基于声换能器特性的三维磁感应磁声成像重建算法

为了完善磁感应磁声成像算法,使其在真实声检测系统下都适用,研究声换能器特性对磁感应磁声成像重建效果的影响。依据换能器声场分布测量数据,采用插值方法建立真实声换能器三维声场分布模型,利用格林函数法及离散化方法建立磁感应磁声成像正逆问题算法。为了验证该算法,分别采用球扫描和柱扫描方式进行仿真。基于S L CT仿真模型建立三维仿体电导率模型,用有限元方法对瞬态电磁场进行分析,根据计算的涡流分布结果,使用Matlab进行数值计算。仿真结果表明：该算法可基本重建出原始力源的分布,重建图像的相关系数分别达到98.49%和94.96%,对一般声换能器比较适用。该研究为进一步的实验研究和实验重建的精确性提供理论依据。     

感应式磁声成像正问题数学模型及仿真

就感应式磁声成像的正问题,探讨该新型功能成像方法的可行性.建立了感应式磁声成像正问题的数学模型,并利用有限元软件Comsol Multiphysics3.4进行仿真实验,得到不同电导率分布的导体内部的感应电流分布及声压分布;同时,研究了线圈与物体相对位置参数α对感应电流的影响.仿真结果表明,感应电流密度在中心位置处为零,在电导率边界处变化较大;声压分布在中心位置处为零,在边界处变化较大.仿真结果与理论推导相符,进一步说明可由声信号重建物体内部的电导率分布方法的可行性.     

基于奇异值分解方法的磁感应磁声断层重建算法

为了提高磁感应磁声成像的成像分辨率,克服低信噪比的磁声信号对磁感应磁声成像重建效果的影响,本研究基于实验系统参数及磁声声源产生传播接收过程,建立了一个磁感应磁声实验系统矩阵,采用截断奇异值分解(TSVD)方法求解了该系统矩阵的特征值及逆矩阵,并将该系统矩阵应用到磁感应磁声成像的正逆问题算法中。为了验证该算法的普适性,建立了一个具有不同形状的电阻抗分布仿体模型,使用Matlab计算数值,得到了三种不同条件下的重建结果。仿真结果证明:该算法在信噪比较高的情况下重建的电导率分布与原始电导率分布基本一致,且能够在信噪比较低的情况下较好的重建电导率分布。该研究为进一步实验研究和实验重建的精确性提供了研究基础。     

基于声学不均匀特性的磁感应磁声成像声压解析

目的 依据人体声学参数,探索磁声耦合成像声信号在声学非均匀媒介中的传播对检测结果的影响.方法 参考人体组织声学特性建立仿真模型,借助有限元分析工具进行电磁场仿真,采用时域有限差分方法求解磁声信号在仿真模型中的传播,并在自由空间采集声压信号.最后,对比研究磁声信号在声学均匀模型和声学非均匀模型中的传播过程.结果 在两个声学模型中声源分布相同,声学非均匀模型中采集的声压信号峰值数量多于声源边界,且声压峰值间的时间间隔与声源边界之间的距离不匹配.结论 初步揭示了声学非均匀特性对磁感应磁声成像的影响,为声学非均匀媒介的重建算法研究奠定了一定基础.     

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。     

磁感应磁声耦合成像声信号采集方式对比研究

目的:探讨将换能器阵列应用于磁感应磁声耦合成像技术的可能性,并将成像结果与单个换能器成像结果对比。方法:建立电导率中心对称和非中心对称组织模型,分别进行单个换能器和换能器阵列采集声信号,并重建声源分布图像。结果:对于无论是中心对称组织模型还是非中心对称组织模型,换能器阵列重建的结果均优于单个声换能器重建的结果,换能器阵列采集声信号的适应性比较好。结论:换能器阵列更适用于各种形状组织模型,具有一定的临床应用价值。     

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.     

注入式磁声成像中热声效应的初探

探究磁声成像中热声效应的影响。通过加载和不加载静磁场条件下,改变激励源的相位和幅值以及换能器的接收方向来验证铜、铝、石墨和凝胶四种不同特性样本被激发的磁声信号和热声效应信号,并进行分析。磁声成像中热声信号与激励电压的相位无关,其传播方向在各个方向都有,其幅值与激励的能量成正比。相对于其他样本而言,凝胶仿体中的热声效应的影响最大。在生物组织中进行磁声成像时,热声效应的影响不可忽略。     

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.     

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。     

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) 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.     

Investigation on magnetoacoustic signal generation with magnetic induction and its application to electrical conductivity reconstruction

A theoretical study on the magnetoacoustic signal generation with magnetic induction and its applications to electrical conductivity reconstruction is conducted. An object with a concentric cylindrical geometry is located in a static magnetic field and a pulsed magnetic field. Driven by Lorentz force generated by the static magnetic field, the magnetically induced eddy current produces acoustic vibration and the propagated sound wave is received by a transducer around the object to reconstruct the corresponding electrical conductivity distribution of the object. A theory on the magnetoacoustic waveform generation for a circular symmetric model is provided as a forward problem. The explicit formulae and quantitative algorithm for the electrical conductivity reconstruction are then presented as an inverse problem. Computer simulations were conducted to test the proposed theory and assess the performance of the inverse algorithms for a multi-layer cylindrical model. The present simulation results confirm the validity of the proposed theory and suggest the feasibility of reconstructing electrical conductivity distribution based on the proposed theory on the magnetoacoustic signal generation with magnetic induction.     

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,...     

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.     

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。     

高强度聚焦超声换能器声场的数值仿真与实验测量

目的 高强度聚焦超声(HIFU)肿瘤治疗过程中,HIFU换能器形成的声场分布是决定其治疗效果的关键因素之一,为了提高HIFU肿瘤治疗的安全性和可靠性,需要对HIFU换能器形成的声场进行预测.方法 采用时域有限差分(FDTD)法数值仿真水体内形成的声压分布与实验测量结果对比的研究方法,分析讨论了HIFU换能器在不同激励功...