一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统及方法，系统包括：激励源、激励线圈、磁铁、激光多普勒振动传感器、导轨和控制模块；激励源产生激励电流至激励线圈；激励线圈位于目标体的上方位置，其用于在激励电流的作用下，引发目标体中产生感应涡流；磁铁分别位于目标体的上下方，产生静磁场；目标体在感应涡流和静磁场的共同作用下，产生与激励源同频的振动；导轨围绕目标体设置；激光多普勒振动传感器在导轨上移动并360度采集目标体的振动信号；控制模块用于对振动信号进行处理，并根据振动信号，对目标体内部的电学参数分布进行三维重建。本发明通过检测目标体表面高频振动信息，改善成像方法的信噪比，提升成像空间分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学成像技术领域，更具体的说是涉及一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统及方法。

背景技术

磁声耦合成像(Magneto-acoustic Tomography,MAT)是一种无损生物组织电特性功能成像技术。该方法将目标体放在静磁场和脉冲磁场中，脉冲磁场在目标体中产生涡流，涡流在静磁场作用下生成洛伦兹力，引发目标体发生超声振动，通过对声信号的采集，MAT能够重建出目标体内的电导率参数空间分布。MAT技术能够先于生物组织结构变化，提供更有效的组织功能信息用于早期疾病诊断。

虽然MAT技术已在成像理论和技术上取得了不断发展，但仍存在许多问题亟待研究。当前，MAT系统中普遍采用基于压电效应的超声探头对信号进行检测，此类压电超声探头技术成熟，但是，应用于MAT成像存在以下几方面的问题：

(1)MAT成像中超声信号微弱，声场信号检测方式具有较低信噪比。例如,0.1T磁场强度下，1μA mm偶极矩受到的洛伦兹力仅为10

(2)MAT成像使用的超声探头中心频率较低，多为10MHz以下，限制了MAT的空间分辨率。根据MAT成像理论，输出超声信号与激励信号同频，激励信号频率是决定MAT空间分辨率的关键因素:生物组织中声速约为1500m/s，MAT实验中经常使用1MHz激励脉冲信号(脉宽为1μs)，因此，理论上MAT成像的空间分辨率约为1500m/s×1μs＝1.5mm。由于MAT中采用的超声探头中心频率较低，因此MAT成像空间分辨率被限制在mm量级。同时，超声探头测量频带较窄，检测时会错过一定量带有组织电特性的其他频率信息，进一步影响了成像重建效果。

(3)强电磁辐射对超声探头的干扰。MAT成像系统普遍采用0.1T以上的静磁场和1MHz高频脉冲磁场，MAT成像的空间环境复杂，电磁辐射剧烈变化、干扰大。基于压电效应的超声探头属于电磁敏感设备，为了改善信噪比，MAT需要多次(1000次)测量后取平均信号波形作为最终数据，导致测量时间较长。

因此，如何克服目前磁声耦合成像方法中信号采集方面存在的局限性问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统，通过检测目标体表面高频(10MHz量级)振动信息(如位移、速度和加速度)，避免遭受传统磁声耦合成像方法中的电磁干扰，改善成像方法的信噪比，提升成像空间分辨率，凭借较宽的频率带宽来获得更丰富的组织电特性信息。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统，包括：激励源、激励线圈、磁铁、激光多普勒振动传感器、导轨和控制模块；

其中，所述激励源在所述控制模块的控制下产生激励电流至所述激励线圈；所述激励线圈位于目标体的上方位置，其用于在所述激励电流的作用下，引发所述目标体中产生感应涡流；所述磁铁设置有一对，且分别位于所述目标体的上下方，其用于产生静磁场；所述目标体在所述感应涡流和所述静磁场的共同作用下，产生与所述激励源同频的振动；

所述导轨围绕所述目标体设置；所述激光多普勒振动传感器安装在所述导轨上，且在所述控制模块的控制下沿所述导轨移动并360度采集所述目标体的振动信号；

所述控制模块用于对所述振动信号进行处理，并根据所述振动信号，对所述目标体内部的电学参数分布进行三维重建。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统中，所述控制模块包括滤波放大器、数据采集卡、主控单元和计算机；所述滤波放大器、所述数据采集卡和所述计算机依次与所述激光多普勒振动传感器电性连接；所述主控单元分别与所述激励源、所述激光多普勒振动传感器和所述计算机电性连接；

所述滤波放大器用于对所述振动信号进行滤波、除噪和幅值放大处理；

所述数据采集卡用于将处理后的所述振动信号收集并上传至所述计算机；

所述计算机用于根据处理后的所述振动信号对所述目标体内部的电学参数分布进行三维重建，并通过所述主控单元对所述激励源和所述激光多普勒振动传感器进行参数设定和运行管理。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统中，所述激光多普勒振动传感器包括激光器、光分束器、反射光路、参考光路、光学探测器、速度解调器和伺服分析模块；

