CN102085096A - 注入电流式磁声耦合成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物组织电特性信息获取技术领域。为提供一种注入电流式磁声耦合成像装置，为注入电流式磁声耦合成像的实验开展提供条件，本发明采用的技术方案是，包括：中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，介质仿体，电机驱动扫描单元，检测处理单元，和数据存储与显示单元，中心控制单元与其他各单元连接，以提供其他各单元的同步和控制信号；激励单元对介质仿体产生任意波形激励脉冲信号；稳恒磁场单元对介质单元提供稳恒磁场；介质仿体产生的声信号由电机驱动扫描单元驱动传感器扫描、接收并转换成电信号；电信号经过检测处理单元的处理，由数据存储与显示单元进行存储与显示。本发明主要应用于生物组织电特性信息的获取。

Description

注入电流式磁声耦合成像装置

技术领域

本发明涉及生物组织电特性信息获取技术领域，具体讲，涉及注入电流式磁声耦合成像装置。

背景技术

生物组织电特性信息有助于了解组织电生理特性，从而为疾病的早期诊断提供依据。由于电阻抗技术成像空间分辨率不高，磁声耦合成像克服了上述缺点，兼具电阻抗成像的功能参数高对比度与超声成像高空间分辨率的优点，同时该方法还具有逆问题良态、重建算法相对简单的优点，目前已经成为功能成像领域一个新的研究热点。

根据激励的方式不同，磁声耦合成像分为电流注入式和感应式两种。由于感应式磁声耦合，通过磁场耦合产生的感应电流进行激励，而成像的检测器容易受到磁场干扰，对于信号的检测将造成很大影响。而注入式磁声耦合避免了通过磁场的能量变换，从而避免了检测器受到磁场的干扰，

国内外有很多研究机构对该方法展开研究。然而目前的研究主要处于理论模型和模拟仿真阶段，目前的实验也仅停留在较简单的生物组织神经电流检测的研究上，而利用该原理进行的成像实验并未深入开展。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种注入电流式磁声耦合成像装置，为注入电流式磁声耦合成像的实验开展提供条件，从而为该方法理论研究及实验的更加深入的研究，以及将来的医学临床应用打下基础，本发明采用的技术方案是，注入电流式磁声耦合成像装置，包括：中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，电机驱动扫描单元，检测处理单元、数据存储与显示单元，中心控制单元与其他各单元连接，以提供其他各单元的同步和控制信号；激励单元对被测生物体产生任意波形激励脉冲信号；稳恒磁场单元对介质单元提供稳恒磁场；被测生物体产生的声信号由电机驱动扫描单元驱动传感器扫描、接收并转换成电信号；电信号经过检测处理单元的处理，由数据存储与显示单元进行存储与显示。

所述中心控制单元包括计算机，GPIB接口，LabVIEW虚拟仪器操作平台，所述中心控制单元通过GPIB接口与其他各单元连接，中心控制单元提供其他各单元的同步和控制信号。

所述激励单元由函数发生器，功率放大器组成，用于提供任意波形激励脉冲信号。

所述稳恒磁场单元提供稳恒磁场，包括电磁铁，直流供电电源，和磁场传感器，及磁场测试装置。

所述被测生物介质与所述激励单元通过电极相连，实现激励。

所述电机驱动扫描单元实现传感器对实验仿体的扫描，所述电机驱动扫描单元由步进电机驱动器，步进电机组成。

所述检测处理单元接收被测生物介质受激励产生的声信号，并进行放大滤波处理，由数据采集卡进行同步触发采集信号，并利用数据处理模块进行处理，最后形成输出，所述检测处理单元由声传感器，低噪声放大器，滤波器组成，数据采集卡构成。

