張順起，周曉青，殷　濤，劉志朋

頻域磁聲耦合成像實驗系統(tǒng)研究

張順起，周曉青，殷濤，劉志朋

目的：研究設(shè)計頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，以實現(xiàn)組織樣本的電導率成像。方法：采用連續(xù)波正弦信號激勵產(chǎn)生磁聲信號，利用鎖相放大器進行磁聲信號的頻域幅值和相位的檢測，設(shè)計基于虛擬儀器的磁聲成像實驗系統(tǒng)控制程序，進行金屬模型的磁聲信號實驗驗證。結(jié)果：設(shè)計的頻域磁聲成像實驗系統(tǒng)信號幅值檢測精度明顯提高，達到10-7Pa，實現(xiàn)了磁聲信號聲源的空間定位，定位精度達到mm級。結(jié)論：設(shè)計的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)實現(xiàn)了低頻激勵下高分辨率聲源定位，對于磁聲耦合聲源理論的研究以及提高磁聲成像的精度具有重要意義。

磁聲耦合成像；頻域；實驗系統(tǒng)；鎖相放大

0　引言

生物組織電特性反映了生物組織生理和病理狀態(tài)[1-2]，通過對其進行檢測和成像[3-4]有助于相關(guān)疾病的早期診斷。磁聲成像技術(shù)是一種新型的生物組織電特性成像技術(shù)[5-6]，它通過交變電流激勵施加于生物組織，產(chǎn)生振動并形成聲波[7]，接收到該聲壓信號后即可獲得待測組織的電導率信息[8]，實現(xiàn)生物組織電特性的檢測和成像。磁聲耦合無損功能成像方法同時具有電阻抗成像高對比度[9]及超聲成像高空間分辨率[10]的特點，對腫瘤等疾病的早期診斷具有重要的研究價值。

目前，磁聲耦合成像正處于實驗室研究階段，國內(nèi)外有多篇文獻對此方法進行報道[11-17]。目前報道主要采用基于短脈沖的激勵與檢測模式，使用10 kV級高壓μs短脈發(fā)生器產(chǎn)生激勵[12-13]，該激勵源涉及高速高壓開關(guān)控制技術(shù)，實現(xiàn)具有難度。該方法信號相對直觀，重建算法相對簡單，但是由于信號噪聲比有限，檢測精度低，限制了成像質(zhì)量。另有文獻報道采用鎖相放大方法檢測磁聲耦合生物電流[6]，可提高檢測精度，但僅獲得了單一頻率的幅值，尚無法獲得聲源空間位置信息，進而實現(xiàn)成像。

本研究提出并設(shè)計了新型頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，通過低頻連續(xù)波進行磁聲信號激勵，采用鎖相放大實現(xiàn)微弱聲信號幅值、相位的檢測。研究中進行了基于虛擬儀器的頻域磁聲成像系統(tǒng)控制程序設(shè)計，并對連續(xù)波頻域磁聲成像方法進行實驗驗證。本文設(shè)計的頻域磁聲耦合成像實驗系統(tǒng)對后續(xù)研究驗證磁聲耦合聲源理論以及提高磁聲成像精度具有重要意義。

1　理論方法

1.1頻域磁聲耦合成像方法的數(shù)學模型

頻域內(nèi)的磁聲耦合波動方程[12]為

其中，P（r，jω）為頻域磁聲耦合聲信號；F為介質(zhì)質(zhì)點受到的洛倫茲力密度；若設(shè)電流密度為J，靜磁場為B0，則F=J×B0；S（jω）為激勵函數(shù)頻譜；H（jω）為磁聲成像系統(tǒng)函數(shù)的傅里葉變換，為角頻率；c為介質(zhì)中的聲速。利用格林函數(shù)，根據(jù)分離變量法[11]，求解得到頻域磁聲耦合聲信號表達式：

其中，F(xiàn)=J×B0，▽·F為介質(zhì)聲源項，根據(jù)本構(gòu)關(guān)系歐姆定律J=σE，可見，聲源項包含了介質(zhì)電導率信息。ejω|r-r0|/c反映了介質(zhì)各質(zhì)點到檢測器距離形成的頻域相位延遲。為聲波在距離上的傳輸系數(shù)，將反映在頻域的幅Δ值信息中。由此可見，頻域磁聲信號即為介質(zhì)聲源▽·F與延遲在檢測點r0處的空間積分。

