一種基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法
【專利摘要】一種基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法，激勵(lì)線圈在導(dǎo)電物體上產(chǎn)生電磁熱聲信號(hào)，超聲換能器接收電磁熱聲信號(hào)，經(jīng)超聲信號(hào)處理、采集子系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理，控制電路控制電流激勵(lì)源、超聲換能器和超聲信號(hào)處理、采集子系統(tǒng)的同步。超聲換能器電磁熱聲信號(hào)進(jìn)行斷層圓周掃描，獲取每個(gè)斷層圓周上的電磁超聲信號(hào)，最后結(jié)合圖像重建算法實(shí)現(xiàn)電阻率圖像的重建。電阻率圖像重建方法首先定義一個(gè)滿足熱聲源、電阻率、一次磁失位空間分量和標(biāo)量電位空間分量的目標(biāo)函數(shù)，在熱聲源分布已知的情況下，根據(jù)電流連續(xù)性定理，求解標(biāo)量電位的空間分量，然后將標(biāo)量電位的空間分量和磁失位空間分量代入目標(biāo)函數(shù)，重建電阻率的分布。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電阻率重建方法，特別涉及一種基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成 像電阻率重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前傳統(tǒng)電阻抗成像技術(shù)的靈敏度和空間分辨率不高，主要因?yàn)殡娮杩钩上裢ǔ?采用頻率較低的電磁波作為激勵(lì)，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成像體，導(dǎo)致電磁場(chǎng)探測(cè)對(duì)比度高，但 分辨率低。毋庸置疑，單一場(chǎng)都有其物理局限性。因此多物理場(chǎng)成像技術(shù)受到越來(lái)越多的 關(guān)注，即將一種物理場(chǎng)作用于生物組織，轉(zhuǎn)換為另一種物理場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，由一種物理場(chǎng)提供 分辨率，另一種物理場(chǎng)提供對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)對(duì)比度和分辨率的同時(shí)提高。電磁場(chǎng)和超聲相結(jié)合 的多物理場(chǎng)成像技術(shù)正是考慮到電磁場(chǎng)對(duì)人體組織電阻率的高對(duì)比度和超聲波探測(cè)的高 分辨率特性，成為人們的研宄熱點(diǎn)，磁熱聲成像作為一種新型的多物理場(chǎng)成像技術(shù)最近一 年受到重視。
[0003] 磁熱聲成像是由新加坡南洋理工大學(xué)在2013年首次提出的新型的電阻抗成像方 法，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電物體施加低于20MHz的交變磁場(chǎng)，在導(dǎo)電物體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生 焦耳熱，激發(fā)熱彈性的聲信號(hào)，檢測(cè)聲信號(hào)進(jìn)行成像。該方法是一種以交變磁場(chǎng)作為激勵(lì) 源，基于生物組織內(nèi)部焦耳熱吸收率的差異，以超聲作為信息載體的無(wú)損生物醫(yī)學(xué)影像技 術(shù)。與微波熱聲成像技術(shù)相比，激勵(lì)源的頻率降低，可以深入到導(dǎo)電體的更深處，使磁熱聲 圖像擴(kuò)展到人體組織的深層。由測(cè)量的超聲信號(hào)到電阻率的重建分為兩個(gè)過(guò)程，首先由測(cè) 量的超聲信號(hào)重建熱聲源分布，然后利用熱聲源分布重建電阻率分布，目前的相關(guān)文獻(xiàn)和 專利只重建了熱聲源（S=Pj2)，這里E為電場(chǎng)強(qiáng)度的空間分量），而沒(méi)有提及電阻率P的 重建。顯然，電場(chǎng)強(qiáng)度E與電阻率P的分布有關(guān)，從熱聲源S中重建出電阻率P是非常困 難的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的磁熱聲成像方法無(wú)法給出電阻率分布的不足，提出一 種基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法，本發(fā)明基于最優(yōu)化迭代算法，可以 精確的重建導(dǎo)電物體的電阻率。
