專利名稱：基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法
技術領域：
本發明涉及生物組織成像領域，具體地講是一種基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法。
背景技術：
醫學圖像具有直觀、形象和信息量大的特點，在臨床診斷中具有重要地位。隨著醫學成像技術的進步，醫學影像已經從解剖結構成像發展到功能成像，即醫學圖像不僅可以顯示疾病解剖結構的形態變化，而且可以反映機體器官的功能及相關的生理、生化變化，能夠檢測到其生理活動的異常，從而為疾病診斷提供了重要的信息，推動了醫學的進步與發展。以心臟為例，心律失常是危害人類健康的重大臨床病癥，在雜亂的顫動波中確定病灶位置是心律失常診斷、治療和生理機制解釋的關鍵。電阻抗成像技術是根據物體內部不同組織以及組織在不同功能狀態下具有不同電阻抗這一原理，通過布放于體表的一系列電極作為傳感器，然后給物體注入一定的電流(對人體而言需注入小的安全電流)，再測量體表電位來重建物體內部的阻抗分布圖像。電阻抗成像是一種非入侵性的功能成像技術，但是由于其被理論和實驗證實的固有的空間分辨率限制，目前尚未在心臟電興奮測量中得到廣泛的應用。在心電測量中，一對電極稱為一個導聯，心臟電興奮測量實質是從體表導聯測量電壓獲取心臟內部電流密度分布的過程。心電正問題是已知信號源求解體表電位，而逆問題是根據測量到的心臟表面的電位信號來推算心臟中產生這些電活動的源的位置和大小，從而進行病理、生理和認知方面的功能分析。如同其他領域的逆問題一樣，心電逆問題中已知的只是某一方程組的解，而對產生這個解函數的源函數分布及方程的算子并不了解，它不可避免地遇到理論上的困難:在數學上逆問題不具備唯一解；無論選擇哪種數值計算方法求解心電產生源，均不能改變其解的病態特性，即當問題涉及的參數與數據即使存在很小的誤差或干擾時，也會引起解的不確定性，甚至會出現大幅度的劇烈振蕩；測量數據的不完備性也將導致心電源求解問題的困難。長期以來，人們利用各種可能的數學理論研究心電逆問題的數值求解方法，以期望活得高精度、穩定、合理的解。其研究大致可以分為兩類方法，一是基于等效偶極子的參數定位法，只有在心電活動局限在很小的區域范圍內時才是對真實情況的近似，實際活動區域可能向任意方向擴展，呈現不同的空間幾何形狀，這時等效偶極子的逆映射結果可能不理想；一是基于電流分布模型的圖像重建法。基于傳統的心電測量的電流密度成像需要盡可能多的導聯場來求解病態的逆問題，由于電極深入體表在組織損傷的代價下可以改善電流源位置的確定，但是這一逆問題受限于組織入侵程度和成像空間分辨率之間的折衷。對于心臟這樣的生物組織，侵入組織來布置電極會造成組織器官的嚴重損害，難以在該領域推廣應用。同時，采用布置導聯對生物組織進行電激勵，并采集產生的低頻電信號，由于產生的電信號強度較弱，難以得到清晰的成像。因此，基于以上這些技術問題，可見單一的電阻抗成像技術難以實現有效的高精度、高分辨率成像，造成EIT技術在臨床應用的進展一直較為緩慢。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種采用超聲激勵，并與生物組織自身的電信號協同作用，并能實現高精度、高分辨率成像的基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法。本發明的技術解決方案是，提供以下步驟的基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，包括以下各步驟:(I)采用超聲激勵源產生超聲波并經超聲驅動、超聲聚焦于生物組織內部；(2)對聚焦于生物組織內部的超聲波進行連續定位，從而完成對生物組織整體或局部的掃描；(3)信號采集:超聲波聚焦定位于某一空間位置，則會產生一個與該空間位置電流密度相對應的高頻信號，由多路探測導聯采集信號并經過放大和濾波后輸出，在完成超聲波聚焦掃描后，便能得到生物組織整體或局部的一組信號；(4)將采集后的電壓信號導入計算機，根據采集到對生物組織整體或局部掃描后得到信號，計算和重建生物組織內部的電流密度，從而實現生物組織的電流密度成像。