基于声电效应的三维功率密度成像方法

文档序号:8327140来源:国知局
基于声电效应的三维功率密度成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于成像技术领域,涉及多物理场混合成像技术,具体是一种功率密度成 像方法。
【背景技术】
[0002] 人体各个组织(器官)具有不同的电学特性,而且一些病理现象和生理活动均会 引起人体组织电学特性的变化,因此生物组织携带着丰富的生理和病理信息。通过一定的 技术手段,重建生物组织的电学特性或者介质分布图像,进而分析和研究生物体的生理和 病理状况,在临床上具有很高的实用价值。
[0003] 电阻抗层析成像技术(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是基于电特性敏 感机理的层析成像技术,其通过电学手段,判断出敏感场内物体的电特性分布,进而获得该 场内介质的分布图像。在成像过程中,使用人体能接受的微小安全电流,而不使用核素或摄 像,对人体无电离或者辐射作用;另外,其结构简单、测量方便,价格低廉,适合应用于医疗 普查和对患者进行长期的医学图像监护,是非常有应用和研究价值的技术手段。近几十年 学者对EIT进行广泛研究,其在理论、硬件、软件、算法等方面都取得很大进步。
[0004] 但是,目前多数EIT研究还局限于二维成像,主要原因是三维成像使得求解未知 数增加,导致逆问题的非线性、不适定性变得更加严重,重建图像空间分辨率和精度都很 低,限制其应用和发展。研究新的方法获得更多的有效信息是解决三维EIT成像低空间分 辨率、低精度的根本方法。
[0005] 在生物电阻抗成像领域,研究者们在完善实验设计和改进重建算法的同时,尝试 从物理场耦合的角度将电阻抗成像与其他成像技术相结合以增加成像的有效信息,从而提 1?图像的空间分辨率。
[0006] 声电效应是指,聚焦的超声波在介质传播中引起压力变化,造成了局部区域(聚 焦区域)周期的机械压缩和松弛(由超声波的频率决定),引起局部区域的微小弹性形变, 从而导致局部电导率变化。
[0007] 美国的RagnarOlafsson等人提出基于声电效应的电流密度成像,基于声电 效应利用声电信号重建被测物场内部电流源分布信息(UltrasoundCurrentSource DensityImaging,RagnarOlafsson,RussellS.Witte,Sheng-WenHuangandMatthew O'Donnell,IEEETRANSACTIONSONBIOMEDICALENGINEERING,2008, 55 (7): 1840-1848)。 YangRenhuan等人进一步提出三维的电流源密度成像方法(3Dcurrentsource densityimagingbasedontheacoustoelectriceffect:asimulationstudyusing unipolarpulses,YangRenhuan,LiXu,LiuJunandHeBin,PhysicsinMedicine andBiology,2011,56,3825-3842)(A3-Dreconstructionsolutiontocurrent densityimagingbasedonacoustoelectriceffectbydeconvolution:asimulation study,YangRenhuan,LiXu,SongAiguo,HeBinandYanRuqiang,Transactionson BiomedicalEngineering,2〇l3,6〇,Il8I-Il9O)。2Ol3 年中国专利(CNIO3I566O5A)也公 开了一种基于声电效应的生物组织电流密度成像。
[0008] 2008年法国研究者Ammari等人(Electricalimpedancetomographybyelastic deformation,HAmmari,EBonnetier,YCapdeboscq,MTanterandMFink,SIAMJournal onAppliedMathematics, 2008, 68:1557-1573)从数学理论上由经过超声调制的电阻抗 层析成像边界测量值推导获得局部功率密度,并将该信息作为中间量重建出被测物场的 电导率分布。该研究工作涉及到功率密度,但是由于功率密度计算公式是基于小体积内 含物扩展方法推导得到,功率密度的计算公式只适用于测量物场的内部区域,在实际使用 过程中存在局限性。并且,该工作是在纯数学理论基础上,基于连续电极模型实现功率 密度的计算,而实际测量系统只能用离散电极模型。A_ari等人在2012年的研究工作 中(Resolutionandstabilityanalysisinacousto-electricimaging,HAmmari,J GarnierandWJing,InverseProblem, 2012, 28, 084005),使用近似的功率密度计算公式, 虽然将功率密度的适用范围扩展到整个测量物场,但是影响功率密度的计算精度。
[0009] 上述的已有的涉及功率密度的工作只是把功率密度作为电导率重建的中间变量, 并没有将功率密度作为独立的成像方法研究;所提出的精确的功率密度的计算公式只适用 于测量物场的内部区域,在实际使用过程中存在局限性,而近似后的功率密度计算公式虽 然适用于整个测量物场,但是影响计算精度;现有的功率密度的计算都是纯理论上并且基 于连续电极模型,而实际测量系统只能用离散电极模型。

【发明内容】

[0010] 本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足,提出一种基于声电效应的三维功 率密度成像方法,在离散电极模型基础上,将功率密度成像作为一种独立的成像手段。该方 法在电学基础上耦合超声,通过聚焦超声波对聚焦域介质的扰动,获得测量物场的功率密 度信息,形成功率密度分布图像,从而达到提高测量物场介质分布空间分辨率的目的。为实 现上述目的,本发明的技术方案如下:
[0011] 一种基于声电效应的三维功率密度成像方法,该方法将单层或者多层离散的电极 阵列固定在被测生物组织的某截面或者多层截面的外侧,每层电极阵列均匀或非均匀分 布,由电极阵列所包围的三维区域为测量物场,聚焦超声换能器垂直于电极阵列分布所在 截面,调节其位置,使聚焦
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