[0005] 本發(fā)明基于磁熱聲成像原理：利用激勵(lì)線圈對(duì)導(dǎo)電物體施加MHz電流激勵(lì)，在導(dǎo) 電物體內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，進(jìn)而產(chǎn)生熱聲信號(hào)，利用超聲換能器接收超聲信號(hào)，對(duì)接收到的熱聲 信號(hào)進(jìn)行處理和采集，得到放大濾波后的熱聲信號(hào)后，采用電阻率重建算法獲取導(dǎo)電物體 的電阻率圖像。
[0006] 本發(fā)明磁熱聲成像的電阻率重建方法共包括五個(gè)步驟：
[0007] 第一步利用超聲換能器獲取導(dǎo)電物體各個(gè)斷層的熱聲信號(hào)，在每一個(gè)斷層，超聲 換能器在超聲換能器掃描控制器的控制下，掃描一周獲取該斷層上的所有熱聲信號(hào)；第二 步根據(jù)磁熱聲的聲壓波動(dòng)方程，利用時(shí)間反演法獲取導(dǎo)電物體每個(gè)斷層上的熱聲源分布； 第三步對(duì)導(dǎo)電物體的電阻率進(jìn)行空間離散，設(shè)定電阻率的初值；第四步根據(jù)歐姆定律，利用 線性有限元方法重建得到導(dǎo)電物體的矢量電位空間分量；第四步根據(jù)熱聲源分布與導(dǎo)電物 體電流密度之間的關(guān)系，再結(jié)合電流連續(xù)性定理，獲取熱聲源函數(shù)電阻率和矢量電位空間 分量三者之間滿足的方程式，并定義熱聲源函數(shù)、電阻率和矢量電位空間分量三者之間滿 足的目標(biāo)函數(shù)；第五步將第三步求解的矢量電位空間分量代入目標(biāo)函數(shù)，利用目標(biāo)函數(shù)最 小化原則，求解導(dǎo)電物體的電阻率分布。
[0008] 電阻率重建方法的具體步驟如下：
[0009] 第一步：獲取導(dǎo)電物體熱聲信號(hào)
[0010] 首先，MHz電流激勵(lì)源通過(guò)激勵(lì)線圈將MHz電流作用到導(dǎo)電物體上，導(dǎo)電物體由于 感應(yīng)電流的作用產(chǎn)生焦耳熱，進(jìn)而產(chǎn)生熱聲信號(hào)，熱聲信號(hào)通過(guò)耦合劑耦合到超聲換能器 內(nèi)，導(dǎo)電物體和超聲換能器均置于水槽的耦合劑內(nèi)；超聲換能器接收到超聲信號(hào)后通過(guò)超 聲信號(hào)處理、采集子系統(tǒng)進(jìn)行前置放大、濾波、二級(jí)放大處理后，在經(jīng)過(guò)門積分器進(jìn)行有限 寬度的積分，獲取高信噪比的熱聲信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)；
[0011] 第二步：求解導(dǎo)電物體熱聲源分布
[0012] 根據(jù)磁熱聲的聲壓耦合方程，利用時(shí)間反演法求解熱聲源分布：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法，其特征在于：所述的基于 最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率成像的重建方法為： 第一步利用超聲換能器獲取導(dǎo)電物體各個(gè)斷層的熱聲信號(hào)，在每一個(gè)斷層，超聲換能 器在超聲換能器掃描控制器的控制下，掃描一周獲取該斷層上的所有熱聲信號(hào)；第二步根 據(jù)磁熱聲的聲壓波動(dòng)方程，利用時(shí)間反演法獲取導(dǎo)電物體每個(gè)斷層上的熱聲源分布；第三 步對(duì)導(dǎo)電物體的電阻率進(jìn)行空間離散，設(shè)定電阻率的初值；第四步根據(jù)歐姆定律，利用線性 有限元方法重建得到導(dǎo)電物體的矢量電位空間分量；第四步根據(jù)熱聲源分布與導(dǎo)電物體電 流密度之間的關(guān)系，再結(jié)合電流連續(xù)性定理，獲取熱聲源函數(shù)電阻率和矢量電位空間分量 三者之間滿足的方程式，并定義熱聲源函數(shù)、電阻率和矢量電位空間分量三者之間滿足的 目標(biāo)函數(shù)；第五步將第三步求解的矢量電位空間分量代入目標(biāo)函數(shù)，利用目標(biāo)函數(shù)最小化 原則，求解導(dǎo)電物體的電阻率分布。