采用本發明的方法，與現有技術相比，本發明具有以下優點:本發明無需采用外部電激勵，將超聲波聚焦于生物組織上，使得超聲波與生物組織內部電信號之間產生協同作用，在超聲波的定位掃描下，能夠得到相應點的高頻電信號，能采集到大量均勻分布的信息，并根據這些點反映的數據信息計算和重建生物組織的電流密度分布，從而得到生物組織整體或局部的電流密度成像；由于生物組織不同時間的電活動是不同的，因此本發明的電流密度成像方法是一種動態成像，能夠直觀地反映生物組織內部活動情況，能都得到高精度、高分辨率的電流密度成像，便于醫學診斷。作為改進，步驟4中的電流密度計算和重建是指，生物組織內部電流在聚焦超聲束作用下，生物組織會發生聲電效應現象，在生物組織外部可以無創地測量到這個高頻電信號的影響；根據聲電效應理論，在生物組織內部的某作用點,τ' )，其探測導聯聲電效應信號V為:
權利要求
1.一種基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)采用超聲激勵源產生超聲波并經超聲驅動、超聲聚焦于生物組織內部； (2)對聚焦于生物組織內部的超聲波進行連續定位，從而完成對生物組織整體或局部的掃描； (3)信號采集:超聲波聚焦定位于某一空間位置，則會產生一個與該空間位置電流密度對應的高頻電信號，由多路探測導聯采集信號并經過放大和濾波后輸出，在完成超聲波聚焦掃描后，便能得到生物組織整體或局部的一組信號； (4)根據采集到的生物組織整體或局部掃描后得到信號，計算和重建生物組織內部的電流密度，從而實現生物組織的電流密度成像。
2.根據權利要求1所述的基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，其特征在于:步驟4中的電流密度計算和重建是指，生物組織內部電流在聚焦超聲束作用下，生物組織會發生聲電效應現象，在生物組織外部可以無創地測量到這個高頻電信號的影響；根據聲電效應理論，在生物組織內部的某作用點(X' ,i' ,Z')，其探測導聯聲電效應信號V為:
3.根據權利要求1所述的基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，其特征在于:步驟3中的信號放大和濾波是通過以下方法實現的:多路探測導聯通過一個截斷頻率為480kHz的模擬高通濾波器連接到一個增益為20dB、帶寬為2 5MHz的差分放大器上，輸出的信號再通過放大器再放大29dB，信號的采樣頻率為5MHz。
4.根據權利要求1所述的基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，其特征在于:步驟I和2中，超聲波的聚焦范圍為短軸為1mm，長軸為3_4mm的橢圓形，以Imm為步長在生物組織表面進行生物組織內部聚焦定位掃描。
全文摘要
本發明公開了一種基于聲電效應的生物組織電流密度成像方法，包括以下步驟(1)采用超聲激勵源產生超聲波并經超聲驅動、超聲聚焦于生物組織內部；(2)對聚焦于生物組織內部的超聲波進行連續定位，從而完成對生物組織整體或局部的掃描；(3)信號采集超聲波聚焦定位于某一空間位置，則會產生一個與該空間位置電流密度對應的高頻電信號，得到生物組織整體或局部的一組信號；(4)根據采集到對生物組織整體或局部掃描后得到信號，計算和重建生物組織內部的電流密度。本發明的電流密度成像方法是一種動態成像，能夠直觀地反映生物組織內部活動情況，能都得到高精度、高分辨率的電流密度成像，便于醫學診斷。
文檔編號A61B8/08GK103156605SQ201310104468
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者徐文龍, 徐冰俏, 張寧 申請人:中國計量學院