一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统
阅读说明：本技术 一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统 (Nanosecond pulse electric field induced thermoacoustic signal processing method and system ) 是由 郭亮 姜文聪 王祥业 张超来 安政昂 宫礼坤 李政哲 宋立景 张秀龙 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统,属于热声成像检测领域,目标体和A,B两个电极的极板间填充绝缘油,采用电极施加纳秒宽的脉冲电压,通过超声探头采集声信号；利用有限元方法求解得到目标体的电标位,再求解目标体内的电场强度和电流密度；目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关；因目标体的热函数与其电导率分布有关,最终获得目标体声信号与电导率的分布关系。该方法具有高对比度、高分辨率、非接触测量、结构简单和穿透深度更大的优势。(The invention discloses a method and a system for processing nanosecond pulse electric field induced thermoacoustic signals, belonging to the field of thermoacoustic imaging detection.A target body and polar plates of two electrodes A and B are filled with insulating oil, the electrodes are adopted to apply nanosecond-wide pulse voltage, and an ultrasonic probe is used for acquiring acoustic signals; solving the electric potential mark position of the target body by using a finite element method, and then solving the electric field intensity and the current density in the target body; the electric field strength and current density within the target volume are related to the conductivity distribution of the target volume; because the thermal function of the target body is related to the conductivity distribution of the target body, the distribution relation between the acoustic signal of the target body and the conductivity is finally obtained. The method has the advantages of high contrast, high resolution, non-contact measurement, simple structure and larger penetration depth.)
技术领域
本发明属于热声成像检测领域，尤其涉及的是一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统。
背景技术
针对生物组织电特性参数的成像技术具有重要意义，其有望用于生物检测领域，例如在生物组织发生异常前，能够提前检测目标体并对其进行成像。然而如何深度采集目标体电特性参数获取中间信息，并进行后续准确处理一直是电特性参数成像普遍存在的难题。
目前对生物组织电特性参数成像的技术主要有磁声成像、微波热声成像、感应式热声成像等。其中，磁声成像是将目标体置于静磁场中，用注入电流或感应电流激励目标体，电流在静磁场作用下产生洛伦兹力振动形成超声波，探测超声信号，然而该技术需要磁体设备产生静磁场，提高了成像成本。
微波热声成像采用微波信号对生物组织进行辐照产生热效应激发超声信号，以超声作为载体，反映生物组织内部微波吸收率差异，得到组织吸收微波的信息，从而进行成像，但是信号在组织中的穿透深度与频率成反比，这导致微波难以透入组织内部进行成像。
感应式热声成像通过激励线圈对导电目标体施加MHz量级的交变磁场，在导电物体内部产生感应电场，进而产生焦耳热，激发热弹性的超声信号，检测超声信号进行成像，与微波热声成像相比，采用的激励源频率更低，穿透深度有所增加，但是随着与激励线圈距离的增加，其感应出的电场就会变弱，不能深入组织内部进行成像。
发明内容
本发明为了解决现有技术需要与目标体直接接触，无法深入内部获取信息以便后续成像的问题，本发明提供一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法(ns pulse electricfield induced thermo-acoustic imaging，简称nsPEFTAI)，该方法具有高对比度、高分辨率、非接触测量、结构简单和穿透深度更大的优势。