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法，其特征 在于：所述的基于最優(yōu)化迭代算法的磁熱聲成像電阻率重建方法的具體步驟如下： 第一步：獲取導(dǎo)電物體熱聲信號(hào)： MHz電流激勵(lì)源通過(guò)激勵(lì)線圈將MHz電流作用到導(dǎo)電物體上，導(dǎo)電物體由于感應(yīng)電流 的作用產(chǎn)生焦耳熱，進(jìn)而產(chǎn)生熱聲信號(hào)；熱聲信號(hào)通過(guò)耦合劑耦合到超聲換能器內(nèi)，導(dǎo)電物 體和超聲換能器均置于水槽的耦合劑內(nèi)；超聲換能器接收到超聲信號(hào)后通過(guò)超聲信號(hào)處 理、采集子系統(tǒng)進(jìn)行前置放大、濾波、二級(jí)放大處理后，在經(jīng)過(guò)門積分器進(jìn)行有限寬度的積 分，獲取高信噪比的熱聲信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)； 第二步：求解導(dǎo)電物體熱聲源分布： 根據(jù)磁熱聲的聲壓耦合方程，利用時(shí)間反演法求解熱聲源分布：
是超聲換能器所在的平面，P(r，t)是聲壓，cs為熱聲源在介質(zhì)中的傳播聲速，r為熱聲源的 位置坐標(biāo)，0為導(dǎo)電物體的熱膨脹系數(shù)，P'是聲壓對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，n是r'位置Sd的 單位法線矢量，S(r)為熱聲源分布； 選取導(dǎo)電物體的某一斷層面z=Z(l，斷層面上的熱聲源S(X，y，Z(l)通過(guò)公式（1)得出， 導(dǎo)電物體上的所有的熱聲源S(x，y，z)通過(guò)斷層數(shù)據(jù)S(x，y，Z(l)在z方向的插值得到； 第三步：獲取矢量電位空間分量： 因?yàn)闊崧曉赐瑫r(shí)與導(dǎo)電物體的電阻率和電流密度相關(guān)，因此熱聲源函數(shù)滿足：
其中S為熱聲源函數(shù)，J為導(dǎo)電物體的電流密度，P為導(dǎo)電物體的電阻率； 考慮電流連續(xù)性定理引入矢量電位T，有：
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得出：
其中，P為電阻率，為磁通密度； 對(duì)導(dǎo)電物體進(jìn)行空間離散，并給出電阻率的初值[P]°，將電阻率的初值[P]°代入公 式（4)中，考慮在成像體的邊界施加電絕緣邊界條件，采用有限元方法求解矢量電位空間 分量[T]1; 第四步：定義目標(biāo)函數(shù)： 由式⑶代入式（2)，可得：
根據(jù)公式（5)定義目標(biāo)函數(shù)：
第五步：目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化迭代求解： 將第三步求解得到的矢量電位空間分量[T]1代入目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)最優(yōu)化算法進(jìn)行迭代 求解，直到滿足最優(yōu)條件得到最終的電阻率。
【文檔編號(hào)】A61B8/00GK104473639SQ201410771518
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月14日
【發(fā)明者】劉國(guó)強(qiáng), 夏慧, 李士強(qiáng), 夏正武, 楊延菊, 劉宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所