定量微波热声显微成像方法及存储介质技术

本发明专利技术请求保护一种定量微波热声显微成像方法及存储介质，用于电磁学参数的重建。该方法基于有限元求解热声波动方程和亥姆霍兹方程，形成A

【技术实现步骤摘要】
定量微波热声显微成像方法及存储介质


[0001]本专利技术属于微波热声成像
，它特别涉及了定量微波热声成像重建的领域。

技术介绍

[0002]随着人们生活水平的提升，健康问题越来越受到人们的重视。为了实现疾病的准确诊断，近几年传统医学影像检查技术在不断改进完善，但各自依然存在局限性，比如X射线成像技术(X
‑
ray)和计算机断层扫描技术(Computed Tomography,CT)会产生对人体有害的电离辐射，超声成像技术(Ultrasound Imaging,UI)的对比度不高，核磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging,MRI)价格昂贵等。因此各种新型的疾病诊断的技术应运而生，其中微波热声成像(Microwave
‑
induced thermoacoustic tomography,MTAT)技术是一种结合了超声成像技术的高分辨率和微波成像技术的高对比度的混合医学成像模式。
[0003]MTAT利用生物组织中的介电对比度，可重建出高分辨率和高对比度的组织热声图像，已在多个生物医学应用研究中表现出独特的优势，如乳腺癌早期诊断，脑瘤和脑出血成像，异物检测，手术指导等。早期传统MTAT技术大多为定性成像算法，只能重构出吸收能量密度等，不能定量地表征电导率等电磁特性的分布。无创定量重建生物组织电磁特性，对于推进MTAT技术的发展甚至对于推进整个生物医学电磁学对疾病的精确诊断具有重要科学研究意义和临床应用价值。其中在2011年Guillaume Bal小组定量分析MTAT重建，他们提出了两步式定量算法重建电导率。但是该定量算法只进行了数值模拟验证，没有进行实测实验验证其可行性。在2012年Paul Beard小组利用CST仿真软件得到的电场分布与MATLAB计算得到的吸收分布结合进行混合编程定量重建电导率分布，同样该小组也仅进行数值模拟验证。在2022年王雄小组提出微波热声成像技术基于深度学习定量重建组织介电特性，但是基于深度学习的方法依赖大量的训练集，无法任意定量重建各种样品的电导率。而在2010年H.B.Jiang小组(本专利作者之一)最早提出和发展了MTAT定量重建电导率的思想和算法，并在乳腺癌MTAT中验证了该定量算法的可行性，但是该算法依赖的微波热声层析成像系统获取到的热声信号成像分辨率被限制在毫米或亚毫米量级，并且微波辐射场分布不均匀等问题，本团队提出并搭建了微波热声显微成像系统(申请公开号为CN 114587326 A)，基于该系统本专利将提出一种定量微波热声显微成像方法，该算法基于有限元求解热声波动方程和亥姆霍兹方程直接定量重建各种样品深度方向的电导率。
[0004]经过检索，申请公开号CN104473640A，一种磁热声成像的电导率重建方法，基于磁热声成像原理。利用激励线圈对导电物体施加MHz电流激励，在导电物体内产生焦耳热，进而产生超声信号。利用超声换能器接收超声信号，对接收到的超声信号进行处理和采集，然后采用电导率图像重建算法获取导电物体的电导率图像。具体步骤为：1、首先获取高信噪比的磁热声信号；2、利用获取的磁热声信号重建得到导电物体的热声源分布；3、利用热声源分布和一次磁矢量空间分量，采用非线性有限元求解方法重建标量电位空间分量；4、利用重建的标量电位空间分量重建电导率。磁热声成像的电导率重建方法相比传统电阻抗成
像技术实现了对比度和分辨率的同时提高，并能给出电导率分布。而本专利能对更深层次的组织电导率进行重建，实现一维深度方向上的电导率重建，通过合并所有的A
‑
line图像可以获取二维B
‑
scan图像或者投影平面图像，然后通过合并所有的B
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scan图像可以获取三维图像，保证实现三维生物组织电导率定量重建的同时实现三维结构成像。
[0005]此外，该磁热声成像的电导率重建方法所用系统是将激励线圈作为激励源和利用超声换能器接收超声信号。而本专利所用系统采用的是66ns以下的短脉宽微波作为激励源并结合点聚焦超声换能器提高成像分辨率至微米量级。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服传统定量微波热声成像分辨率的限制和克服现有的微波热声显微成像方法无法定量重建电导率的不足，提出了一种定量微波热声显微成像方法及存储介质。本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种定量微波热声显微成像方法，其包括以下步骤：