1.2基于連續(xù)波的磁聲信號鎖相放大檢測方法

本研究采用鎖相放大方法實現(xiàn)對頻域磁聲信號幅值和相位的檢測，鎖相放大框圖如圖1所示[18-19]。

圖1　鎖相放大框圖

設(shè)待測磁聲耦合信號為正弦激勵，則

其中，AMP為幅值；PHA為相位。當鎖相放大器參考信號頻率與待測磁聲信號頻率相同時，即

經(jīng)過模擬乘法器后，

由于f（r，t）中包含了成像系統(tǒng)函數(shù)h（t），該參數(shù)反映了成像系統(tǒng)中包括聲傳感器、放大器等元器件的頻率特性，可視為濾波器。代入sin（ω1t）激勵頻譜，可得：

當成像系統(tǒng)確定時，系統(tǒng)函數(shù)h（jω1）確定，將其作為常數(shù)進行計算，因此得到：

經(jīng)過內(nèi)部低通濾波后得到：

再經(jīng)過相敏檢波得到包含介質(zhì)電導率信息及其空間分布的幅值和相位，實現(xiàn)對與磁聲耦合成像微弱聲信號對應(yīng)頻率的分量幅值和相位的檢測。

2　實驗系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)頻域磁聲成像的信號激勵以及基于鎖相放大方法的信號檢測，本研究設(shè)計建立了頻域磁聲耦合成像實驗系統(tǒng)，編制了實驗系統(tǒng)控制程序。

2.1磁聲成像系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

頻域磁聲信號實驗檢測系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由信號發(fā)生激勵模塊、掃描驅(qū)動模塊和信號檢測處理模塊組成。

圖2　頻域磁聲成像實驗檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

信號發(fā)生激勵模塊主要由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器以及靜磁場發(fā)生裝置組成。其主要功能為對實驗樣本模型施加電流激勵和靜磁場，生成磁聲耦合聲信號。

掃描驅(qū)動模塊由運動控制卡及其配套連接器、步進電動機及驅(qū)動器以及磁聲成像空間掃描定位裝置組成。主要實現(xiàn)傳感器的運動定位和驅(qū)動以及空間位置的定位檢測。

信號檢測處理模塊由聲傳感器及其前置放大器、鎖相放大器及數(shù)據(jù)采集卡等組成。主要實現(xiàn)頻域磁聲信號的檢測和采集處理。

2.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作時，由NI Lab VIEW虛擬儀器平臺通過GPIB接口對實驗系統(tǒng)各模塊進行控制。通過虛擬儀器面板實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器輸出參數(shù)、激勵波形的設(shè)置和輸出控制。由功率放大器進行功率輸出，激勵靜磁場中的樣本，靜磁場在磁極中心半徑5cm、高10cm的圓柱形空間內(nèi)均勻分布，磁感應(yīng)強度0.3 T。函數(shù)發(fā)生器同時輸出同步時鐘信號，提供鎖相放大參考。同時，虛擬儀器平臺通過運動控制卡（PXI7340）進行運動控制，輸出控制代碼，經(jīng)由連接器輸入到步進電動機驅(qū)動器進行編碼，驅(qū)動步進電動機進行角度步進。步進電動機（NEMA23）最小步進角為1.8°。由空間掃描定位裝置驅(qū)動傳感器進行定位檢測，空間掃描定位裝置可實現(xiàn)5軸驅(qū)動，即x、y、z軸平移以及傳感器和樣本的轉(zhuǎn)動，x軸絲杠齒距為3 mm，y軸絲杠齒距為4 mm，z軸絲杠齒距為3 mm。聲傳感器進行由聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換檢測，其采用預極化傳聲器（MP201），頻率響應(yīng)在6.3 Hz～20 kHz，開路靈敏度為50 mV/Pa。經(jīng)過前置放大后，由鎖相放大器根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的同步參考信號進行對應(yīng)頻率的檢測，鎖相放大器（LI5640）最小檢測電壓精度為nV，相位精度為0.01°。最后由信號采集卡（PXI5922）進行采集處理和存儲。

2.3基于虛擬儀器的系統(tǒng)控制程序設(shè)計

為了實現(xiàn)頻域磁聲檢測實驗系統(tǒng)的儀器驅(qū)動、運動控制和信號采集，本研究基于虛擬儀器平臺進行了頻域成像系統(tǒng)控制程序設(shè)計，實現(xiàn)了信號的激勵與鎖相放大檢測、信號采集與運動控制。程序框圖如圖3所示。