所述数据存储与显示单元在同步信号的驱动下完成数据的存储与显示，所述数据存储与显示单元由磁盘阵列和示波器组成。

本发明具有如下技术效果：由于本发明采用了中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，电机驱动扫描单元，检测处理单元，和数据存储与显示单元结构，因而本发明能够实现对被测物施加电流刺激，测量被测物产生的声波信号，形成图像显示；此外，本发明还具有测试准确可靠的特点。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是本发明的激励单元。

图3是本发明的稳恒磁场单元。

图4是本发明的电机驱动扫描单元。

图5是本发明的被测生物介质。

图6是本发明的检测处理单元。

图7是本发明的数据存储与显示单元。

图8是本发明的***工作过程。

其中，

1：中心控制单元

2：激励单元

3：稳恒磁场单元

4：被测生物介质

5：电机驱动扫描单元

6：检测处理单元

7：数据存储显示单元

8：函数发生器

9：功率放大器

10：电磁铁

11：直流供电电源

12：磁场传感器

13：磁场测试装置

14：电极

15：步进电机驱动器

16：步进电机

17：声传感器

18：低噪声放大器

19：滤波器

20：数据采集卡

21：数据处理模块

22：磁盘阵列

23：示波器。

具体实施方式

注入电流式磁声耦合成像装置，包括：中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，电机驱动扫描单元，检测处理单元和数据存储与显示单元。

所述中心控制单元由计算机，GPIB接口，及LabVIEW虚拟仪器操作平台实现。所述中心控制单元通过GPIB接口与各子单元连接，中心控制单元提供其他各单元的同步和控制信号。

所述激励单元提供任意波形激励脉冲信号。所述激励单元由函数发生器，功率放大器组成。实验中，激励单元脉冲波形选择或编程产生正弦脉冲，矩形脉冲，高斯脉冲或其他任意波形，脉宽为μs-ms级的脉冲，以达到cm级的分辨率，输出电压范围为100mV-100V。

所述稳恒磁场单元提供稳恒磁场，包括电磁铁，直流供电电源，和磁场传感器，及磁场测试装置。所述稳恒磁场单元用于提供磁声耦合效应的静磁场。所述稳恒磁场单元产生磁场的磁感应强度为1mT-1T，并可实时检测。

所述被测生物介质可根据实验目的进行选择。

所述被测生物介质与所述激励单元通过电极相连，实现激励。

所述电机驱动扫描单元实现传感器对实验仿体的扫描，所述电机驱动扫描单元由步进电机驱动器，步进电机组成。扫描步进角度为1.8°，扫描范围为360°。

所述检测处理单元接收被测生物介质受激励产生的声信号，并进行放大滤波处理，由数据采集卡进行同步触发采集信号，并利用数据处理模块进行处理，最后形成输出。所述检测处理单元由声传感器，低噪声放大器滤波器组成，数据采集卡，和数据处理模块组成。所述检测处理单元检测精度达到10-3Pa量级，带宽为1MHz。

所述数据存储与显示单元在同步信号的驱动下完成数据的存储与显示。所述数据存储与显示单元由磁盘阵列和示波器组成。所述存储显示单元存入容量可达1TB。

所述一种注入电流式磁声耦合成像实验***，具体的工作过程如下：

***工作时，由中心控制单元通过GPIB接口与各子单元通信，向其他各子单元发送命令，

1.各子单元启动。

2.由中心控制单元对各子单元进行参数设置。

3.由激励单元输出激励信号，通过电极注入被测生物介质内，在稳恒磁场单元提供稳恒磁场的情况下，即可激发产生声信号。

4.检测处理单元对信号进行接收。

5.检测处理单元对信号检测处理，包括放大滤波等。

6.由数据存储显示单元进行数据存储，与实时显示。

7.若扫描未结束，则由电机驱动扫描单元驱动步进电机移动一定角度，并重复3-6的工作步骤；若扫描结束，则整个***工作结束。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图6，磁声耦合成像的基本原理是，对置于稳恒磁场中的介质仿体，通过电极对介质仿体注入电流，电流受到洛仑兹力的作用，产生瞬间的位移，形成声波振动，并且振动的频率与注入的电流频率相同。此时，在介质仿体外部利用声波换能器即可检测到声波响应，结合相应的图象重建算法，即可重建出介质放体的电特性(如电导率)分布的图像。生物组织是电介质，不同的生物组织及同一组织在病变情况下其电特性会发生变化，磁声耦合的成像方法，目的在于得到生物组织内电特性的信息，从而实现早期的功能诊断。

