基于ANSYS的磁声耦合效应声源的分布建模与仿真

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种近年来提出的新型生物电阻抗成像方法,在理论与实验方面仍有很多问题值得研究和探讨,本研究设计仿真实验分析磁声耦合效应产生声源的分布及特点。结合电磁场理论分析MAT-MI声源与电导率分布、激励磁场、静态磁场和感应电场的关系,基于有限元方法构建了三维霍姆赫兹线圈和双层导体立方体的仿真模型,借助有限元分析软件ANSYS进行时变电磁场有限元分析,得到不同电导率导体内部的感应电流分布及声源分布。并应用电磁场分析的结果得到感应涡电流分布及声源分布。仿真结果表明,均匀介质内部和两种不同电导率介质分界面上都存在MAT-MI声源,但感应涡电流密度和声源在电导率边界处变化较大。     

基于乳腺肿瘤模型的感应式磁声成像正问题研究

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗成像高对比度和超声断层扫描技术高空间分辨率的优点。本研究结合电磁场理论推导了MAT-MI在电导率均匀媒质内部和电导率发生突变的两种不同媒质分界面上的声源计算公式,揭示了MAT-MI声源与电导率的关系。模拟物理环境构建三维柱状线圈和乳腺肿瘤模型,借助有限元分析软件ANSYS进行时变电磁场分析,并应用电磁场有限元分析的结果,计算乳腺和肿瘤内部及边界的声激励源分布,应用自由空间波动方程格林函数解计算MAT-MI空间声场分布。仿真结果表明,所推导的计算公式能够直接应用电磁场有限元分析的结果,有效地计算乳腺肿瘤模型的声源和空间声场分布,MAT-MI将是乳腺肿瘤早期筛查、检测和诊断的一种潜在的和有效的医学辅助手段。     

组织电导率性质对磁感应磁声耦合成像声源强度的影响

针对部分生物组织电导率分布具有各向异性的特点,对磁感应磁声耦合成像的声源强度特征进行理论分析,推导不同电导率性质的声源强度公式,并运用COMSOL Multiphysics5.5建立生物组织电导率模型,进行电磁场仿真分析求解,用Matlab 2016a计算其振动声源。结果证明,在同样磁场激励条件下,电导率各向同性和各向异性的声源分布都能反映生物组织的层析结构,但其强度不同。本研究为磁感应磁声耦合成像逆问题声源的精确重建提供了理论基础。     

基于声换能器特性的磁感应磁声成像正问题分析

目的在考虑声换能器特性的基础上,对磁感应磁声成像的正问题进行研究,并探讨其声源的产生、传播及接收机制。方法参考CT的三维Phantom仿真模型建立磁感应磁声成像正问题的模型,并结合电磁场理论利用有限元软件comsol仿真分析模型内部电导率分布与磁场和磁感应电场的关系,得到模型内部的磁感应电流分布。然后再深入研究声偶极子模型,并检测分析声换能器的特性后,给出相应的仿真声信号检测结果。结果磁感应电流密度在中心位置处为0,在电导率边界处变化较大,声换能器的检测声场分布和声偶极子传播的指向性会极大的影响声换能器接收到的磁声信号的值。结论为磁感应磁声成像实验研究及由声信号重建物体内部的电导率分布提供理论基础。     

电流注入式磁声耦合成像技术仿真研究

目的:电流注入式磁声耦合成像技术是一种新型的生物组织电特性工程成像方法,具有高分辨率和高对比度的优点。探讨电流注入式磁声耦合成像的工作原理,为成像系统实验平台的设计提供理论参考,为真实生物组织电导率的成像奠定基础。方法:结合电场、磁场、超声耦合理论,运用有限元建模分析软件COMSOL Multiphysics建立电导率仿体模型,并进行电磁场分析,获得电导率仿体的电流密度分布。利用数学工具Matlab获得磁声成像声场分布,进而重建仿体模型声源。结果:从电磁场分析结果获知电导率的分布反映了仿体模型的结构形状,电流场为一无旋场,重建的声源图像精确地反映了仿体模型电导率的分布,与仿体模型的层析结构形状、尺寸高度一致。结论:电流注入式磁声成像为组织电阻抗分布的重建提供了一种新的方法,该进一步研究磁声耦合成像的理论与实验打下了基础。     

感应式磁声成像中的磁热声效应研究

探究感应式磁声成像中的磁热声效应, 分析磁声声源与热声声源分布及幅值特征。建立磁声及热声声源表达式, 数值仿真多层电导率仿真模型的感应电流分布、磁声+热声声源分布及声压信号, 对两种声源分布及重建结果进行比较。为验证仿真结果, 建立磁声成像实验平台, 采用导电橡胶圈仿体分别开展磁声和热声圆周扫描实验, 并对磁声和热声信号幅值和声源重建结果进行比较分析。仿真结果表明, 磁声声源分布集中在电导率边界处, 而热声声源分布展宽, 并且在边界和内部均有分布;磁声声源的最大值是热声声源的15倍。实验结果表明, 热声声压信号峰-峰值是混合信号的1/4。热声信号重建的声源图像在边界处更模糊, 磁声信号的声源重建图像边界清晰但存在伪影。仿真和实验结果均证明, 磁声成像中同时存在热声效应。从热声声源的分布及热声信号与磁声信号的幅值关系中可见, 热声效应在一定程度上会对磁声成像结果产生影响。     

