一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種磁聲耦合成像重建算法。特別是涉及一種利用換能器所檢測的磁 聲信號點的相關性求解聲速分布，進而重建原始聲源分布的應用于聲學非均勻媒介磁聲耦 合成像重建方法。
【背景技術】
[0002] 磁聲耦合成像是一種結合電阻抗成像和超聲成像的技術的新型生物組織電特性 成像技術。其原理是：將被測生物組織置于穩恒磁場中，對生物組織給予穩恒磁場方向平行 的脈沖磁場，進而在其內部產生感應電流（或者通過電極直接往生物組織內部注入脈沖電 流）；被測組織內部的注入電流在穩恒磁場的作用下受洛倫茲力影響產生與激勵信號同頻 率的位移，進而產生高頻振動，向外界輻射超聲波；包含物體內部的聲信號在生物組織內部 通過一系列復雜的反射、折射等變化傳遞到體表，被換能器所接收并用于重建內部電導率 信息。
[0003] 由磁聲耦合成像的原理可知，一個電流分布為? (變量上端的波浪線指代變量包 含時間量）的媒介置于一個靜態磁場Btl中，可以得到聲壓的波動方程如下：
【主權項】
1. 一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征在于，是在信號采集過 程中使用線陣換能器陣列采集相互對稱的聲壓數據，利用對稱位置換能器采集數據之間的 相關性求解聲穿越時間，結合代數迭代重建算法重建樣本聲速分布，最后利用所求聲速分 布求解樣本初始聲源分布，具體包括如下階段： 1) 在掃描過程中采用平面線陣換能器陣列采集樣本內部發出的磁聲信號； 2) 求解換能器之間的聲穿越時間，包括： (1)設定換能器檢測的聲壓滿足的條件；（2)進行聲壓補償；（3)求解對稱位置換能器 所檢測聲壓的相關系數；(4)求解兩個軸線相互重疊的換能器聚焦區軸線部位的聲穿越時 間；（5)求解得到整個掃描過程的聲穿越時間； 3) 求解被測樣本的聲速分布圖，包括： (1)建立對稱位置換能器連線的聲速平均矩陣；（2)修正平均聲速矩陣；（3)劃分各單 元網格；(4)求解聲穿越時間；（5)對結果再次修正之后得到每個網格實際聲速； 4) 求解原始聲源分布，包括： (1)聲速重排及聲速空間擴展；（2)反轉聲源求解及聲壓轉置；（3)聲壓數據重采樣； (4)求解原始聲源；（5)提取樣本所在區域聲源分布。
2. 根據權利要求1所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，階段1)在掃描過程中每一個換能器都要滿足如下條件： (1) 換能器掃描過中完成一次掃描后進行旋轉，旋轉次數要滿足2M-1次； (2) 每一個角度的聚焦區域移動次數為N，移動間距Ad保持不變，且滿足NXAd多R， 其中R為能容納樣本的最小正方形區域的邊長，M和N是大于等于1的整數； (3) 掃描過程中，換能器旋轉半徑r要滿足： r > sfl.R； (4) 處于對稱位置的換能器，在聚焦區軸線重疊的區域內每一個點滿足如下條件： Q+L產2r 其中U為所述點到左邊換能器的距離，L2為所述點到右邊換能器的距離，r為換能器 掃描過程中的旋轉半徑。
3. 根據權利要求1所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，階段2)所述的求解換能器之間的聲穿越時間，包括： (1) 設定換能器檢測的聲壓滿足如下條件：
其中A為換能器聚焦區軸線的延長線與換能器的交點，t為換能器接收的時間軸，； 為換能器所接收的聲壓，J為感應電流密度，B為穩恒磁場強度，r'為樣本上某一點的位置，T(r0, -r0)為重疊的聚焦區軸線間的聲傳播時間。 (2) 進行聲壓補償 定義換能器接收信號的修正值S(r(l，t)滿足：
