等离子体诱导热声成像方法
本专利技术涉及一种低温等离子体诱导热声成像方法，特别涉及一种适用于生物医学应用的脉冲低温等离子体诱导的高分辨率功能性成像方法。
技术介绍
医学影像技术，尤其是功能性医学影像技术，在健康工程和疾病的早期诊断中占有重要的地位和作用。目前临床用于疾病诊断的成像方法如X光、CT、超声、MRI，只能发现一定尺寸的肿块，导致多数病人错过了肿瘤早期发现、早期治疗的最佳时机，因此研究开发早期筛查和早期诊断的方法、技术一直是国内外关注并重点研究的领域。生物组织的“电磁(光)热声成像”对生物组织介电谱敏感，具有电磁(或光学)成像的高对比度和超声成像的高分辨率的特点，成为研究热点。其中的热声成像技术具备无损和功能成像的技术特点，是继形态、结构成像之后的新一代医学成像方法。该技术在1981年首次由T.Bowen提出并完成了生物组织热声成像的可行性实验，根据热源激励方法不同可分为微波热声、光声以及最近几年发展起来的磁热声成像。微波热声由于受脉宽的限制，分辨率一直处于mm量级。2010年德国慕尼黑理工大学亥姆霍兹中心Ntziachristos研究小组利用10ns脉宽，100MHz的传输线系统实现170μm分辨率的微波热声成像；2012年华南师范大学邢达教授利用超短脉宽微波源实现100μm分辨率的热声成像，进一步推动了热声成像技术向临床的应用发展。为提高光声成像分辨率，研究者从激光激励聚焦和超声检测聚焦两个方面考虑，提出了声学分辨率的光声显微成像(ARPAM)和光学分辨率的光声显微成像(ORPAM)。2012年美国佛罗里达大学Xi利用ARPAM实现了老鼠耳朵血管成像，成像分辨率4.8μm，随后利用ORPAM实现了0.22μm的分辨率，可完成组织细胞核、黑色素体的成像。磁热声成像是由新加坡南洋理工大学在2013年首次提出的。该技术与微波热声成像相比，激励频率低、探测深度深、非接触辐射低，是一种具有广泛应用前景的功能性成像技术。新方法一经提出就受到国内外学者的广泛关注，法国的里昂大学、天津生物医学工程研究所、南京师范大学、中国科学院电工研究所、中国石油大学、青岛大学等从不同角度对磁热声成像进行研究，2016年中科院电工研究所利用注入式磁声方式获得离体猪肉组织的电磁热吸收图像。另一方面，随着科学技术的不断发展，低温等离子体作为一种生物医学技术，自从1968年第一次报道用氩离子体杀菌后，低温等离子体在医疗器械杀菌、凝血、龋齿治疗、治疗肿瘤等多个领域得到应用。在脉冲低温等离子体射流中，局部电离的惰性气体离子在单脉冲的作用下形成“单发等离子体子弹”，在空间上产生局部电荷分离、激发空间电场。空间电场在射流中向前传播，通过等离子体能够耦合到被测组织表面的一个微小区域中，实现电磁聚焦。结合热声成像的特点和低温等离子体射流的优势，本专利技术提出一种基于纳秒脉冲低温等离子体诱导超声的功能性微成像技术。该技术利用纳秒脉冲低温等离子体微射流技术与高频聚焦超声阵列相结合，通过电磁聚焦和超声聚焦有望实现微米量级的高分辨率生物组织成像，新的成像方法具有高对比度、高穿透性、高分辨率的优势，在国际上首次提出将脉冲低温等离子射流作为一种与组织直接接触的等离子态激励方式，能够使脉冲电磁能量有效地耦合到微小的局部组织中，避免了常规固态电极振动噪声的干扰，是一种创新性的热声信号激励方式。由于生物电阻抗的变化通常出现在组织细胞癌变初期，先于密度和弹性的变化，因此基于电阻抗的热声成像方法具备癌症早期诊断的独特优势；同时该方法将电阻抗功能性成像与超声高分辨率成像的优势相结合，大大提高了电阻抗成像的精确度，是当前生物医学成像研究的热点。低温等离子体作用于生物组织时能量高，斑束小，剂量可控，操作方便，不会产生热损伤和辐射损伤；由其诱导的热声成像方法还能在常规低温等离子体射流应用(如：抑制肿瘤细胞、杀菌消毒、止血等)的基础上实现高分辨率的电阻抗微成像，对常规等离子体治疗效果进行实时评估，具备辅助治疗和动态监测的独特优势，所形成的仪器设备将在癌症、心脏疾病等重大疾病的早期诊断研究上有突破性的应用，为我国人口与健康领域提供全新而可靠的研究和临床诊断手段。
技术实现思路
