基于聲電效應(yīng)的三維功率密度成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及多物理場混合成像技術(shù)，具體是一種功率密度成 像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體各個組織（器官）具有不同的電學(xué)特性，而且一些病理現(xiàn)象和生理活動均會 引起人體組織電學(xué)特性的變化，因此生物組織攜帶著豐富的生理和病理信息。通過一定的 技術(shù)手段，重建生物組織的電學(xué)特性或者介質(zhì)分布圖像，進(jìn)而分析和研究生物體的生理和 病理狀況，在臨床上具有很高的實用價值。
[0003] 電阻抗層析成像技術(shù)（ElectricalImpedanceTomography,EIT)是基于電特性敏 感機理的層析成像技術(shù)，其通過電學(xué)手段，判斷出敏感場內(nèi)物體的電特性分布，進(jìn)而獲得該 場內(nèi)介質(zhì)的分布圖像。在成像過程中，使用人體能接受的微小安全電流，而不使用核素或攝 像，對人體無電離或者輻射作用；另外，其結(jié)構(gòu)簡單、測量方便，價格低廉，適合應(yīng)用于醫(yī)療 普查和對患者進(jìn)行長期的醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護，是非常有應(yīng)用和研究價值的技術(shù)手段。近幾十年 學(xué)者對EIT進(jìn)行廣泛研究，其在理論、硬件、軟件、算法等方面都取得很大進(jìn)步。
[0004] 但是，目前多數(shù)EIT研究還局限于二維成像，主要原因是三維成像使得求解未知 數(shù)增加，導(dǎo)致逆問題的非線性、不適定性變得更加嚴(yán)重，重建圖像空間分辨率和精度都很 低，限制其應(yīng)用和發(fā)展。研究新的方法獲得更多的有效信息是解決三維EIT成像低空間分 辨率、低精度的根本方法。
[0005] 在生物電阻抗成像領(lǐng)域，研究者們在完善實驗設(shè)計和改進(jìn)重建算法的同時，嘗試 從物理場耦合的角度將電阻抗成像與其他成像技術(shù)相結(jié)合以增加成像的有效信息，從而提 1?圖像的空間分辨率。
[0006] 聲電效應(yīng)是指，聚焦的超聲波在介質(zhì)傳播中引起壓力變化，造成了局部區(qū)域（聚 焦區(qū)域）周期的機械壓縮和松弛（由超聲波的頻率決定），引起局部區(qū)域的微小彈性形變， 從而導(dǎo)致局部電導(dǎo)率變化。
[0007] 美國的RagnarOlafsson等人提出基于聲電效應(yīng)的電流密度成像，基于聲電 效應(yīng)利用聲電信號重建被測物場內(nèi)部電流源分布信息（UltrasoundCurrentSource DensityImaging，RagnarOlafsson，RussellS.Witte,Sheng-WenHuangandMatthew O'Donnell，IEEETRANSACTIONSONBIOMEDICALENGINEERING，2008, 55 (7): 1840-1848)。 YangRenhuan等人進(jìn)一步提出三維的電流源密度成像方法（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 年中國專利（CNIO3I566O5A)也公 開了一種基于聲電效應(yīng)的生物組織電流密度成像。
[0008] 2008年法國研究者Ammari等人（Electricalimpedancetomographybyelastic deformation,HAmmari,EBonnetier,YCapdeboscq,MTanterandMFink,SIAMJournal onAppliedMathematics, 2008, 68:1557-1573)從數(shù)學(xué)理論上由經(jīng)過超聲調(diào)制的電阻抗 層析成像邊界測量值推導(dǎo)獲得局部功率密度，并將該信息作為中間量重建出被測物場的 電導(dǎo)率分布。該研究工作涉及到功率密度，但是由于功率密度計算公式是基于小體積內(nèi) 含物擴展方法推導(dǎo)得到，功率密度的計算公式只適用于測量物場的內(nèi)部區(qū)域，在實際使用 過程中存在局限性。并且，該工作是在純數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，基于連續(xù)電極模型實現(xiàn)功率 密度的計算，而實際測量系統(tǒng)只能用離散電極模型。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計算公式， 雖然將功率密度的適用范圍擴展到整個測量物場，但是影響功率密度的計算精度。
[0009] 上述的已有的涉及功率密度的工作只是把功率密度作為電導(dǎo)率重建的中間變量， 并沒有將功率密度作為獨立的成像方法研究；所提出的精確的功率密度的計算公式只適用 于測量物場的內(nèi)部區(qū)域，在實際使用過程中存在局限性，而近似后的功率密度計算公式雖 然適用于整個測量物場，但是影響計算精度；現(xiàn)有的功率密度的計算都是純理論上并且基 于連續(xù)電極模型，而實際測量系統(tǒng)只能用離散電極模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于聲電效應(yīng)的三維功 率密度成像方法，在離散電極模型基礎(chǔ)上，將功率密度成像作為一種獨立的成像手段。該方 法在電學(xué)基礎(chǔ)上耦合超聲，通過聚焦超聲波對聚焦域介質(zhì)的擾動，獲得測量物場的功率密 度信息，形成功率密度分布圖像，從而達(dá)到提高測量物場介質(zhì)分布空間分辨率的目的。為實 現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種基于聲電效應(yīng)的三維功率密度成像方法，該方法將單層或者多層離散的電極 陣列固定在被測生物組織的某截面或者多層截面的外側(cè)，每層電極陣列均勻或非均勻分 布，由電極陣列所包圍的三維區(qū)域為測量物場，聚焦超聲換能器垂直于電極陣列分布所在 截面，調(diào)節(jié)其位置，使聚焦