【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光声成像，具体涉及一种非线性热扩散数值迭代解析方法及装置。
技术介绍
1、光声成像可以实现对皮肤组织的高对比度、足够的穿透深度、良好的深部组织分辨率和安全性等检测成像，且其相应的检测结果更具有客观性。因此，光声成像在生物医学领域显示出巨大的应用潜力。然而，要实现其在临床上的推广，除了技术上的进步外，还需进一步完善相关的理论研究，从而对光声在皮肤组织中的传播机制有更深入全面地了解。
2、光声成像由于其无创性、高时空分辨率和高灵敏度，已成为生物医学成像领域的研究前沿和热点。以往大多数光声成像技术的研究忽略了由光吸收引起的介质局部温度升高对介质热力学参数(如比热、热导率、热扩散率等)的影响，并假设热力学参数是恒定的。然而，如果介质局部温度显著增加，那么介质的热力学参数不在是一个常数，它会随着温度的改变而发生相应的变化。
技术实现思路
1、本申请提供了一种非线性热扩散数值迭代解析方法，以解决现有技术中，大多数光声成像技术的研究忽略了由光吸收引起的介质局部温度升高对介质热力学参数(如比热、热导率、热扩散率等)的影响的问题。
2、相应的，本申请还提供了一种非线性热扩散数值迭代解析装置，用于保证上述方法的实现及应用。
3、为了解决上述技术问题，本申请公开了一种非线性热扩散数值迭代解析方法，所述方法包括：
4、基于皮肤组织构建考虑热力学参数的多层皮肤模型；
5、确定热导率与温度的线性关系，并基于热导率与温度的线性关系建立非线性热
6、基于非线性热扩散方程，截取n阶近似的场变量方程；n阶近似为阶数小于或等于n的各阶谐波；
7、基于n阶近似的场变量方程求解非线性热扩散方程，获得非线性热场。
8、优选地，多层皮肤模型包括从上至下的角质层、活表皮层、乳头状真皮层、上部血网层、网状真皮层、深层血网层和皮下脂肪层。
9、优选地，确定热导率与温度的线性关系，并基于热导率与温度的线性关系建立非线性热扩散方程，包括：
10、建立线性热扩散方程：
11、
12、其中，ts,i(z,t)表示在时间t和位置z处第i层皮肤组织的温升；表示第i层皮肤组织的热扩散系数；ks,i表示第i层皮肤组织的热导率；cp,i表示第i层皮肤组织的比热容；ρi表示第i层皮肤组织的密度；
13、确定热导率与温度的线性关系：
14、ks,i＝k0,i[1+bts,i(z,t)] (2)
15、其中，k0,i表示样品在稳态温度下的热导率，b表示热导率的温度非线性因子；
16、将热导率与温度的线性关系(2)代入线性热扩散方程(1)，化简后得到非线性热扩散方程：
17、
18、优选地，基于非线性热扩散方程，截取n阶近似的场变量方程，包括：
19、将非线性热扩散方程中ts,i(z,t)的位置变量z和时间变量t分离，确定n阶近似的场变量方程：
20、
21、其中，j表示一个虚单位，ω表示光声波的角频率，a0表示一个实数场变量，表示光声波的“直流”部分，an(n≥1)表示第n阶谐波的复数场变量，anejnωt的实部是第n阶谐波真实的位移，是an的复数共轭场变量，1≦n≦n。
22、优选地，基于n阶近似的场变量方程求解非线性热扩散方程，获得非线性热场，包括：
23、将n阶近似的场变量方程代入非线性热扩散方程，并利用差分迭代变量进行求解，获得非线性热场。
24、优选地，将n阶近似的场变量方程代入非线性热扩散方程，并利用差分迭代变量进行求解，获得非线性热场，包括：
25、将n阶近似的场变量方程(4)代入非线性热扩散方程(3)中，有相同时间因子(ejnωt，n＝0，±1，±2，…)的项和必须为零，得到场变量方程：
26、
27、对场变量方程(5)取复数共轭，得到共轭场方程；
28、其中，n＝0,1,…,5时：
29、
30、
31、在m次迭代中，将场变量方程(5)左边的场量取为a(m)，右边的常数取为a(m-1)和a*(m-1)，并且分别用a(m-1)和a*(m-1)替换fn中的a和a*，获得非线性热场计算方程：
32、
33、利用差分迭代变量求解非线性热场计算方程(6)，获得在[-l,0]坐标间隔内的非线性热场。
34、优选地，利用差分迭代变量求解非线性热场计算方程(6)，获得在[-l,0]坐标间隔内的非线性热场，包括：
35、在迭代计算中，令和非零的和由边界激发条件来产生，边界条件为在端点z＝-ln处，各阶谐波的温度和热流量都是连续的；
36、假设在z＝-l0处有一调制脉冲激光表示为：
37、
