一种基于热声效应的温度实时测量系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热声效应的温度实时测量系统与方法。通过采用热声成像设备探测被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温度－热声信号幅值的关系参数。在实际测温时，使用这些已知的拟合参数，通过被测物质温度－热声信号的关系，利用一维热声信号反推分析得到被测物质的温度，最终通过计算机实时显示温度分布图像。本发明专利技术结合了热声技术的优点，具有高精度，高空间分辨率的优点，能够在无损的情况下，实时快速地获得温度变化参数和温度分布图像，测温精度可以达到０．２℃，为物质温度的实时无损测量提供了一种可靠的监测方法和系统装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无损温度测量
，特别涉及一种基于热声效应对物体内部进行 温度实时测量的系统和方法。
技术介绍
现有的温度测量仪表按照测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠、测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热 交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在温度的延迟现象。非接触式仪表是通过热 辐射原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，也不会破坏被测物体的温度场， 反映速度比较快；但受到物体的发射率、测量距离等外界因素的影响，其测量误差较大，而 且一般不能对组织内部进行较准确的测量。国内外已有不少组织无创测温方面的研究报导，包括超声、CT、微波、电阻抗、核磁 共振监测等。超声测温是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性以获取组织温度信 息。现有的方法包括在时域、频域，或者能量域上从从超声回波信号提出温度信息。由于生 物组织的差异性以及在不同温度区域表现的特性不同，试图在所有温度段，用单一的方法 实现无损测温是非常困难的。而且超声方法只能得到某区域的一个平均温度，不能够反映 区域的温度分布，继而也就不能保证周围健康组织或敏感部位的安全。核磁共振法其时间 分辨率、空间分辨率及温度分辨率远不及有创测温，其高昂的价格也不利于普及应用。针对传统的无损测温技术存在的缺陷，热声方法与技术显示出巨大优越性。热声 成像作为近年来发展起来的一种新型成像方法，结合了微波/激光和超声的优点，具有高 穿透深度和高分辨率，并从原理上避开了微波/光散射对测量精度的影响。本专利技术针对解决监测工程领域和生物医学领域中实时测温的瓶颈，提供一种高精 度、一体化、有很强实用性的无损温度实时测量系统及方法。
技术实现思路
为了克服现有接触或非接触仪表测温方法的不足，本专利技术的首要目的在于提供一 种能对物质内部进行较准确的温度测量方法；该方法可望取代以往的温度测量方法，具体 可以应用于生物医学中组织温度的无损和实时测量。本专利技术的又一目的在于提供一种实现上述基于热声效应的温度实时测量方法的 系统。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种基于热声效应的温度实时测量 方法，包括以下操作步骤(1)热声激发源产生激发脉冲信号，通过传输媒质均勻地辐射到被测物质上，被测 物质中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；(2)将涂有声耦合剂的声探测器置于被测物质周围，接收应激产生的热声信号，经 多通道信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行数据采集记录；(3)处理记录被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温度-热声信号 幅值的关系参数A和B;(4)在实际测温时，使用步骤(3)所得的关系参数A和B，通过被测物质温度-热 声信号的关系式P = (A+B*T) Ptl，根据重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测 物质温度T，最终通过计算机实时显示温度分布图像；所述Ptl为初始温度下的热声信号幅 值，P为热声图像或者一维热声信号中提取的热声信号幅值。所述测量方法是利用被测物体中激发的热声信号幅值与物体温度的正相关性来 反演计算某点温度及重建区域组织温度分布。步骤(4)是对被测物质在不同热源加热或同一热源连续加热的情况下，进行实时 连续的温度监控，实现被测物质内部某特定点或整体范围的温度图像反演。所述加热源是 脉冲微波、脉冲激光、高功率聚焦超声(HIFU)、连续微波、连续激光或连续调制的激光。