本发明提供的技术方案如下：
一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法，目标体和A，B两个电极的极板间填充绝缘油，采用电极施加纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；利用有限元方法求解得到目标体的电标位，再求解目标体内的电场强度和电流密度；因目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，且目标体的热函数与其电导率分布有关，从而最终获得目标体声信号与电导率的分布关系。
具体处理步骤优选包括：
将目标体置于目标区域内，在目标体和A，B两个电极的极板之间填充电导率为0的绝缘油，并将超声探头和目标体浸没在绝缘油当中，采用A，B两个电极对目标区域内施加一个纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；
①由于目标体由非导电介质包裹，目标体中的电场是通过电解质感应产生的，因此符合安培定律：
其中，▽是哈密尔顿算子，J是电流密度，j是虚数单位，E是电场强度，D是电位移矢量，t是时间，ω是频率，ε是介电常数，σ是电导率，由于绝缘油中电导率为0，目标体中介电常数相对于电导率大小能够忽略不计，由此在绝缘油能够忽略σ*的实部，在目标体中能够忽略σ*的虚部，即σ*＝σ；
②由于目标体内中的电场是通过电解质感应产生的，感应的磁场非常小，故采用电准静态近似，纳秒脉冲电场诱导热声成像能够描述为
其中，
③通过上式能够求得目标区域电标位进而目标区域内的电场强度能够描述为：
目标体内的电流密度J为：
J＝σE (4)
由于有电流经过，目标体会吸收焦耳热，热函数H为
H(r,t)＝σE2(r,t) (5)
④通过上式能够构建出热函数图像H(r,t)，目标体吸收焦耳热膨胀会产生超声信号，声压满足的波动方程为
其中，p为目标体激发的声源图像，c0为绝缘油中的声速，β为目标体的体积热膨胀系数，Cp为目标体的比热容；由公式(6)得目标体发出的超声信号与其电导率的分布有关，通过声信号反演能够得到目标体的电导率。
优选的，在纳秒脉冲热声成像中，利用有限元方法求解公式(2)得到目标体的电标位，再利用公式(3)和(4)求解目标体内的电场强度和电流密度；目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，电导率越高的区域，其电场强度和电流密度就越高，目标体内电流密度的值与电导率相对应；由公式(5、6)可得目标体的热函数与其电导率分布有关，内部电导率越高的区域，其热函数越大，激发的声源也越大，故声源的强度与目标体中电导率的分布相对应。
优选的，在目标体中产生感应电场需要的脉冲电压幅值为10-30KV，脉宽在10-500ns之间。
优选的，利用纳秒脉冲热声成像方法分别建立简单模型和复杂模型两仿真模型进行仿真模拟分析，为纳秒脉冲热声成像的实际检测提供理论指导。
更优选的，在目标区域内感应产生一个电场，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声探头接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声探头接收到的热声信号(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声探头的脉冲响应函数h(t)的卷积，即
式(7)表明，超声探头接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声探头的响应特性。
本发明还提供一种纳秒脉冲电场诱导热声成像系统，具体采用上述热声信号处理方法进行处理。
本发明综合技术方案及综合效果包括：
纳秒脉冲电场诱导热声成像继承了传统热声成像无创、高对比度的优点。
1、与磁声成像相比，本发明方法不需要静磁场，省去了磁体设备，进一步降低了设备成本和复杂度。更重要的问题是在重建过程中，避开了声源奇异性问题，更易实现快速成像。
2、与微波热声成像相比，本发明的nsPEFTAI允许更低的功率进行高效的成像，并且具有便携式成像的潜力。原因在于本领域目标体多是非磁性的，并且对磁场的响应接近真空，同时，激励源的频率降低，使得磁场穿透组织更深，不受含钙区域等高阻屏蔽效应，避免了其他辐射方法那样大的反射(反射系数>70％)，也避免了高介电常量的组织内部沉积电场的影响，提高了能量转换效率。
3、与感应式热声成像相比，采用高压脉冲电流作为激励源，避免了随着与激励源距离的增加感应电场减小的情况，穿透深度更大。
附图说明
图1为本发明实施例1纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法中的成像系统结构示意图。
图2为本发明实施例1纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法中的纳秒脉冲电压示意图。