根据电磁学理论，介质内部受到洛仑兹力作用，

dF＝Idl×B

其中l为长度单元，F为洛仑兹力，B为静磁场，I为注入介质仿体的电流。

根据欧姆定律，

I＝U/R

当激励单元提供的电压一定时，则介质仿体内的电流密度分布与介质参数有关。

同时，由电磁学和声学理论可知，声压大小与稳恒磁场，介质内部电流密度，介质仿体的电参数密切相关

${\▿}^{2}p-\frac{1}{c_s^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2}=\▿\·(J\×B)$

其中，

为超声在介质仿体中的传播速度，ρ₀为介质密度，β_s为绝热压缩系数，p为声压，J为电流密度，B为稳恒磁场。

综上，可以推导得出，在已知稳恒磁场和激励电压的情况下，对于一个电导率参数分布确定的介质仿体，声压大小与电导率有关，即振动声源位于介质内电导率变化的界面处强度较大。利用换能器在介质仿体外部检测到的超声脉冲信号随时间的变化曲线，反映了沿此传播方向上介质内部电导率的变化。因此，通过位于介质仿体外换能器检测的声信号即可得到沿传播方向的电导率界面的位置。

一种注入电流式磁声耦合成像实验***，包括中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，介质仿体，电机驱动扫描单元，检测处理单元，和数据存储与显示单元。

所述中心控制单元由计算机，GPIB接口，及LabVIEW虚拟仪器操作平台实现。所述中心控制单元通过GPIB接口与各子单元连接，中心控制单元提供其他各单元的同步和控制信号。

所述激励单元由函数发生器，功率放大器组成，函数发生器型号为泰克AFG3252，功率放大器型号为HSA4104。所述激励元提供任意波形电流脉冲信号。

由中心控制单元对函数发生器和功率放大器进行参数设置和输出控制。输出的电压信号通过电极在仿体介质内形成注入电流，

已有研究表明，MAT-MI的成像分辨率与脉冲宽度有关，而且其正比于声速与脉冲宽度之积，为了能够获得更高分辨率的组织电导率分布图像，理想情况下脉冲磁场的激励信号应采用变化率大且脉宽很窄的波形。考虑对介质内大小为Δl的目标(如组织中的肿瘤)成像，则由换能器检测到成像目标边界的前后两个信号脉冲，如图2所示，设其间隔为Δt，有

Δl＝c_s·Δt

为了使成像分辨率达到毫米级，激励单元输出的脉冲信号脉宽应小于1μs量级。激励脉冲可选择使用正弦脉冲或矩形脉冲。

所述稳恒磁场单元提供稳恒磁场，包括电磁铁，直流供电电源，和磁场传感器，及磁场测试装置。电磁铁型号英普SBV-380，可达到最大2.4T的磁感应强度，电磁铁直流供电电源型号为Agilent-6684A，磁场传感器型号为Lakeshore HMNT-4E04-VR，磁场测试装置型号为Lakeshore 460。

所述稳恒磁场单元用于提供磁声耦合效应的静磁场。由中心控制单元对直流供电电源进行控制，同时控制磁场测试装置，由磁场传感器对磁感应强度进行测量。

所述被测生物介质可根据实验目的，设计其尺寸大小。可使用如猪肉等动物组织，或添加有一定比例盐的琼脂块，或者金属块如铜块等进行实验。

所述被测生物介质与所述激励单元通过电极相连，实现激励。电极由0.5mm-1mm线径的铜金属丝或铝金属丝实现。

所述电机驱动扫描单元由步进电机驱动器，步进电机组成。***工作时，由步进电机驱动器驱动步进电机旋转特定角度，如1.8°进行扫描，扫描范围为360°。扫描的同时，在激励单元的激励下，由被测生物介质产生的声信号，通过检测处理单元接收。步进电机型号为NI-NEMA23，驱动器型号为P70530。

