專利名稱：一種磁聲電阻抗成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)成像方法及裝置，特別涉及一種磁聲電阻抗成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電阻抗成像的靈敏度和空間分辨率不高，為解決此問題，美國 明尼蘇達(dá)大學(xué) (YuanXu and Bin He 2005 Magnetoacoustic tomography with magnetic induction(MAT—MI)Phys. Med. Biol. 50 5175—5187)提出 了感應(yīng)式磁 聲電阻抗成像方法。該方法的主要原理為成像目標(biāo)置于靜磁場B。中，用脈沖磁 場B工電流激勵成像目標(biāo)后在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流J，電流在靜磁場作用下產(chǎn)生洛侖茲 力F = JXB。，從而激發(fā)出聲壓信號p。這種成像方法依據(jù)理論基礎(chǔ)為聲壓波動方程
1 門2
V》-^7^f-▽ (JxJB。)(這里cs為聲速)。提取聲壓信號，通過洛倫茲力散度重建公式
V^^V'(h丑。)-:^T^^^^P"fel。-"l/。，得到洛倫茲力的散度 由于
V-(/x5。)-VxJ'B。，則可獲得電流密度的旋度Vxj，再利用電流密度的無散性v.j-o，
以及電流密度的法向分量為零入|5 =0的邊界條件，重建出電流密度分布，進(jìn)一步利用
"7 = -^5^重建得到成像目標(biāo)的電導(dǎo)率0分布。該方法將電磁感應(yīng)技術(shù)與超聲技術(shù)相
結(jié)合，其分辨率得到很好的改善。然而，該方法依據(jù)的理論基礎(chǔ)仍存在缺陷，引起重建方法 存在奇異性問題。具體為(l)在洛倫茲力的散度V^F重建過程中，由于在成像體邊界處， 電流密度的法向分量不連續(xù)，導(dǎo)致洛倫茲力F不連續(xù)，進(jìn)一步導(dǎo)致洛倫茲力的散度V.F不存 在，或者說，在邊界處V.F存在奇異性，則邊界處重建的V.F不合理；(2)在電流密度的重建 過程中，由于邊界處電流密度的不連續(xù)性，導(dǎo)致電流密度的旋度VxJ不存在，或者說，在邊 界處Vx/存在奇異性，因此，重建的電流密度J不合理；(3)在電導(dǎo)率的重建過程中，公式中 既包含Vx/，又包含重建出的J，不合理再次被放大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種磁聲電阻抗成像方法及裝置。本 發(fā)明可用于測量生物體電阻抗分布。 本發(fā)明利用連接激勵線圈的脈沖激勵器，使激勵線圈產(chǎn)生瞬變電流Js，在成像體 中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在靜磁場B。作用下產(chǎn)生洛侖茲力，洛倫茲力引起成像體質(zhì)點(diǎn)振 動，激發(fā)超聲信號，超聲信號傳播到成像體外，利用成像體外放置的加速度傳感器測量加速 度傳感器所在位置的位移波形u。根據(jù)位移波形u與電導(dǎo)率的非線性關(guān)系，借助于如下理論 基礎(chǔ)和重建方法得到成像體的電導(dǎo)率圖像 生物組織的特性與流體類似，在洛倫茲力作用下，生物組織中的動力學(xué)方程為
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這里p 。為生物組織密度，cs為聲速。 與明尼蘇達(dá)大學(xué)依據(jù)的理論不同，本發(fā)明采用的方程中不存在洛倫茲力的散度
項，在邊界處洛倫茲力不連續(xù)并不影響數(shù)學(xué)物理模型的合理性。本發(fā)明的主要創(chuàng)新在于通
過測量的位移波形信號重建洛倫茲力，而不是采用聲壓信號重建洛倫茲力的散度，因為洛
倫茲力的散度有奇異性，導(dǎo)致重建時圖像分辨率低。 本發(fā)明的圖像重建過程包括3個步驟，具體重建過程如下 步驟l，根據(jù)測得的位移波形信號，重建成像體斷層面的洛倫茲力F。 本發(fā)明采用加速度傳感器測量位移波形信號，根據(jù)測量的位移波形信號，采用時
間翻轉(zhuǎn)方法重建成像體斷層面的洛倫茲力F，具體重建公式如下 f=5。 《 a必,。-尸I/C,) ( 1 ) 其中，E是環(huán)繞成像體的檢測面，加速度傳感器布置在檢測面上，&加速度傳感 器的位置，n是單位法向矢量，r是成像體內(nèi)斷層面上點(diǎn)的位置，dSd是檢測面上的面元， u〃 (rd， |rd-r|/cs)是位移波形u的二階時間導(dǎo)數(shù)，B。同前文所述，為靜磁場的磁通密度，J 為斷層面上的電流密度。 步驟2，根據(jù)步驟1得出的洛侖茲力F重建出斷層面的電流密度J。
將F = JXB。展開，并考慮到靜磁場B。 = B。e,，有