基于时间反演方法的三维磁感应磁声成像电导率重建

磁感应磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗功能成像和超声技术高空间分辨率的优点.本研究构建三维柱状线圈和二层同心球模型以模拟成像物理环境,借助有限元软件ANSYS分析瞬态电磁场,并根据分析结果,进行MAT-MI正问题声场计算,应用时间反演法进行电导率的重建.仿真结果表明,MAT-MI能够较好重建生物组织的电导率分布.     

频域磁声耦合成像逆问题初步研究

对频域磁声耦合成像方法逆问题进行初步研究,为实现基于频域处理方法的磁声电导率成像打下基础。应用复平面矢量方法,基于声源和频域幅值相位特性,研究频域磁声成像逆问题数学模型和重建方法。对频域磁声信号随声源空间位置和幅度变化特性进行仿真,对简单模型不同声源分布的频域逆问题进行仿真重建。建立多频率下的声源幅值和相位矢量方程组,利用非线性方程组的优化算法求解声源信息。利用铜丝仿体,对矢量求解方法和逆问题声源重建进行实验验证。频域幅值和相位满足复平面声源矢量叠加理论。利用矢量方法,初步实现两个声源样本的声源幅度和位置的重建,成像分辨率小于1 cm,实验的声源重建位置误差小于±0.4 mm。通过对频域磁声成像逆问题的重建研究,为后续进行复杂模型和真实组织的频域磁声重建研究打下基础,对实现高分辨率成像具有重要研究意义。     

基于连续波的频域磁声耦合成像方法正问题研究

磁声耦合成像常用的时域信号检测方法易受到电磁干扰,限制成像质量。提出频域磁声成像方法,通过锁相放大实现微弱声信号的检测,提高信号检测精度。本研究建立了频域磁声耦合正问题数学模型,基于正弦波激励,对简单电导率边界模型进行了仿真研究和实验验证。仿真研究表明信号频域幅值相位反映了介质声源分布。实验验证了仿真结果,实现了声源幅值锁相检测和空间定位,检测精度达到10-7Pa,实现了激励电流低于1m A下的声检测。本研究提出的频域磁声耦合成像方法,有利于提高微弱磁声信号检测精度,在低频激励下实现高分辨率成像,对实现磁声耦合成像的介质内部电导率研究具有积极意义。     

基于不同几何模型的感应式磁声成像声源重建仿真

感应式磁声成像是一种新型功能成像技术,能够反映组织电导率变化信息.生物组织结构和电导率分布复杂,且电导率存在非突变的或者连续过渡的边界.为深入研究更为真实的生物组织电导率分布与变化特点,本研究从不规则的几何模型出发,建立了单线圈激励下的偏心球、正方体、椭球和电导率连续分布的球模型,借助有限元分析,研究仿真模型中的感应涡流分布并计算空间声场,应用时间反演法进行声源重建,同时分析了检测范围对重构图像的影响.仿真结果表明,感应式磁声成像能够有效地重构区分组织电特性的声源分布图像,探测器检测范围的有限性会使重构图像轮廓失真.本研究为感应式磁声成像实用技术的研究提供了较好的理论基础.     

Magnetoacoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI) for breast tumor imaging: numerical modeling and simulation

Magnetoacoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI) was recently introduced as a noninvasive electrical conductivity imaging approach with high spatial resolution close to ultrasound imaging. In this study, we test the feasibility of the MAT-MI method for breast tumor imaging using numerical modeling and computer simulation. Using the finite element method, we have built three-dimensional numerical breast models with varieties of embedded tumors for this simulation study. In order to obtain an accurate and stable forward solution that does not have numerical errors caused by singular MAT-MI acoustic sources at conductivity boundaries, we first derive an integral forward method for calculating MAT-MI acoustic sources over the entire imaging volume. An inverse algorithm for reconstructing the MAT-MI acoustic source is also derived with spherical measurement aperture, which simulates a practical setup for breast imaging. With the numerical breast models, we have conducted computer simulations under different imaging parameter setups and all the results suggest that breast tumors that have large conductivity in contrast to the surrounding tissue as reported in the literature may be readily detected in the reconstructed MAT-MI images. In addition, our simulations also suggest that the sensitivity of imaging breast tumors using the presented MAT-MI setup depends more on the tumor location and the conductivity contrast between the tumor and its surrounding tissue than on the tumor size.     