所述检测处理单元由声传感器，低噪声放大器滤波器组成，数据采集卡，和数据处理模块组成。

所述检测处理单元接收被测生物介质受激励产生的声信号，并进行放大滤波处理，由数据采集卡进行同步触发采集信号，并利用数据处理模块进行处理，最后形成输出。声传感器型号为Olympus V303，低噪声放大器型号为NF-SA230F5，滤波器型号为nf 3628，数据采集卡型号为NI PXIe-5122。数据处理模块可采用平均叠加算法进行1000次以上的叠加平均计算。

所述数据存储与显示单元由磁盘阵列和示波器组成。所述数据存储与显示单元在同步信号的驱动下完成数据的存储与显示。磁盘阵列型号为NI-8262，示波器型号为泰克TDS2012B。

综上所述，所述一种注入电流式磁声耦合成像实验***，具体的工作过程如下，参见图9：

***工作时，由中心控制单元通过GPIB接口与各子单元通信，向其他各子单元发送命令，

1.各子单元启动。

2.由中心控制单元对各子单元进行参数设置。

3.由激励单元输出激励，通过电极注入介质仿体内，在稳恒磁场单元提供稳恒磁场的情况下，即可激发产生声信号。

4.检测处理单元对信号进行接收。

5.检测处理单元对信号检测处理，包括放大滤波等。

6.由数据存储显示单元进行数据存储，与实时显示。

7.若扫描未结束，则由电机驱动扫描单元驱动步进电机移动一定角度，并重复3-6的工作步骤；若扫描结束，则整个***工作结束。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。本发明中的中心控制单元还可使用单片机，或者数字处理***完成。本发明中所述的显示存储单元还可使用液晶显示器，及固态硬盘组成。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，包括：中心控制单元，激励单元，稳恒磁场单元，电机驱动扫描单元，检测处理单元，数据存储与显示单元，中心控制单元与其他各单元连接，以提供其他各单元的同步和控制信号；激励单元对被测生物体产生任意波形激励脉冲信号；稳恒磁场单元对介质单元提供稳恒磁场；被测生物体产生的声信号由电机驱动扫描单元驱动传感器扫描、接收并转换成电信号；电信号经过检测处理单元的处理，由数据存储与显示单元进行存储与显示。

2.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述中心控制单元包括计算机，GPIB接口，LabVIEW虚拟仪器操作平台，所述中心控制单元通过GPIB接口与其他各单元连接，中心控制单元提供其他各单元的同步和控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述激励单元由函数发生器，功率放大器组成，用于提供任意波形激励脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述稳恒磁场单元提供稳恒磁场，包括电磁铁，直流供电电源，和磁场传感器，及磁场测试装置。

5.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，被测生物体与所述激励单元通过电极相连，实现激励。

6.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述电机驱动扫描单元实现传感器对实验仿体的扫描，所述电机驱动扫描单元由步进电机驱动器，步进电机组成。

7.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述检测处理单元接收被测生物体受激励产生的声信号，并进行放大滤波处理，由数据采集卡进行同步触发采集信号，并利用数据处理模块进行处理，最后形成输出，所述检测处理单元由声传感器，低噪声放大器，滤波器组成，数据采集卡构成。

8.根据权利要求1所述的一种注入电流式磁声耦合成像装置，其特征是，所述数据存储与显示单元在同步信号的驱动下完成数据的存储与显示，所述数据存储与显示单元由磁盘阵列和示波器组成。

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