F = JyB0ex-JxBoey 這里ex、 ey和ez分別為x， y， Z三個方向的單位矢量，Jx和Jy分別是電流密度的 x， y分量。 由于靜磁場B。已知，則斷層面上的電流密度為 J = Fy/B。ex—Fx/B。ey (2) 這里Fx和Fy分別是洛倫茲力的x， y分量。 步驟3，根據(jù)斷層面上的電流密度J重建電導(dǎo)率分布o(jì) 。 引入矢量磁位A和標(biāo)量電位①，將重建區(qū)域Q剖分成n個單元，第i個單元區(qū)域 為Qi，給定單元區(qū)域Qi的電導(dǎo)率初值Oi，利用電磁場領(lǐng)域?qū)τ跍u流問題常用的A-①有 限元數(shù)值計算方法，計算出成像體的矢量磁位A和標(biāo)量電位①，進(jìn)一步計算出電流密度J。， 使之與步驟2重建出的電流密度J在最小二乘的意義下最小，即對如下目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小 化||々-/||2 =纟,|/c (0 + ，|2 dQ 其中I |J。-J| |2表示J。和J之差的二范數(shù)，則有更新后的電導(dǎo)率為， -J[ /.V(MQ O", -, / = 1,2,'-," (3) 通過迭代，最終獲得斷層面上的電導(dǎo)率分布。
本發(fā)明方法具有以下特征 (1)本發(fā)明方法采用加速度傳感器測量傳感器所在位置的位移波形；
(2)依據(jù)測量的位移波形量重建洛倫茲力，進(jìn)一步重建電導(dǎo)率分布。 應(yīng)用本發(fā)明方法的磁聲電阻抗成像系統(tǒng)包括脈沖激勵器、激勵線圈、靜磁體、加速
度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)。其中激勵線圈和靜磁體置于成像體兩側(cè)。加速度傳感
器陣列環(huán)繞成像體分布。脈沖激勵器通過電纜連接激勵線圈。加速度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采
集器、計算機(jī)依次連接。


圖1為電導(dǎo)率成像系統(tǒng)的原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。 本發(fā)明磁聲電阻抗成像方法是利用連接激勵線圈的脈沖激勵器使激勵線圈產(chǎn)生 瞬變電流Js，在成像體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在靜磁場B。作用下產(chǎn)生洛侖茲力F，洛倫 茲力F引起成像體質(zhì)點(diǎn)振動，激發(fā)超聲信號，超聲信號傳播到成像體外。本發(fā)明利用加速度 傳感器測量加速度所在位置的位移波形u。根據(jù)位移波形u與電導(dǎo)率的非線性關(guān)系，重建得 到成像體的電導(dǎo)率圖像。 如附圖所示，應(yīng)用本發(fā)明方法的磁聲電阻抗成像系統(tǒng)包括脈沖激勵器、激勵線圈、 靜磁體、加速度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)。其中激勵線圈和靜磁體置于成像體兩側(cè)。 加速度傳感器陣列環(huán)繞成像體分布。脈沖激勵器通過電纜連接激勵線圈。加速度傳感器陣 列、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)依次連接。 本發(fā)明裝置的工作過程為啟動脈沖激勵器，連接在脈沖激勵器上的激勵線圈產(chǎn)
生瞬變電流，在成像體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在靜磁場作用下產(chǎn)生洛侖茲力，洛倫茲力
引起成像體質(zhì)點(diǎn)振動，激發(fā)超聲信號，超聲信號傳播到成像體外，加速度傳感器測量到位移
波形信號，通過數(shù)據(jù)采集器采集位移波形信號，將此信號存儲在計算機(jī)中。 根據(jù)存儲的位移波形信號，利用公式(1) (3)所示的位移波形信號和電導(dǎo)率的
非線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)圖像重建。具體步驟為 步驟l，根據(jù)測得的位移波形信號，重建成像體斷層面的洛倫茲力F。 本發(fā)明采用加速度傳感器測量位移波形信號，根據(jù)測量的位移波形信號，采用時
間翻轉(zhuǎn)方法重建成像體斷層面的洛倫茲力F，具體重建公式如下尸=/x 5。 a +& I /C,) 其中，E是環(huán)繞成像體的檢測面，加速度傳感器布置在檢測面上，rd加速度傳感 器的位置，n是單位法向矢量，r是成像體內(nèi)斷層面上點(diǎn)的位置，dSd是檢測面上的面元， u〃 (rd， |rd-r|/cs)是位移波形u的二階時間導(dǎo)數(shù)，B。同前文所述，為靜磁場的磁通密度，J 為斷層面上的電流密度。 步驟2，根據(jù)步驟1得出的洛侖茲力F重建出斷層面的電流密度J。
將F = JXB。展開，并考慮到靜磁場B。 = B。e,，有
F = JyBoex-JxB0ey 這里ex、 ey和ez分別為x， y， Z三個方向的單位矢量，Jx和Jy分別是電流密度的x， y分量。 由于靜磁場B。已知，則斷層面上的電流密度為
j = Fy/B。ex-Fx/B0ey 這里Fx和Fy分別是洛倫茲力的x， y分量。 步驟3，根據(jù)斷層面上的電流密度J重建電導(dǎo)率分布o(jì) 。 引入矢量磁位A和標(biāo)量電位①，將重建區(qū)域Q剖分成n個單元，第i個單元區(qū)域 為Qi，給定單元區(qū)域Qi的電導(dǎo)率初值Oi，利用電磁場領(lǐng)域?qū)τ跍u流問題常用的A-①有 限元數(shù)值計算方法，計算出成像體的矢量磁位A和標(biāo)量電位①，進(jìn)一步計算出電流密度J。， 使之與步驟2重建出的電流密度J在最小二乘的意義下最小，即對如下目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小 化|K — /||2 + c7,VO|2 dQ 其中I |J。-J| |2表示J。和J之差的二范數(shù)，則有更新后的電導(dǎo)率為，