图3为本发明实施例2纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，目标体电导率仿真模型图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图4本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，目标体仿真模型电场强度示意图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图5本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，目标体仿真模型电流密度示意图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图6本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，目标体仿真模型的热函数在1μs时刻的分布图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图7本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，目标体仿真模型的热函数在t＝1μs时刻，y＝0.035直线上随着x变化的分布图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图8本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，仿真的原始声信号图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
图9本发明实施例纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法的仿真分析中，仿真超声探头接收到的信号图，(a)简单模型，(b)复杂模型。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法，如图1所示，目标体和A，B两个电极的极板间填充绝缘油，采用电极施加纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；利用有限元方法求解得到目标体的电标位，再求解目标体内的电场强度和电流密度；因目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，且目标体的热函数与其电导率分布有关，从而最终获得目标体声信号与电导率的分布关系。
具体处理步骤包括：
将目标体置于目标区域内，在目标体和A，B两个电极的极板之间填充电导率为0的绝缘油，并将超声探头和目标体浸没在绝缘油当中，采用A，B两个电极对目标区域内施加一个纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；
①由于目标体由非导电介质包裹，目标体中的电场是通过电解质感应产生的，因此符合安培定律：
其中，▽是哈密尔顿算子，J是电流密度，j是虚数单位，E是电场强度，D是电位移矢量，t是时间，ω是频率，ε是介电常数，σ是电导率，由于绝缘油中电导率为0，目标体中介电常数相对于电导率大小能够忽略不计，由此在绝缘油能够忽略σ*的实部，在目标体中能够忽略σ*的虚部，即σ*＝σ；
②由于目标体内中的电场是通过电解质感应产生的，感应的磁场非常小，故采用电准静态近似，纳秒脉冲电场诱导热声成像能够描述为
其中，
③通过上式能够求得目标区域电标位进而目标区域内的电场强度能够描述为：
目标体内的电流密度J为：
J＝σE (4)
由于有电流经过，目标体会吸收焦耳热，热函数H为
H(r,t)＝σE2(r,t) (5)
④通过上式能够构建出热函数图像H(r,t)，目标体吸收焦耳热膨胀会产生超声信号，声压满足的波动方程为
其中，p为目标体激发的声源图像，c0为绝缘油中的声速，β为目标体的体积热膨胀系数，Cp为目标体的比热容；由公式(6)得目标体发出的超声信号与其电导率的分布有关，通过声信号反演能够得到目标体的电导率。
在纳秒脉冲热声成像中，利用有限元方法求解公式(2)得到目标体的电标位，再利用公式(3)和(4)求解目标体内的电场强度和电流密度；目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，电导率越高的区域，其电场强度和电流密度就越高，目标体内电流密度的值与电导率相对应；由公式(5、6)可得目标体的热函数与其电导率分布有关，内部电导率越高的区域，其热函数越大，激发的声源也越大，故声源的强度与目标体中电导率的分布相对应。
在目标体中产生感应电场需要的脉冲电压幅值为10-30KV，脉宽在10-500ns之间。
实施例2
利用实施例1所述纳秒脉冲热声成像方法，分别建立简单模型和复杂模型两仿真模型进行仿真分析。
具体的，本实施例建立的仿真模型如图3所示，图3(a)和3(b)分别是简单模型和复杂模型：
图3(a)和图3(b)***的圆形模拟正常组织，其半径为0.08m，圆心为(0.06,0.06)m，电导率为1S/m上极板施加的电压U(t)＝100g(t)V，
图3(a)内部的正方形模拟异常组织，中心位置为(0.06,0.06)m，边长为0.03m，电导率为5S/m。
图3(b)内部的椭圆形和正方形模拟异常组织，椭圆的中心位置为(0.03,0.06)m,椭圆的长半轴和短半轴分别是0.04m和0.02m，其电导率为5S/m，正方形的中心为(0.1,0.06)m，边长为0.03m，其电导率为5S/m。