38、其中，i0表示激励光源的激光能量密度，ω表示激励光源的角频率；
39、计算在z＝-ln处出射的各阶谐波的热场：
40、
41、其中，bon为热场的振幅系数。
42、本申请还公开了一种非线性热扩散数值迭代解析装置，所述装置包括：
43、模型构建模块，用于基于皮肤组织构建考虑热力学参数的多层皮肤模型；
44、方程建立模块，用于确定热导率与温度的线性关系，并基于热导率与温度的线性关系建立非线性热扩散方程；
45、方程构建模块，还用于基于非线性热扩散方程，截取n阶近似的场变量方程；n阶近似为阶数小于或等于n的各阶谐波；
46、方程求解模块，用于基于n阶近似的场变量方程求解非线性热扩散方程，获得非线性热场。
47、本申请中的非线性热扩散数值迭代解析方法，基于皮肤组织构建考虑热力学参数的多层皮肤模型；确定热导率与温度的线性关系，并基于热导率与温度的线性关系建立非线性热扩散方程；基于非线性热扩散方程，截取n阶近似的场变量方程；n阶近似为阶数小于或等于n的各阶谐波；基于n阶近似的场变量方程求解非线性热扩散方程，获得非线性热场。其中，求解非线性热扩散方程的过程中考虑了各阶谐波的共同作用，所得数值解收敛速度更快，解的物理意义也更清晰，且高阶谐波对样品厚度变化更敏感。扩展了非线性热场理论在临床医学中的应用，有助于更好地了解微观层面上的光传播。
48、除此之外，本申请还具有以下有益效果：
49、本申请在迭代计算过程中考虑了谐波的损耗问题，然而，在微扰理论中并没有考虑到这一点；
50、本申请所提出的非线性热扩散数值迭代解析方法比传统微扰法具有更简单的理论计算过程，尤其是考虑二阶以上高阶谐波。此外，当包括更多的高阶谐波时，本申请的非线性热扩散数值迭代解析方法的计算时间不会急剧增加；
51、与传统微扰法相比，本申请所提出的非线性热扩散数值迭代解析方法得到的结果对厚度的敏感性较好，与基频波相比，二次谐波本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述多层皮肤模型包括从上至下的角质层、活表皮层、乳头状真皮层、上部血网层、网状真皮层、深层血网层和皮下脂肪层。
3.根据权利要求2所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述确定热导率与温度的线性关系，并基于所述热导率与温度的线性关系建立非线性热扩散方程，包括：
4.根据权利要求3所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述基于所述非线性热扩散方程，截取N阶近似的场变量方程，包括：
5.根据权利要求4所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述基于所述N阶近似的场变量方程求解所述非线性热扩散方程，获得非线性热场，包括：
6.根据权利要求5所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述将所述N阶近似的场变量方程代入所述非线性热扩散方程，并利用差分迭代变量进行求解，获得所述非线性热场，包括：
7.根据权利要求6所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在
8.一种非线性热扩散数值迭代解析装置，其特征在于，所述装置包括：
...【技术特征摘要】
1.一种非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述多层皮肤模型包括从上至下的角质层、活表皮层、乳头状真皮层、上部血网层、网状真皮层、深层血网层和皮下脂肪层。
3.根据权利要求2所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述确定热导率与温度的线性关系，并基于所述热导率与温度的线性关系建立非线性热扩散方程，包括：
4.根据权利要求3所述的非线性热扩散数值迭代解析方法，其特征在于，所述基于所述非线性热扩散方程，截取n阶近似的场变量方程，包括：
5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹辉，张静，梁洪涛，颜圣贤，雷雨扬，姜羽菲，何若男，陈益，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：
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