一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法技術

一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，其技術方案是，所述方法在建立多層腔體組織橫截面模型的基礎上，對超聲探測器采集到的原始磁聲信號進行包括疊加平均、濾波去噪以及反卷積在內的預處理；然后利用預處理后的磁聲信號重建多層腔道壁組織橫截面上的聲源分布；最后根據得到的聲源分布重建出組織橫截面的電導率分布圖。本發明專利技術能夠利用生物組織產生的磁聲信號快速、準確重建出腔體組織橫斷面的電導率分布圖，進而實現生物腔體組織的磁聲內窺成像，為疾病的早期診斷提供準確和可靠的信息。

An electrical conductivity reconstruction method for bio inspired magnetic acoustic endoscope imaging

For a glimpse of the biological imaging reconstruction method of electrical conductivity of inductive magnetic sound, the technical scheme is that the methods based on a multi-layer cavity tissue cross-section model, the original magnetic acoustic signal of ultrasonic detectors to collect the preprocessing including superposition, denoising and deconvolution, and then use the sound; the source distribution after pretreatment of the acoustic signal reconstruction with multi cavity wall tissue on the cross section; the last according to the reconstruction of the distribution of sound source tissue cross-sectional conductivity distribution. The invention can be produced by biological tissue magnetic acoustic signal quickly and accurately reconstruct the conductivity distribution of the cavity tissue cross section, and then realize the magnetic acoustic cavity biological tissue endoscopic imaging, provide accurate and reliable information for early diagnosis of disease.

【技術實現步驟摘要】
一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法
本專利技術涉及一種利用生物組織產生的磁聲信號重建腔體組織橫斷面的電導率分布圖的方法，屬于醫學成像