在求解电场强度时，利用有限元方法对式(2)求解，能够得到目标体的电标位，然后利用式(3)和式(4)求解目标体内的电场强度和电流密度，在t＝1μs时，计算得到简单模型和复杂模型电场强度如图(4)中(a)和(b)所示，此时简单模型和复杂模型中电流密度如图(5)中(a)和(b)所示。
从图(4)和图(5)中能够看出，随着目标体的内部结构变得复杂，其电场强度和电流密度分布也趋于复杂化，内部电导率高的区域其电流密度也大，并且目标体中电流密度的模值和目标体电导率的变化相对应，电导率比较大的区域中电流密度也大，电导率小的区域中电流密度也变小，电导率均匀的区域中电流密度并不是均匀的。
仿真得到的简单模型和复杂模型中热函数在1μs时刻的分布分别如图(6)中(a)和(b)所示。图(7)中(a)和(b)分别是简单模型和复杂模型的热函数在t＝1μs时刻，y＝0.035直线上随着x变化的分布图。
由图(6)和图(7)能够看出，对于目标体内部电导率复杂的模型，热函数的分布也趋于复杂，目标体中热函数与目标体电导率的变化相对应，内部电导率比较高的区域，其热函数也比较大，激发的声源也大。因此，声源的强度与目标体中电导率的分布存在着对应关系，但是电导率均匀的区域中热函数并不是均匀的。
在脉冲电场诱导热声成像中，在目标区域内感应产生一个电场，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声探头接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声探头接收到的热声信号(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声探头的脉冲响应函数h(t)的卷积，即
式(7)表明，超声探头接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声探头的响应特性。
下面分别是对图(3)中的简单模型和复杂模型激发的声信号进行的模拟仿真：
将目标体和超声探头均放置于绝缘油中，其电导率为0，目标体和绝缘油声速为1404m/s。先通过纳秒脉冲电场诱导热声成像正问题求得声压，然后利用式(7)将仿真得到的声压与超声探头的脉冲响应进行卷积，能够求解得超声探头最终测得的信号。
超声换能器的中心频率为1MHz，将超声探头放置于距远点0.08m的位置，此时的声压波形如图(8)所示，其中图(a)所示为简单模型产生声压，图(b)所示为复杂模型产生的声压；超声探头接收到的声信号随着时间的变化曲线如图(9)所示，其中图(a)所示为简单模型产生的声信号，图(b)所示为复杂模型产生的声信号。
从仿真的声信号分布曲线能够看出，声信号幅值发生变化的位置与仿真模型电导率变化的位置相对应：
图8(a)和图9(a)为简单模型的声信号波形，简单模型激发的四个脉冲信号通过与超声探头卷积后得到四个波簇，这四个波簇分别与目标体电导率变化的位置相对应。第一个波簇对应于声波从模拟正常组织的***圆形的边界(0.04,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08-0.04)/1404≈28.5μs；第二个波簇对应声波从模拟异常正方形靠近超声探头边界(0.015,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08-0.015)/1404≈46.3μs；第三个波簇对应声波从模拟异常正方形远离超声探头边界(-0.015,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08+0.015)/1404≈67.7μs；第四个波簇对应声波从模拟正常组织圆形的第二个边界(-0.04,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08+0.04)/1404≈85.5μs。
图8(b)和图9(b)为复杂模型的声信号波形，复杂模型激发的四个个脉冲信号通过与超声探头卷积后得到四个波簇，这四个波簇分别与目标体电导率变化的边界相对应。第一个波簇对应声波从模拟异常正方形靠近超声探头边界(0.045,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08-0.045)/1404≈25μs。第二个波簇对应声波从模拟异常正方形的第二个边界(0.015,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08-0.015)/1404≈46.3μs；第三个波簇对应声波从模拟异常椭圆形靠近超声探头边界(-0.02,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08+0.02)/1404≈71.2μs；第四个波簇对应声波从模拟异常椭圆的第二个边界(0.01,0)m传播到超声探头位置的时间，即(0.08+0.04)/1404≈85.5μs。
因此，超声探头测得的声信号也能够反映模型电导率的变化情况，此仿真结果能为纳秒脉冲热声成像的实际检测提供理论指导。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在说明书的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。
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