磁声耦合成像声信号检测的实验研究

对磁声耦合成像进行原理性验证实验研究.从不同的几何模型出发,分别建立了圆线圈、矩形线圈和三角形铜线圈模型作为成像目标,置于稳恒磁场中,同时对其施加正弦脉冲信号,用中心频率为1 MHz的声传感器检测铜线圈在磁声耦合作用下产生的声信号,在不同位置、不同角度检测产生的声信号并进行分析处理.实验结果表明,超声传感器采集的声信号...     

Magnetoacoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI)

We report our theoretical and experimental investigations on a new imaging modality, magnetoacoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI). In MAT-MI, the sample is located in a static magnetic field and a time-varying (micros) magnetic field. The time-varying magnetic field induces an eddy current in the sample. Consequently, the sample will emit ultrasonic waves by the Lorentz force. The ultrasonic signals are collected around the object to reconstruct images related to the electrical impedance distribution in the sample. MAT-MI combines the good contrast of electrical impedance tomography with the good spatial resolution of sonography. MAT-MI has two unique features due to the solenoid nature of the induced electrical field. Firstly, MAT-MI could provide an explicit or simple quantitative reconstruction algorithm for the electrical impedance distribution. Secondly, it promises to eliminate the shielding effects of other imaging modalities in which the current is applied directly with electrodes. In the theoretical part, we provide formulae for both the forward and inverse problems of MAT-MI and estimate the signal amplitude in biological tissues. In the experimental part, the experimental setup and methods are introduced and the signals and the image of a metal object by means of MAT-MI are presented. The promising pilot experimental results suggest the feasibility of the proposed MAT-MI approach.     

生物感应式磁声成像的研究现状

生物感应式磁声(MAT-MI)成像是一种新型功能成像技术,融合电磁技术、超声技术和多物理场探测与成像技术,具有电阻抗成像的高对比度以及超声扫描成像的高空间分辨率的特点,能够反映生物组织的电导率变化信息,达到对病变组织进行早期诊断的目的。将MAT-MI与内窥检测技术相结合,则可直接检测生物腔体组织(如鼻腔、消化道以及血管等)病变的情况,为腔体组织疾病的诊断和治疗提供更及时可靠的依据。在分析MAT-MI的成像原理的基础上,对其正/逆问题的研究现状进行综述,并探讨内窥感应式磁声成像的可行性以及所面临的技术难点。     

磁声成像方法的研究进展

磁声成像技术（MAT）是电阻抗成像与超声成像相结合的一种方法。感应式磁声成像方法是将被测样本置于静磁场和交变磁场中,交变磁场在样本中产生涡流,涡流受到洛仑兹力作用而激发出超声波,通过检测超声信号重建电阻抗的分布。应用感应式磁声成像方法可以获得较高分辨率的图像和灵敏度,对临床辅助诊断具有重要意义。并在此基础上提出了无需旋转静磁场的感应式磁声成像方法。     

感应式磁声成像中的三维电磁场正逆问题研究

感应式磁声成像技术是近年来发展起来的一种新的电阻抗成像方法,是超声成像技术与传统电阻抗成像相结合的产物.本文基于电磁场基本理论,研究了感应式磁声成像中的电磁场正逆问题,推导了感应式磁声成像中的三维电磁场逆问题计算公式,提出一种不需要旋转静磁场的逆问题重建方法,建立了三维仿真模型并进行了数值计算实验.结果验证了该方法的正确性和可行性,得到了分辨率较高的电导率绝对值图像.     

Fourier-domain biophotoacoustic subsurface depth selective amplitude and phase imaging of turbid phantoms and biological tissue

A novel photothermoacoustic imaging modality utilizing a frequency-swept (chirped) intensity-modulated laser source and coherent frequency domain signal processing ("biophotoacoustics") was introduced for noninvasive imaging of biological tissues. The developed frequency-domain imaging system takes advantage of linear frequency modulation waveforms to relate depth of tissue chromophores to the frequency spectrum of the detected acoustic response and of a narrow signal detection bandwidth to improve signal-to-noise ratio (SNR). Application of frequency-domain photothermoacoustic (FD-PTA) imaging was demonstrated using turbid phantoms and ex-vivo specimens of chicken breast with embedded absorbing inclusions simulating tumors.     

The effects of change in lead stimulus modality on the modulation of acoustic blink startle

In two experiments we investigated the effect of generalized orienting induced by changing the modality of the lead stimulus on the modulation of blink reflexes elicited by acoustic stimuli. In Experiment 1 (n = 32), participants were presented with acoustic or visual change stimuli after habituation training with tactile lead stimuli. In Experiment 2 (n = 64), modality of the lead stimulus (acoustic vs. visual) was crossed with experimental condition (change vs. no change). Lead stimulus change resulted in increased electrodermal orienting in both experiments. Blink latency shortening and blink magnitude facilitation increased from habituation to change trials regardless of whether the change stimulus was presented in the same or in a different modality as the reflex-eliciting stimulus. These results are not consistent with modality-specific accounts of attentional startle modulation.