步骤(1)中所述的热声激发源为脉冲波发生器；所述热声激发源可以为脉冲微 波、脉冲激光、脉冲超声或连续调制的激光；所述脉冲微波的波长为0. Olmm Im ；所述脉冲 激光的波长为500nm 1064nm ；所述脉冲超声波长为IOum Imm ；所述连续调制激光器波 长为500nm 1064nm，调制频率为IMHz IOOMHz。步骤(1)所述传输媒质为波导管、定向辐射天线、光纤或反射镜。步骤(2)所述声探测器为多元线性阵列探测器或多元环状阵列探测器；所述声探 测器的主频为200KHz 20MHz ；步骤(2)所述声耦合剂为矿物油或水；步骤(3)所述数据 拟合方法包括线性拟合及非线性拟合。步骤(2)所述多通道并行数据采集系统由PXI总线计算机、多通道信号放大器和 多通道数据采集板卡系统组成；所述多通道数据采集板卡系统采用多通道DSP数据采集卡 +CPU管理存储卡的结构系统；所述多通道DSP数据采集卡由数据信号处理芯片(DSP)、模数 转换芯片(AD)和可编程逻辑器件(FPGA)组成。步骤(4)所述实时显示是利用数据信号处理芯片对采集的数据进行实时处理并 且重建得到热声图像，所述数据信号处理芯片中植入了用于重建热声图像的滤波反投影程 序。一种实现上述基于热声效应的温度实时测量方法的系统，该系统包括热声激发组 件和热声信号采集组件；所述热声激发组件和热声信号采集组件依次电气连接；所述热声 激发组件由热声激发源、函数发生器和传输媒质组成；所述热声信号采集组件由声探测器、 多通道信号放大器和多通道并行数据采集系统依次电气连接而成；所述声探测器通过支架 固定在三维平台。本专利技术的原理是脉冲波发生器发出的微波经过波导管/定向辐射天线导入到被 测物质上，物体中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，由于热弹机制激发出热声信 号，热声压可以记为P(Z) = (^C2/Cp^flH= Γ Η(ζ) = Τμ^β^( 1 )其中Γ为格留乃森参数，β为热膨胀系数，μ α为吸收系数，H0为脉冲微波/激光能量密度。Γ反映了组织吸收热量转化为热膨胀的效率，其具有温度相关性并可以表示为温 度T的线性函数Γ = Α+Β*Τ(2)其中Α、B为常数。由于不同温度的组织有不通的热弹转化效率，导致激发出的热声信号幅度变化，温度与热声信号幅值也有近似线性关系，并可以用如下表达式来表示P = (A+B*T) P0(3)其中=Ptl为初始温度下的热声信号幅值。通过数据采集设备记录被测物质的热声信号，通过数据拟合，得到被测物质温 度-热声信号幅值的关系参数。在实际测温时，使用这些已知的拟合参数，通过被测物质温 度-热声信号的关系，从重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测物质温度， 最终通过计算机实时显示温度分布图像。本系统通过超声探测器接收热声信号并通过多通道并行采集系统采集热声信号， 利用DSP芯片实时重建热声图像来反映温度分布或通过PXI总线传输并存储到终端；通过 反演程序反演计算出吸收体上各点的温度。本专利技术的方法和装置与现有技术相比具有如下的优点及效果(1)本专利技术利用反映微波/激光吸收分布原理的热声成像系统对物体温度进行监 控，热声信号不仅仅反映组织的微波/光吸收差异，还反映组织的声学及热力学特性的变 化。结合热声成像技术的优点可得到高分辨率、高精确度的信息；(2)本专利技术中的测量方法能用于HIFU超声治疗、微波热疗、激光光动力治疗中的 实时温度监控；(3)本专利技术的测量精度比传统超声方法高一个数量级，温度分辨率可以达到 0. 2°C，并且本专利技术的数据处理简单；(4)本专利技术中的测量方法能得到不均勻温度分布，相对于超声方法得到的某区域 平均温度，该方法具有更高的空间分辨率，其空间分辨率可达Imm ；(5)本专利技术中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热声效应的温度实时测量方法，其特征在于包括以下操作步骤：（１）热声激发源产生激发脉冲信号，通过传输媒质均匀地辐射到被测物体上，被测物质中的吸收体由于吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；（２）将涂有声耦合剂的声探测器置于被测物质周围，接收激发出来的热声信号，经多通道信号放大器放大后，再通过多通道并行数据采集系统进行数据采集记录；（３）处理记录被测物体的热声信号，通过数据拟合，得到被测物体温度－热声信号幅值的关系参数Ａ和Ｂ；（４）在实际测温时，使用步骤（３）所得的关系参数Ａ和Ｂ，通过被测物质温度－热声信号的关系式Ｐ＝（Ａ＋Ｂ＊Ｔ）Ｐ↓［０］，从重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测物体温度Ｔ，最终通过计算机实时显示温度分布图像；所述Ｐ↓［０］为初始温度下的热声信号幅值，Ｐ为热声图像或者一维热声信号中提取的热声信号幅值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邢达，娄存广，杨思华，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]