技術介紹
生物感應式磁聲內窺成像(EndoscopicMagnetoacousticTomographywithMagneticInduction,EMAT-MI)是從腔道(如消化道、腸道和血管等)內測量和收集腔體組織的電特性信息，其成像原理是將待測組織置于一個磁場方向沿管腔軸線方向的靜磁場中，同時外加與靜磁場相同方向的、頻率為超聲波段的脈沖磁場。在脈沖磁場的作用下組織中會產生感應電流，感應電流受到靜磁場的影響產生洛倫茲力，組織中的帶電粒子在洛倫茲力的作用下產生與時變磁場同頻率的機械振動，并以超聲波的形式(即磁聲信號)向組織表面傳播。超聲探測器在微型電機的驅動下，在腔道內進行周向掃描并收集周圍組織產生的磁聲信號，最后經由計算機重建出被測組織表面的聲源分布或者電導率分布圖像。圖像重建是EMAT-MI成像必不可少的一部分，區別于在成像目標的體外采集磁聲信號的感應式磁聲(MagnetoacousticTomographywithMagneticInduction,MAT-MI)成像方法，EMAT-MI是在封閉的腔體內采集磁聲信號，超聲探測器的掃描會受到腔道封閉幾何結構的限制，無法直接采用現有的MAT-MI圖像重建算法。因此設計合適的EMAT-MI圖像重建算法對提高成像質量，改善圖像的視覺效果至關重要。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有MAT-MI圖像重建算法難以適用于EMAT-MI成像的弊端，提供一種用于EMAT-MI成像的電導率重建方法，以提高重建圖像的質量。本專利技術所述問題是以下述技術方案實現的：一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，所述方法在建立多層腔體組織橫截面模型的基礎上，對超聲探測器采集到的原始磁聲信號進行包括疊加平均、濾波去噪以及反卷積在內的預處理；然后利用預處理后的磁聲信號重建多層腔道壁組織橫截面上的聲源分布；最后根據得到的聲源分布重建出組織橫截面的電導率分布圖。上述用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，所述方法包括以下步驟：a.建立多層腔體組織橫截面模型：成像導管位于模型的中心，超聲探測器位于成像導管頂端，由微型電機驅動導管旋轉，對腔道組織進行周向掃描，成像平面(即掃描平面)與成像導管垂直；忽略超聲探測器的孔徑尺寸，將其看作理想的點探測器；以成像導管的中心為坐標原點，水平向右的方向為X軸正方向，垂直于X軸向上的方向為Y軸正方向，在成像平面上建立X-Y平面直角坐標系，將成像平面以坐標原點為圓心等角度劃分為m份，成像導管在成像平面內作圓周掃描并在每一個角度上采集磁聲信號，采集角度為θi＝360(i-1)/m，其中i＝1,2,…,m；b.對超聲探測器接收的磁聲信號進行預處理：①疊加平均：成像導管旋轉360度為一個周期，取N個周期的磁聲信號，將角度θi處的磁聲信號進行疊加平均，即其中，pi1,pi2,...,piN分別是在第1,2…,N個周期中在角度θi處采集的磁聲信號，是疊加平均后的磁聲信號，i＝1,2,...,m；②濾波去噪：對疊加平均后的磁聲信號進行高斯平滑濾波去噪：其中，是濾波后的磁聲信號，τ是高斯分布參數，t是時間，“*”是卷積運算；③反卷積：對濾波后的磁聲信號進行逆卷積處理：其中，PiⅡ(ω)是的傅里葉變換；H(ω)是超聲探測器的單位沖激響應h(t)的傅里葉變換；IFFT(·)表示快速傅里葉反變換；是經疊加平均、濾波去噪和反卷積處理后的磁聲信號；c.重建組織橫截面上的聲源分布保持聲壓序列的空間坐標不變，僅在時域中模擬聲壓信號的逆向傳播過程，重建組織橫截面上的聲源分布，角度θi處腔體組織的聲源分布由下式求得：其中，是哈密頓算子；r是成像平面中的一點；t是時間；cs是超聲波在組織中的傳播速度；“·”是向量的點積；“×”是向量積；J(r)是位置r處的感應電流強度；B0是外加靜磁場強度；pi(·)為正向聲場中掃描角度為θi處的聲壓；pi(ri,t)表示超聲探測器采集到的正向聲場中在掃描角度θi、位置ri處、時刻t的聲壓；θ'是r和ri的連線與超聲探測器掃描軌跡在ri處的徑向的夾角；d.重建組織橫截面的電導率分布腔體壁組織的電導率由腔道中物質的電導率按照下式逐層求解得到：其中，σ(r)是組織在位置r處的電導率，σx(r)和σy(r)是與待求面元相鄰的x和y方向的面元的電導率，Jx(r)和Jy(r)是感應電流強度J(r)在x和y方向上的分量，dl是正方形面元的邊長，逐層求解腔體壁組織的電導率具體方法如下：在腔道與腔道壁組織的分界處，將腔道中物質的電導率作為σx(r)和σy(r)的初始值，代入上式中求解出腔道壁內膜的電導率，并將其作為新的σx(r)和σy(r)值，依次求得腔道壁其它層組織的電導率。本專利技術能夠利用生物組織產生的磁聲信號快速、準確重建出腔體組織橫斷面的電導率分布圖，為疾病的早期診斷提供準確和可靠的信息。附圖說明下面結合附圖對本專利技術作進一步說明。圖1是是含有粥樣硬化斑塊的血管橫截面模型示意圖；圖2是θ'與θi的位置關系示意圖；圖3是重建區域的網格示意圖。文中各符號分別表示為：X、Y為血管橫截面模型所在的X-Y平面直角坐標系的橫軸和縱軸，其中成像導管的中心為坐標原點，水平向右的方向為X軸正方向，垂直于X軸向上的方向為Y軸正方向；m為血管橫截面模型被等角度分割的總份數；θi為成像導管的第i個成像角度，其中i＝1,2,…,m；N為對磁聲信號進行疊加平均時所取的周期數；為疊加平均后的磁聲信號；pi1,pi2,...,piN分別為第1,2…,N個周期中在角度θi處采集的磁聲信號；為濾波后的磁聲信號；τ為高斯分布參數；“*”為卷積運算；h(t)為超聲探測器的單位沖激響應；PiⅡ(ω)為的傅里葉變換；H(ω)為h(t)的傅里葉變換；IFFT(·)為快速傅里葉反變換；為經疊加平均、濾波去噪和反卷積處理后的磁聲信號；為哈密頓算子；r為成像平面中的一點；t為時間；p(r,t)為時刻t位置r處的磁聲信號的聲壓；cs為超聲波在組織中的傳播速度；“·”表示向量的點積；“×”表示向量積；J(r)為位置r處的感應電流強度；s(t)為磁激勵信號的時間項；B0為外加靜磁場強度；δ(t)為聲源r0的時間項；δ(r-r0)為聲源r0的空間項；pi(r,t)為正向聲場中掃描角度θi、位置r處、時刻t的聲壓；pi(·)為正向聲場中掃描角度為θi處的聲壓；T為截止時間；r0為聲源的空間位置；t0為聲源產生振動的時刻；∑為組織聲場的求解域；G+(r,t|r0,t0)為匯聚格林函數；G-為發散格林函數；pr(r,t)為反演場中位置r處、時刻t的聲壓；pr(·)為反演聲場的聲壓；Gr為反演場的格林函數；T0為反演場的反演時刻；L為閉合的掃描軌跡曲線；Li為角度θi對應的掃描軌跡的線元；n為掃描軌跡的法向量；0+為無限趨于0的正數；pi”(·)為正向聲場的聲壓pi(·)對時間的二階導數；θ'為r和ri的連線與超聲探測器掃描軌跡在ri處的徑向的夾角；σ(r)為組織在位置r處的電導率；B1(r)為外加脈沖磁場在位置r處的強度；E(r)為感應電場在位置r處的強度；為電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，其特征是，所述方法在建立多層腔體組織橫截面模型的基礎上，對超聲探測器采集到的原始磁聲信號進行包括疊加平均、濾波去噪以及反卷積在內的預處理；然后利用預處理后的磁聲信號重建多層腔道壁組織橫截面上的聲源分布；最后根據得到的聲源分布重建出組織橫截面的電導率分布圖。