圖3　頻域磁聲成像系統(tǒng)Lab VIEW虛擬儀器平臺控制程序

3　結(jié)果

為了驗證和測試本研究設(shè)計的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對磁聲信號幅值的檢測精度及相位對聲源的定位精度，本研究利用頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對金屬絲樣本進行了實驗研究。

3.1聲信號檢測實驗研究

3.1.1不同激勵磁聲信號的檢測實驗

實驗采用單根直導線作為聲源，通過設(shè)置不同的激勵研究頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)對磁聲信號幅值的檢測精度以及相位與聲源位置的對應(yīng)關(guān)系。實驗裝置與圖2一致。

設(shè)置靜磁場0.4 T，激勵頻率10 kHz，檢測距離0.1m。設(shè)置不同量級的電流激勵，強度由0.1mA～1A，鎖相放大檢測頻域磁聲信號幅值和相位，信號經(jīng)過512次平均。幅值和相位檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同激勵下的直導線聲源的磁聲信號鎖相放大幅值和相位測量結(jié)果

由不同激勵下磁聲信號的幅值、相位實驗結(jié)果可見，在激勵電流大于1 mA情況下，幅值與激勵呈現(xiàn)線性關(guān)系，即在大于此激勵水平下，可測得對應(yīng)激勵的磁聲信號。由于檢測器與聲源相對位置不變，因此可見相位曲線在該范圍內(nèi)為恒定值。同時注意到，當激勵小于1 mA時，磁聲信號受到噪聲影響，檢測存在一定誤差，此時檢測到的信號為隨機噪聲。

以上實驗結(jié)果說明，利用連續(xù)波激勵方法，對于金屬絲模型，當激勵信號達到mA級即可檢測到磁聲信號，計算可知精度明顯提高，達到10-7Pa量級。

3.1.2不同空間位置聲源的定位特性

基于前述實驗，進一步對連續(xù)波激勵下磁聲成像頻域的幅值和相位與聲源空間位置的對應(yīng)關(guān)系進行實驗研究，選擇不同檢測位置進行頻域信號檢測，研究頻域方法對于聲源的空間定位特性。

設(shè)激勵為1V，靜磁場為0.4T，檢測距離為0.1m，檢測距離由2、5、10、15、20 mm……逐漸增大，描記幅值、相位隨距離的變化曲線，信號經(jīng)過512次平均。幅值檢測結(jié)果如圖5（a）所示，相位檢測結(jié)果如圖5（b）所示。

由不同檢測距離下的頻域磁聲信號實驗檢測結(jié)果可見，隨著聲源與檢測器距離的增加，傳播時間延遲t增加，頻域相位發(fā)生變化，不同相位對應(yīng)不同距離。一個周期內(nèi)相位與空間距離呈現(xiàn)線性關(guān)系，對于5、10、20 kHz頻率，10 mm距離變化對應(yīng)的頻域信號相位變化分別為25、50和100°左右，與理論仿真結(jié)果一致。同時由于鎖相放大器相位角檢測范圍在-180～180°之間，可見相位曲線呈周期性變化，其周期與信號周期一致。經(jīng)過對曲線360°跳變的修正后，相位曲線如圖5（c）所示，曲線呈現(xiàn)近似直線變化，證明了聲源位置的移動導致相位產(chǎn)生了對應(yīng)變化，系統(tǒng)可實現(xiàn)基于相位的聲源定位。

圖5　不同距離下直導線聲源的磁聲信號鎖相放大幅值相位測量結(jié)果

另外，從實驗結(jié)果可見，幅值曲線在距離60～80 mm附近與理論計算結(jié)果近似相同。同時由于受到環(huán)境噪聲、測試裝置對聲波的反射散射以及電路導線噪聲等影響，導致相位檢測結(jié)果與理論值具有一定誤差，在60 mm以外位置，經(jīng)過相位補償后計算可知，測量的相對誤差小于±6%。

3.1.3頻域成像系統(tǒng)的空間定位精度分析

由前面實驗可見，頻域信息尤其是相位反映了聲源的空間位置，為了驗證頻域成像系統(tǒng)對介質(zhì)聲源位置的定位精度，本研究通過頻域磁聲成像系統(tǒng)驅(qū)動步進電動機精密移動，檢測不同移動距離下的磁聲信號相位改變。