本专利技术专利将纳秒脉冲激励的“低温等离子体射流”作用于生物组织，使生物组织吸收等离子体射流能量产生热效应，引起瞬态的热膨胀，激发热弹性的高频超声信号。根据正常组织与病变组织的电阻抗和对等离子体射流光谱吸收系数不同，进而对等离子体射流能量的吸收也不同，使该热声信号携带了组织内部的电阻抗和对射流光谱吸收强度的信息；利用声源重建算法，能在微米尺度上获得与电阻抗和光谱吸收系数相关的热声源图像，为疾病的早期诊断提供高分辨率和高对比度的生物组织医学影像。低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于利用高压脉冲激励低温等离子体射流，并作用于待测物质表面，在射流作用点附近引起瞬态的热效应，激发热弹性的超声信号。由低温等离子体射流诱导的超声信号是与下述两个物理量有关：被测对象对射流发射光谱的吸收强度和生物组织的电阻抗。因此，激发的超声信号携带了生物组织对射流光谱的吸收系数和电阻抗信息，适用于针对光吸收系数与电阻抗特性的多参数融合成像。通过环绕在待测物体周围的超声换能器阵列测量超声信号，采用时间反转法或滤波反投影算法处理阵列超声数据，可实现分布热声源的图像重建；该分布热声源图像在低温等离子体射流激励模式下，能够获得电阻抗和射流光谱吸收系数相结合的多种参数融合图像。为了产生生物安全的低温等离子体射流，降低作用于生物组织时的热损伤和电磁辐射，低温等离子体射流装置采用双石英管(电介质)阻挡放电形式，以氦气或氩气为工作气体，并采用纳秒级高压脉冲，以较低的重复频率循环激励；在超声信号测量中，测量过程需要在低温等离子体射流激励脉冲的同步下进行，每次脉冲激励过后，延迟一定的超声传输时间，等超声信号到达超声探头时记录数据，然后再开启下一次脉冲激励和检测过程，以此循环测量。为了获取组织成像区域的所有超声信号，采用激励和检测的双聚焦扫描模式：脉冲激励的低温等离子体射流在生物组织表面形成一个直径为微米量级的接触斑束，实现热激励的点集中模式；超声检测方面，通过超声相控阵实现分布超声源的聚焦检测；通过扫描移动射流斑束的位置改变激励点，通过改变阵列超声探头的聚焦点，跟踪射流激励点，获取所有扫描点附近激发的超声信号。附图说明图1纳秒脉冲激励低温等离子体诱导热声成像原理示意图。图中：1高压纳秒脉冲发生器，2相控阵超声成像设备，3同步脉冲传输光纤，4内部高压脉冲电极，5外部接地电极，6内、外石英玻璃管，7氦气(氩气)源，8低温等离子体射流发生装置，9气体和气路，10介质阻挡放电腔，11低温等离子体射流，12射流激励点，13成像目标体，14超声换能器，15超声聚焦点，16探头与成像设备连接线，17病变区域。图2低温等离子体激励扫描与相控阵聚焦原理示意图。图中：1超声阵列探头，2等离子体扫描点和相控阵聚焦点，3成像区域，4运动扫描坐标，5低温等离子体射流。图3激励和检测同步时序图。图中：1纳秒高压脉冲同步信号，21#阵元采集脉冲序列，22#阵元采集脉冲序列，128#阵元采集脉冲序列，5超声渡越时间，6有效采集数据区，7第一个扫描点时序，8超声数据采集脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于利用高压脉冲激励低温等离子体射流，并作用于待测物质表面，在射流作用点附近引起瞬态的热效应，激发热弹性的超声信号。

【技术特征摘要】
1.一种低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于利用高压脉冲激励低温等离子体射流，并作用于待测物质表面，在射流作用点附近引起瞬态的热效应，激发热弹性的超声信号。2.根据权利要求1所述的低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于由低温等离子体射流诱导的超声信号与被测对象对射流发射光谱吸收强度和电阻抗均有关系；激发的超声信号携带了被测对象的光谱吸收系数和电阻抗信息，适用于针对光吸收系数与电阻抗特性的多参数融合成像。3.根据权利要求1或2所述的低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于通过环绕在待测物体周围的超声换能器阵列测量超声信号，采用被动式相控阵声源重建方法处理阵列超声数据，可实现分布热声源的图像重建；在低温等离子体射流激励模式下，能够获得电阻抗与射流光谱吸收系数相结合的多参数融合图像。4.根据权利要求1或2或3所述的低温等离子体诱导热声成像方法，其特征在于为了产生生物安全的低温等...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亮，姜文聪，董范青，李林波，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37