【技術特征摘要】
1.一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，其特征是，所述方法在建立多層腔體組織橫截面模型的基礎上，對超聲探測器采集到的原始磁聲信號進行包括疊加平均、濾波去噪以及反卷積在內的預處理；然后利用預處理后的磁聲信號重建多層腔道壁組織橫截面上的聲源分布；最后根據得到的聲源分布重建出組織橫截面的電導率分布圖。2.根據權利要求1所述的一種用于生物感應式磁聲內窺成像的電導率重建方法，其特征是，所述方法包括以下步驟：a.建立多層腔體組織橫截面模型：成像導管位于模型的中心，超聲探測器位于成像導管頂端，由微型電機驅動導管旋轉，對腔道組織進行周向掃描，成像平面(即掃描平面)與成像導管垂直；忽略超聲探測器的孔徑尺寸，將其看作理想的點探測器；以成像導管的中心為坐標原點，水平向右的方向為X軸正方向，垂直于X軸向上的方向為Y軸正方向，在成像平面上建立X-Y平面直角坐標系，將成像平面以坐標原點為圓心等角度劃分為m份，成像導管在成像平面內作圓周掃描并在每一個角度上采集磁聲信號，采集角度為θi＝360(i-1)/m，其中i＝1,2,…,m；b.對超聲探測器接收的磁聲信號進行預處理：①疊加平均：成像導管旋轉360度為一個周期，取N個周期的磁聲信號，將角度θi處的磁聲信號進行疊加平均，即其中，pi1,pi2,...,piN分別是在第1,2…,N個周期中在角度θi處采集的磁聲信號，是疊加平均后的磁聲信號，i＝1,2,…,m；②濾波去噪：對疊加平均后的磁聲信號進行高斯平滑濾波去噪：其中，是濾波后的磁聲信號，τ是高斯分布參數，t是時間，“*”是卷積運算；③反卷積：對濾波后的磁聲信號進行逆卷積處理：其中，PiⅡ(ω)是的傅里葉變換；H(ω)是超聲探測器的單位沖激響應h(t)的傅里葉變換；IF...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫正，陳鵬，
申請(專利權)人：華北電力大學保定，
類型：發明
國別省市：河北,13