設(shè)初始檢測距離為0.1 m位置處，消除絲杠運動空回后，通過設(shè)置步進電動機帶動轉(zhuǎn)軸絲杠運動0.1、1、10 mm，測量信號相位變化，經(jīng)過512次實驗測量統(tǒng)計平均值以及標準差，從而獲得頻域磁聲信號對于空間距離變化的定位性能。實驗結(jié)果見表1。

表1　不同移動距離下相位檢測精度實驗結(jié)果

由表1可見，對于0.01和0.1 mm的距離變化，其相位變化的標準差大于信號檢測值，無法進行信號相位的檢測和估計；對于1 mm以上的距離變化，信號相位檢測標準差小于信號測量值。由實驗結(jié)果可見，本研究設(shè)計的頻域磁聲成像實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)mm級信號的空間定位。

4　討論與結(jié)語

本文設(shè)計了頻域磁聲耦合成像實驗系統(tǒng)，基于連續(xù)正弦波進行了磁聲信號激勵，基于鎖相放大進行了磁聲信號檢測。利用虛擬儀器平臺進行了磁聲耦合成像系統(tǒng)的驅(qū)動控制程序設(shè)計，開展了基于連續(xù)波方法的磁聲成像系統(tǒng)性能測試實驗。實驗結(jié)果表明，頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)可實現(xiàn)10-7Pa的聲壓檢測精度。相比于傳統(tǒng)時域檢測方法，檢測精度明顯提高。同時，本研究設(shè)計的頻域磁聲成像系統(tǒng)聲源的空間定位精度達到mm級。

總之，本研究設(shè)計的頻域磁聲耦合成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了低頻kHz激勵下的mm分辨率的聲源定位，有利于降低磁聲耦合激勵源設(shè)計實現(xiàn)難度，對于提高微弱磁聲信號檢測精度、進行介質(zhì)內(nèi)部聲源相關(guān)理論的研究以及提高成像精度具有重要意義。

本文僅對頻域磁聲成像相關(guān)的系統(tǒng)和實驗研究開展了初步的工作，目前尚存在一定問題，包括：（1）實驗樣本采用金屬絲模型，由于頻域方法對于幅值相位測量相對靈敏，對于多根金屬邊界其各條金屬線之間的形狀無法實現(xiàn)完全一致，形狀的微小差別會導致頻域幅值和相位測量數(shù)據(jù)上存在變化，其檢測穩(wěn)定性有待加強；（2）目前，成像系統(tǒng)對聲信號的測量仍會受到噪聲影響，噪聲的屏蔽性能需要進行改進。需要進一步開展的工作包括：（1）相對復雜模型的研究，如多層電導率模型、基于人體組織器官分布的復雜模型；（2）考慮其他波形激勵方式，適當提高成像范圍；（3）設(shè)計噪聲屏蔽裝置，減小噪聲引起的誤差，進一步提高信號檢測精度。

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（收稿：2014-10-27修回：2015-02-09）

System study on magneto-acoustic imaging in frequency domain

ZHANG Shun-qi,ZHOU Xiao-qing,YIN Tao,LIU Zhi-peng
(Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China)

Objective To design a new frequency domain magnato-aoustic imaging system to image the conductivity of medium.Methods A continuous sine wave signal was adopted to stimulate the MAT signal.The lock-in technique was applied to measuring the amplitude and phase of the magneto-acoustic signal.The drive control program of the imaging system was designed using virtual instrument tools.The experiments were conducted on the phantom made of coper wire. Results The amplitude precision was improved up to 10-7Pa,while the system could locate the sonic source with locating precision of millimeter.Conclusion A new magneto-acoustic imaging system is proposed with high locating precision as well as low frequency excitation,which is significative to the study on the sonic source theory and improvement of the imaging precision.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：1-5]

magneto-acoustic imaging;frequency domain;experiment system;lock-in amplification

[中國圖書資料分類號]R318；TH776A

1003-8868（2015）05-0001-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.001

國家自然科學基金重點項目（51137004）；國家自然科學基金面上項目（81171424）；天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)青年項目（13JCQNJC14000）

張順起（1984—），男，博士，助理研究員，主要從事醫(yī)學電磁成像方面的研究工作，E-mail:zhangshunqi2004@126.com。

300192天津，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所（張順起，周曉青，殷濤，劉志朋）

劉志朋，E-mail:lzpeng67@163.com