所述激光器用于发射激光束；所述光分束器将所述激光束分成两束，其中一束经所述反射光路照射至所述目标体上，生成反射光并返回至所述光学探测器；另一束作为参考光，并经所述参考光路入射至所述光学探测器；所述光学探测器用于将所述反射光和所述参考光混频成脉冲光，并对脉冲光进行光电转换，生成脉冲电信号；所述速度解调器用于对所述脉冲电信号进行解调，生成速度信号；所述伺服分析模块用于根据积分演算方法，将所述速度信号转换成位移信号。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统中，所述反射光路包括第一反光镜、第二反光镜、第一半透半反镜、透镜和第三反光镜；

经所述光分束器分光后的其中一束激光束依次通过所述第一反光镜和所述第二反光镜反射后，通过所述第一半透半反镜和所述透镜后，照射至处于振动状态的所述目标体上，在多普勒效应下产生频率发生偏移的反射光；

生成的反射光经所述透镜汇聚光线后，再依次经所述第一半透半反镜和所述第三反光镜调整光轴后，照射至所述光学探测器中。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统中，所述参考光路包括声光调制器和第二半透半反镜；所述参考光经所述声光调制器驱动，发生偏移，并经所述第二半透半反镜调整光轴后，照射至所述光学探测器中。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统中，所述声光调制器为AOM布拉格盒。

本发明还提供一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像方法，其适用于上述基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统，包括以下步骤：

利用所述控制模块对所述激励源和所述激光多普勒振动传感器进行参数设置；

利用所述磁铁产生磁通密度向量为B

启动所述激励源，产生高频激励电流至所述激励线圈；

利用所述激励线圈产生的环形激励电流，在所述目标体中引发感应电流密度向量为J的感生涡流；

感生涡流在静磁场作用下，产生洛伦兹力F＝J×B

在所述控制模块的控制下，所述激光多普勒振动传感器沿所述轨道移动，对目标体进行360°扫描探测，得到所述目标体的振动信号；

利用所述控制模块对所述振动信号进行处理，并根据所述振动信号，对所述目标体内部的电学参数分布进行三维重建。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像方法中，所述对目标体进行360°扫描探测，得到所述目标体的振动信号，包括：

利用所述激光多普勒振动传感器发射频率为f

将参考光在驱动频率f

将反射光与频移后的参照光在同一空间位置上发生干涉，混频成频率大小f的脉冲光；

对所述脉冲光进行光电转换和频率解调，得到多普勒频率f

f

v＝λf

其中，v表示目标体的振动速度，λ表示波长；

利用下式计算所述目标体的振幅A：

A＝v/ω；

其中，ω表示目标体以角频率ω作简谐振动。

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像方法中，所述目标体内洛伦兹力引发的表面振动位移的关系模型为：

其中，ρ为声波引起的密度变化，Cs为目标体内声速；∮

优选的，在上述一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像方法中，所述目标体内部的电学参数的计算公式为：

其中，σ表示所述目标体内部组织电导率，J表示感应电流密度向量，B

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统及方法，能够克服目前磁声耦合成像方法中信号采集方面存在的局限性，通过检测目标体表面高频(10MHz量级)振动信息(如位移、速度和加速度)，避免遭受传统磁声耦合成像方法中的电磁干扰，改善成像方法的信噪比，提升成像空间分辨率，凭借较宽的频率带宽来获得更丰富的组织电特性信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的激光多普勒振动传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像系统，包括：激励源1、激励线圈2、磁铁3、激光多普勒振动传感器4、导轨5和控制模块；

其中，激励源1在控制模块的控制下产生激励电流至激励线圈2；激励线圈2位于目标体的上方位置，其用于在激励电流的作用下，引发目标体中产生感应涡流；磁铁3设置有一对，且分别位于目标体的上下方，其用于产生静磁场；目标体在感应涡流和静磁场的共同作用下，产生与激励源同频的振动；

导轨5围绕目标体设置；激光多普勒振动传感器4安装在导轨5上，且在控制模块的控制下沿导轨5移动并360度采集目标体的振动信号；

控制模块用于对振动信号进行处理，并根据振动信号，对目标体内部的电学参数分布进行三维重建。

具体的，控制模块包括滤波放大器6、数据采集卡7、主控单元8和计算机9；滤波放大器6、数据采集卡7和计算机9依次与激光多普勒振动传感器4电性连接；主控单元8分别与激励源1、激光多普勒振动传感器4和计算机9电性连接；

滤波放大器6用于对振动信号进行滤波、除噪和幅值放大处理；

数据采集卡7用于将处理后的振动信号收集并上传至计算机9；

计算机9用于根据处理后的振动信号对目标体内部的电学参数分布进行三维重建，并通过主控单元8对激励源1和激光多普勒振动传感器4进行参数设定和运行管理。

本发明实施例对目标体振动进行检测的过程如下：

选取高重复频率的大功率电流源作为激励源1；采用圆形激励线圈2置于目标体上，激励线圈2中脉冲激励信号在目标体中引发感应电流密度向量为J的感生涡流；一对永磁铁3分别放置在目标体上下两侧，从而生成磁通密度向量为B

