[发明专利]一种注入电流式热声成像电导率重建方法

摘要

一种注入电流式热声成像电导率重建方法，基于电流注入方式的热声成像原理。通过电极向成像目标体注入脉冲电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，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，采用电导率图像重建算法获取目标体的电导率图像。具体步骤为：1、首先获取注入电流式热声信号；2、利用获取的注入电流式热声信号重建目标体热声源；3、利用热声源，采用非线性有限元求解方法重建标量电位；4、利用重建的标量电位重建电导率。

主权项

1.一种注入电流式热声成像电导率重建方法，所述的注入电流式热声成像电导率重建方法基于注入电流式热声成像原理，通过电极向成像目标体注入脉冲电流，在成像目标体中产生焦耳热，引起热膨胀，产生超声信号，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，采用电导率图像重建算法获取目标体的电导率图像，其特征在于：所述的注入电流式热声成像电导率重建方法中，注入电流式热声成像电导率重建方法所涉及的注入电流式热声信号获取装置包括激励系统、检测系统、控制器和目标体四个部分：所述的激励系统包括信号发生器(1)、功率放大器(2)、注入电极A(4)和注入电极B(6)；所述的检测系统包括超声换能器(7)、信号处理器(8)、数据采集系统(9)和图像重建模块(10)；信号发生器(1)驱动功率放大器(2)，通过注入电极A(4)和注入电极B(6)向目标体(5)注入电流信号；超声换能器(7)与目标体(5)之间通过耦合剂耦合，超声换能器(7)的输出端连接信号处理器(8)的输入端，信号处理器(8)的输出端连接数据采集系统(9)的输入端，数据采集系统(9)连接图像重建模块(10)；控制器(11)实现对超声换能器(7)的旋转扫描运动控制；注入电流式热声成像电导率重建方法包括以下步骤：第一步：获取注入电流式热声信号信号发生器(1)和功率放大器(2)组成脉冲激励源，通过注入电极A(4)和注入电极B(6)对目标体(5)注入电流，目标体(5)在电流作用下产生焦耳热，进而产生热膨胀，激发超声信号，超声信号通过耦合剂耦合到超声换能器(7)，超声换能器(7)接收到信号后通过信号处理器(8)进行信号的放大和滤波，经数据采集系统(9)后进行存储，由图像重建模块(10)重建热声源和电导率，超声换能器(7)在控制器(11)控制下对目标体(5)进行扫描检测；第二步：获取目标体热声源根据第一步采用一对注入电极A、注入电极B，向目标体注入电流后，引发热膨胀，激发声信号，检测到声压信号，采用声压信号重建目标体上整体热声源；热声源分布的时间反演法重建公式为：其中，R为标量，R＝|r′‑r|，R为矢量，e_R为单位矢量，r'是超声探头的位置，r为热声源位置，S_d是超声探头所在的平面，p′是声压对时间的一阶导数，n是r′位置S_d的法线矢量，β为目标体的热膨胀系数，c_s为介质中的声速，C_P为目标体的比热容；选取目标体的某一断层面z＝z₁，超声换能器在此断层面上进行圆周扫描，采集超声信号，利用方程(1)和公式(2)，求解z＝z₁断层面上的热声源分布S(x,y,z₁)，移动超声换能器在不同断层面上进行扫描检测，求解不同断层面上的热声源分布，目标体上整体热声源S可由分层检测计算或z方向上插值得到；第三步：求解标量电位所述的注入电流式热声成像电导率重建方法，电场强度的空间分布表示为：E＝‑▽φ                          (4)式(4)中，φ是标量电位，▽是哈密顿算符；针对生物组织，采用电准静态近似，根据电流连续性定理，有：▽·(σ▽φ)＝0                         (5)其中，▽·为散度符号，▽φ是标量电位φ的梯度；由公式S＝σE²＝σE·E和公式(4)，得到将公式(6)代入公式(5)中满足的边界条件为：其中，Γ_A,B为注入电极位置，Γ_g为除去电极之外的目标体边界，A₀为电极与目标体接触面积，I为注入电流，为φ的法向导数；将热声源S代入公式(7)，结合边界条件公式(8)，进行有限元法求解，即可重建得到标量电位φ；第四步：求解电导率将标量电位φ代入公式(6)，即可重建电导率σ。