[0008]基于有限元的网格划分方式对求解区域的子域划分，对子域划分后的结点进行全局编码，选择线性插值函数来建立结点间未知量的联系；然后对待求解方程进行离散处理，即待求解方程用有限个未知量展开，利用已经选择的线性插值函数把无限个自由度的原边值问题转化成有限个自由度的问题；最后对离散后的方程进行正向求解和逆向求解，其中逆向求解是把通过微波热声显微成像系统获取的三维热声信号近似为声压信号带入波动方程求解出吸收能量密度，再根据坡应廷定理获得电导率重建。
[0009]进一步的，所述获取三维热声信号具体包括以下步骤：
[0010]在微波热声显微成像系统中，((微波热声显微成像系统采用的是本团队提出并搭建了微波热声显微成像系统(申请公开号为CN 114587326 A))，利用短脉宽微波辐射待测生物组织，组织吸收微波能量温度升高向外产生热致超声波信号，通过分布在组织周围的点聚焦超声探测器反射式扫描接收三维热声信号。
[0011]进一步的，所述基于有限元的网格划分方式对求解区域的子域划分，具体包括：基于有限元的网格划分方式是将待求解区域划分为有限的小单元，在二维问题中，子域划分的单元为小三角形或矩形；而在一维显微成像问题中，是将求解区域(0,l)划分成短线段的小区域，设l表示第e个单元的长度，M表示单元总数，只进行全局编码，无需引进局部编码用于重建。
[0012]进一步的，所述选择线性插值函数，具体包括：
[0013]为了使得问题简单化采用线性插值来建立各结点间未知量φ(x)的联系：i表示对应第几个结点(这里i＝1,2)，其中N1和N2为插值函数，可表示为：
[0014][0015]其中，x1和x2为在每一个线性单元中的第i个结点的位置，N
i
(x
j
)＝δ
ij
，δ
ij
表示脉冲激励信号，当i＝j时，δ
ij
＝1；当i≠j时，δ
ij
＝0。
[0016]进一步的，所述对求解方程的离散处理，具体包括：
[0017]首先采用伽辽金法对热声波动方程进行有限元离散处理，得到如下离散形式为：
[0018][0019]其中，P为t时刻位于r处产生的声压；C0为声速，β
e
为体积膨胀系数，C
p
为比热容，J(t)＝δ(t
‑
t0)为假定t时刻的微波脉冲函数；表示对插值函数求梯度、表示对声压求梯度、l表示第e个单元的长度，为吸收能量密度；为法向向量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定量微波热声显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：基于有限元的网格划分方式对求解区域的子域划分，对子域划分后的结点进行全局编码，选择线性插值函数来建立结点间未知量的联系；然后对待求解方程进行离散处理，即待求解方程用有限个未知量展开，利用已经选择的线性插值函数把无限个自由度的原边值问题转化成有限个自由度的问题；最后对离散后的方程进行正向求解和逆向求解，其中逆向求解是把通过微波热声显微成像系统获取的三维热声信号近似为声压信号带入波动方程求解出吸收能量密度，再根据坡应廷定理获得电导率重建。2.根据权利要求1所述的一种定量微波热声显微成像方法，其特征在于，所述获取三维热声信号具体包括以下步骤：在微波热声显微成像系统中，利用短脉宽微波辐射待测生物组织，组织吸收微波能量温度升高向外产生热致超声波信号，通过分布在组织周围的点聚焦超声探测器反射式扫描接收三维热声信号。3.根据权利要求1所述的一种定量微波热声显微成像方法，其特征在于，所述基于有限元的网格划分方式对求解区域的子域划分，具体包括：基于有限元的网格划分方式是将待求解区域划分为有限的小单元，在二维问题中，子域划分的单元为小三角形或矩形；而在一维显微成像问题中，是将求解区域(0,l)划分成短线段的小区域，设l表示第e个单元的长度，M表示单元总数，只进行全局编码，无需引进局部编码用于重建。4.根据权利要求1所述的一种定量微波热声显微成像方法，其特征在于，所述选择线性插值函数，具体包括：为了使得问题简单化采用线性插值来建立各结点间未知量φ(x)的联系：i表示对应第几个结点，i＝1,2，其中N1和N2为插值函数，可表示为：其中，x1和x2为在每一个线性单元中的第i个结点的位置，N
i
(x
j
)＝δ
ij
，δ
ij
表示脉冲激励信号，当i＝j时，δ
ij
＝1；当i≠j时，δ
ij
＝0。5.根据权利要求1所述的一种定量微波热声显微成像方法，其特征在于，所述对求解方程的离散处理，具体包括：首先采用伽辽金法对热声波动方程进行有限元离散处理，得到如下离散形式为：其中，P为t时刻位于r处产生的声压；C0为声速，β
e
为体积膨胀系数，C
p
为比热容，J(t)＝δ(t
‑
t0)为假定t时刻的微波脉冲函数；表示对插值函数求梯度，表示对声压求梯度，
l表示第e个单元的长度，为吸收能量密度；为法向向量，有限元吸收边界为并对声压P和吸收能量密度做离散处理：其中m为结点数，k表示结点个数，N
k
表示插值函数，表示吸收能量密度，经过带入化简最终得到热声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艺，迟子惠，杜爽，蒋华北，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：