在一个具体实施例中，如图2所示，激光多普勒振动传感器4包括激光器A、光分束器BS1、反射光路、参考光路、光学探测器B、速度解调器C和伺服分析模块D；

激光器A用于发射激光束；光分束器BS1将激光束分成两束，其中一束经反射光路照射至目标体上，生成反射光并返回至光学探测器B；另一束作为参考光，并经参考光路入射至光学探测器B；光学探测器B用于将反射光和参考光混频成脉冲光，并对脉冲光进行光电转换，生成脉冲电信号；速度解调器C用于对脉冲电信号进行解调，生成速度信号；伺服分析模块D用于根据积分演算方法，将速度信号转换成位移信号。

其中，反射光路包括第一反光镜M1、第二反光镜M2、第一半透半反镜BS2、透镜E和第三反光镜M3；

经光分束器BSA分光后的其中一束激光束依次通过第一反光镜M1和第二反光镜M2反射后，通过第一半透半反镜BS2和透镜E后，照射至处于振动状态的目标体上，在多普勒效应下产生频率发生偏移的反射光；

生成的反射光经透镜E汇聚光线后，再依次经第一半透半反镜BS2和第三反光镜M3调整光轴后，照射至光学探测器B中。

参考光路包括声光调制器F和第二半透半反镜BS3；参考光经声光调制器F驱动，发生偏移，并经第二半透半反镜BS3调整光轴后，照射至光学探测器B中。

更有利的，声光调制器F为AOM布拉格盒。

本发明还公开一种基于激光多普勒测振的磁声耦合成像方法，包括以下步骤：

步骤一、利用控制模块对激励源和激光多普勒振动传感器进行参数设置；

步骤二、利用磁铁产生磁通密度向量为B

步骤三、启动激励源，产生高频激励电流至激励线圈；

步骤四、利用激励线圈产生的环形激励电流，在目标体中引发感应电流密度向量为J的感生涡流；

步骤五、感生涡流在静磁场作用下，产生洛伦兹力F＝J×B

步骤六、在控制模块的控制下，激光多普勒振动传感器沿轨道移动，对目标体进行360°扫描探测，得到目标体的振动信号；

步骤七、利用控制模块对振动信号进行处理，并根据振动信号，对目标体内部的电学参数分布进行三维重建。

其中，步骤六中激光多普勒振动传感器对目标体进行360°扫描探测，得到目标体的振动信号，具体探测过程如下：

1、利用激光多普勒振动传感器发射频率为f

2、将参考光在驱动频率f

在BS

3、将反射光与频移后的参照光在同一空间位置上发生干涉，混频成频率大小f的脉冲光。

4、对脉冲光进行光电转换和频率解调，得到多普勒频率f

f

v＝λf

其中，v表示目标体的振动速度，λ表示波长。

f

在激光多普勒测振传感器中，多选用连续波He-Ne激光器作为光源，其输出的激光束通过光分束器BS

频率为f

c是光速，由于多普勒效应，照射光频率发生了变化。多普勒频率为:

由于c＞＞v，所以

f

多普勒频移反射光通过透镜会聚光线，经BS

5、利用下式计算目标体的振幅A：A＝v/ω；

其中，ω表示目标体以角频率ω作简谐振动。

振幅A推导过程具体为：

假设振动物体以角频率ω作简谐振动，振动物体表面速度为:

v＝Aω·cos(ωt) (4)

其中，A为振幅，又因为当t→0时，cos(ωt)＝1，因此:A＝v/ω。

这样，对于振动是近似简谐振动时，假设已知振动速度和频率，根据方程(5)，就可以计算出高频振动下的位移。

在一个具体实施例中，目标体内洛伦兹力引发的表面振动位移的关系模型为：

其中，ρ为声波引起的密度变化，Cs为目标体内声速；∮

在一个具体实施例中，目标体内部的电学参数的计算公式为：

其中，σ表示目标体内部组织电导率，J表示感应电流密度向量，B

目标体内洛伦兹力引发的表面振动位移的关系模型和目标体内部的电学参数的具体推导过程如下：

基于表面振动信息的磁声耦合成像算法。将磁声耦合成像技术应用于生物体时，生物组织的声学特性与流体非常相似，磁声耦合成像的声场方程可以从流体的声学理论出发，选取声学特性均匀的模型进行研究。记洛伦兹力为F＝J×B

磁声耦合成像中，介质内的声波幅度很小，声压和密度变化也很小，可以导出线性化耦合方程：

将方程(6)中的第一个方程求梯度，并乘以

方程(6)中的第二个方程对t求导，有：

方程(7)、(8)相减，可消去变量p，有：

进一步，将质点位移定义为对质点速度的积分u＝∫vdt，代入方程(9)，有：

将

因此，可通过方程(9)、(10)的求解，得到质点位移(或速度)，进一步通过方程(11)得到声压。同理，激光多普勒测振仪测量得到目标体表面位移(或速度)后，可以通过方程(11)得到目标体表面的声压信息。

在MAT成像中，描述声压信号分布的波动方程为：

使用格林函数方法，获得方程(12)的解析解为：

其中，r和r′分别为探测器和声源的位置矢量，R＝|r-r′|为源与探测器之间的距离。假设探测器在目标体表面r

重建得到J(r′)×B

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。