(3) 求解對稱位置換能器所檢測的聲壓的相關系數 相對于位置A的換能器接收的聲壓修正后為S(r&t)，設定與r(l位置對稱的信號采集 點位置為-IV故所述信號采集點-r(l接收的聲壓修正后為S(_r&t)，考慮聲的傳播特性，位 置A和位置-r啲聲壓信
號修正值在時間和幅度上均具有高度相關，定義心。（〇滿足： 為聚焦區域軸線相互重疊的一組換能器所接收信號的相關系數； (4) 求解兩個換能器聚焦區軸線相互重疊部位的聲穿越時間 由相關性原理及卷積定理可以得到，當t=TCt^，-ij時，式TCt^，-ij可以得到最大 值，故由下式得到兩個換能器聚焦區軸線相互重疊部位的聲穿越時間
(5) 求解得到整個掃描過程的聲穿越時間 對階段1)掃描所得到的MXN對重疊的聚焦區軸線位置，依次重復步驟（1)~步驟 (4)，得到MXN組穿越時間。
4.根據權利要求1所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，階段3)所述的求解被測樣本的聲速分布圖，具體包括： (1) 建立對稱位置換能器連線的傳播時間矩陣 對于掃描過程中換能器動態聚焦區的位置分布，定義傳播時間矩陣TNM的任何一個元 素要滿足如下公式： Ti=Krj,-rj) ；1 ^i^NXM 其中b-ri代表第i對聚焦區軸線延長線與換能器交點所處的位置； (2) 修正傳播時間矩陣TNM，得到聲穿越時間T'm 設定耦合劑的所處區域作為背景，背景聲速為C(l，對于掃描過程中換能器的動態聚焦 區位置分布，得到對稱位置換能器之間的距離等同于旋轉直徑，故排除背景聲速C(l影響后 的聲穿越時間T'm的元素滿足：
Am為元素全為1的MXN矩陣； 由上式得到聲穿越時間T'M，T'_是被測樣本被換能器聚焦區軸線穿過部位的聲穿越 時間再減去相同距離耦合劑的聲穿越時間； (3) 劃分各單元網格 將一個感興趣的包含被測樣本的掃描空間的區域分成nXn的網格，網格大小為AS， 每個網格的聲穿越時間為tj;l彡j彡n2,網格大小As應當滿足如下： 上式中
為磁聲耦合成像自由空間中的最大聲波頻率，滿足： fmax^ 2f in fin為磁聲耦合成像的激勵信號頻率，cmin為磁聲耦合系統中的最小聲速； (4) 求解聲穿越時間 根據步驟（3)的網格，按如下公式進行迭代重建，求解每一個網格的聲穿越時間值tj:
k為迭代次數，X為松弛因子，a為權重因子，當網格m對聲穿越時間h有貢獻時取值 為1，否則為〇; (5) 對結果再次修正之后得到每個網格實際聲速 步驟（4)求解得到的聲穿越時間為去除背景聲速之后的聲穿越時間，對結果再次修正 之后得到每個網格實際聲速Cj;l<j<n2滿足： Av, . 9 &=-1 <./ <tr〇 h
5.根據權利要求4所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，步驟（4)所述的迭代重建步驟包括： a) 給第j個網格的聲穿越時間武初值： =t(p<j<n2 式中，初值選取依據人體組織的平均聲速和耦合劑的背景聲速，滿足： (0)=A5_A5Cpc0 其中匕為人體組織的平均聲速； b) 計算第i對換能器間的聲穿越時間修正后的估計值：
c) 計算誤差： ^=T；~T； d) 計算第j個未知量的修正值：
e) 對tj的值進行修正： T(k+l) = T(k) +^Cl f) k=k+1 ;重復步驟b)到f)，直到完成所有聲穿越時間方程，即完成一輪迭代； g)以上一輪迭代作為初值，重復b)到f)進行新一輪迭代，直到得到符合收斂要求的結 果。