cr, ="7"^-, z' = l,2,.'.，w 通過迭代，最終獲得斷層面上的電導(dǎo)率分布，在顯示器上輸出重建的電導(dǎo)率。
在本實(shí)施例中，激勵線圈的平均半徑為5cm，電感為17 y H。瞬變電流的波形的脈 沖寬度為IP s，峰值為200A。 在本實(shí)施例中，成像體為一半徑為50mm，厚度為4mm的薄圓盤狀瓊脂，將瓊脂置于 流體中。薄圓盤狀瓊脂和流體的電導(dǎo)率分別為ls/m和O，二者聲速cs均為1. 5mm/s。加 速度傳感器陣列包含20個傳感器，置于與薄圓盤狀瓊脂同軸的半徑為100mm的圓周上，各 自之間在圓周上間隔18度。
權(quán)利要求
一種磁聲電阻抗成像方法，利用連接激勵線圈的脈沖激勵器使激勵線圈產(chǎn)生瞬變電流JS，在成像體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在靜磁場B0作用下產(chǎn)生洛侖茲力F，洛倫茲力F引起成像體質(zhì)點(diǎn)振動，激發(fā)超聲信號，超聲信號傳播到成像體外，其特征在于利用加速度傳感器測量所在位置的位移波形u，根據(jù)位移波形u與電導(dǎo)率的非線性關(guān)系，重建得到成像體的電導(dǎo)率圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁聲電阻抗成像方法，其特征在于圖像重建過程包括三個步驟步驟1、根據(jù)測得的位移波形u重建斷層面的洛侖茲力F = JXB。；步驟2、根據(jù)洛侖茲力F重建斷層面的電流密度J ; 步驟3、根據(jù)斷層面上的電流密度J重建電導(dǎo)率O分布； 其中B。為靜磁場磁場強(qiáng)度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁聲電阻抗成像方法，其特征在于所述的步驟2重建斷層面的電流密度J的具體過程為根據(jù)公式F = JyB0ex-JxBoey計算斷層面上的電流密度J為 J = Fy/B。ex-Fx/B。ey其中FX和Fy分別是洛倫茲力的x， y分量，Jx和Jy分別是電流密度的x， y分量，ex和 ey分別為x， y兩個方向的單位矢量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁聲電阻抗成像方法，其特征在于所述的步驟3根據(jù)斷層面 上的電流密度J重建電導(dǎo)率o分布的具體過程為引入矢量磁位A和標(biāo)量電位①，將重建區(qū)域Q剖分成n個單元，第i個單元區(qū)域為Qi， 給定單元區(qū)域&的電導(dǎo)率初值o i，利用A-O有限元數(shù)值計算方法，計算出成像體的矢量 磁位A和標(biāo)量電位①，進(jìn)一步計算出電流密度J。，使之與步驟2重建出的電流密度J在最 小二乘的意義下最小，即對如下目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小化其中I |J。-J| |2表示J。和J之差的二范數(shù)，則有更新后的電導(dǎo)率為，通過迭代，最終獲得斷層面上的電導(dǎo)率分布。
5.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的磁聲電阻抗成像方法的電阻抗成像系統(tǒng)，包括脈沖激勵器、 激勵線圈、靜磁體、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)，激勵線圈和靜磁體置于成像體兩側(cè)，脈沖激勵器 通過電纜連接激勵線圈；加速度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)依次連接，其特征在于所 述的電阻抗成像系統(tǒng)包括加速度傳感器陣列，加速度傳感器陣列環(huán)繞成像體分布。
全文摘要
一種磁聲電阻抗成像方法，其特征在于利用加速度傳感器測量由于脈沖磁場激勵的感應(yīng)渦流在靜態(tài)磁場作用下產(chǎn)生的洛倫茲力振動位移波形信號，根據(jù)位移波形信號與電導(dǎo)率的非線性關(guān)系，通過圖像重建得到成像體的電導(dǎo)率圖像。應(yīng)用本發(fā)明方法的裝置，包括脈沖激勵器、激勵線圈、靜磁體、加速度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)。其中激勵線圈和靜磁體置于成像體兩側(cè)。加速度傳感器陣列環(huán)繞成像體分布。脈沖激勵器通過電纜連接激勵線圈。加速度傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)依次連接。
文檔編號A61B5/055GK101791219SQ20101011756
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者劉國強(qiáng), 夏慧, 張洋, 徐路遙, 李艷紅, 賀文靜 申請人:中國科學(xué)院電工研究所