6.根據權利要求1所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，階段4)所述的求解原始聲源分布，具體包括： (1) 聲速重排及聲速空間擴展 利用階段3)所求得到的每個網格實際聲速Cfl<j<n2,進行聲速重排，得到nXn的聲速分布矩陣;將所述聲速分布矩陣向外擴充為一個mXm;m>n的自由空間，聲 速分布為CmXm;擴充部分的網格的聲速為c^ (2) 反轉聲源求解及聲壓轉置 對掃描過程中換能器接收到的聲壓信號為P(r，t)，其中r表示空間位置；依據時間反 演理論，將采集的聲壓信號反轉作為聲源，定義用于反演的聲源項為q(r，t)滿足： q(r,t) =p(r,Td-t) ； 1 ^i^NXM Td表示檢測過程中，空間每一個點的檢測時間，故得基于時間反演的波動方程如下：
c(r)為聲速分布CmXm圓柱坐標形式，P(l(r，Td)為需要求解的原始聲源分布； (3) 聲壓數據重采樣 定義時間間隔
其中，為磁聲耦合成像實驗中的最大聲速， 依據時間間隔At對反演的聲源項q(r，t)進行重采樣，采樣結果用反演聲源Q(t)表 示：
(4) 時間和空間交替迭代求解原始聲源 依據聲波波動方程，結合磁聲耦合成像聲源產生機制，得到不均勻媒介中的聲壓和振 動速度的表達式，如下：
其中，vx，vy表示質點二維平面x，y方向的振動速度，表示聲壓，P表示物質密度，c表示聲速，t表示波動持續時間。采用時域有限差分的方法，在時間和空間上交替離散上述 表達式，利用反演聲源Q求解下一個時刻的質點振動速度，并利用質點振動速度求解聲壓， 依此交替； (5)提取樣本所在區域聲源分布 依據自由空間大小，將原始聲源分布Ptl(r，Td)，以自由空間中心為基準點，半徑為r之 外的所有區域聲壓置零，所得到的聲壓值P〇即為初始聲源分布。
7.根據權利要求6所述的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，其特征 在于，步驟（4)所述的不均勻媒介中的聲壓和振動速度的表達式具體求解過程如下： a) 確定所述表達式求解的初始條件，所述的初始條件包括：磁通密度B，物質密度P， 聲速媒介聲速分布CmXm和采集的聲壓信號Q(1At); b) 離散化不均勻媒介中的聲壓和振動速度的表達式
將過程a)中確定的初始條件代入過程b)中所給出的聲壓方程中，求解得到初始時刻ta= 0的聲壓p d) 將過程c)所求ta時刻的聲壓P(l代入過程b)中所給出的振動速度方程中，求解 時刻的振速Vx,vy; e) 依據過程d)所求tb時刻的振速vx，vy，將換能器檢測的反演聲源Q代入過程b)中 所給出的聲壓方程中，求解^ =6 11時刻的聲壓P，存儲數據； f) 如果ta=Td，轉到過程d)，否則結束； 當時ta=Td時，依據上述步驟所求解得到的聲壓分布p(r，Td)，即包含原始聲源分布。
【專利摘要】一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，是在信號采集過程中使用線陣換能器陣列采集相互對稱的聲壓數據，利用對稱位置換能器采集數據之間的相關性求解聲穿越時間，結合代數迭代重建算法重建樣本聲速分布，最后利用所求聲速分布求解樣本初始聲源分布。本發明的一種應用于聲學非均勻媒介磁聲耦合成像重建方法，可以有效消除樣本的聲學特性不均勻帶來的重建誤差，同時也能夠通過信號的相關性得到樣本的聲速分布，為聲源的精確重建提供了必要的條件。
【IPC分類】A61B5-05
【公開號】CN104688224
【申請號】CN201510149821
【發明人】劉志朋, 張偉, 殷濤, 馬任
【申請人】中國醫學科學院生物醫學工程研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月31日