开放式磁感应成像原理及成像试验研究

磁感应成像是一种新型的功能性成像.提出一种开放式的磁感应成像技术,采用A-法分析开放式磁感应成像的正问题,给出二维圆形场域内的涡流场分布.在涡流密度的表达式中,含有磁矢位和标量电位.磁矢位的计算采用含全椭圆函数的近似计算公式,标量电位的计算采用Galerkin有限元法.绘出了场域内的涡流流向和涡流密度幅值分布图.在理论分析的基础上,进行了水槽实验,分析了系统的稳定性和灵敏度,并给出了初步的二维成像结果.成像结果表明,开放式磁感应成像技术可以用于区分低电导率差异的生物体组织.     

基于伽辽金有限元法的磁感应断层成像正问题仿真

磁感应断层成像（MIT）的正问题计算为系统建模和研究提供了重要依据,由于MIT中涡流场微分方程的非正定性,增加了MIT正问题计算的复杂度。本研究提出一种基于伽辽金有限元法的正问题求解方法,该方法对微分算子无特殊要求,解决了涡流场微分方程非正定性的问题,利用该方法对成像区域内的磁场分布、涡流强度以及检测线圈的相位差等参数进行了分析。计算结果表明,成像区域内磁感应强度的幅值主要由实部决定,而虚部对场域内电导率的变化较为敏感,因此,可以用磁感应强度的虚部进行图像重建。同时,与目标导体的位置越近、激励线圈的位置越远,检测线圈中的相位差值越大;同一位置的目标导体,检测线圈的相位差与电导率大小成线性关系。经理论推导与仿真实验的验证,所采用的伽辽金有限元法能够有效求解MIT正问题,进而为MIT硬件系统的测量及重建算法的研究提供实验参考和理论依据。     

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。     

三维磁共振磁感应成像重建方法研究

对三维磁共振磁感应成像技术进行原理性研究。针对非均匀电导率模型推导了正逆问题的原理公式,重建算法将逆问题求解中的三维问题转化为二维问题,提高了计算速度。仿真实验证明,只通过一次计算即可得到较为理想的重建结果,且误差在可接受范围内,为三维磁共振磁感应成像重建算法的进一步研究提供了参考。     

脑磁感应断层成像

脑磁感应断层成像技术具有功能成像和连续图像监护的优点。与其它电磁成像技术相比,可以克服颅骨的屏障影响,并可获得较高的空间分辨率。在脑成像方面具有潜在的应用前景。从实验系统、数值仿真、系统性能和关键问题等方面综述了脑磁感应断层成像技术的研究进展。     

生物磁感应成像中的高精度鉴相方法研究

用磁感应的方式测量组织的电导率是生物磁感应成像的基础,其测量精度将决定成像的质量.目前主要的测量方法是采用高频磁场作为激励,通过检测磁场穿过被测目标后的微小的相位变化来测量电导率.激励磁场的频率较高和生物组织电导率较小等因素增加了高精度鉴相的难度.已经应用于磁感应成像的鉴相方法存在分辨率不高线性度较差等问题.为此,设计并实现了一种高分辨率高线性度的鉴相方法,其相位分辨率为0.003°,线性相关系数大于0.99,提高了磁感应成像的精度.     

磁感应断层成像及其实验室设计

本文回顾了磁感应断层成像技术的发展历史及现状 ,指出了其研究意义。介绍了磁感应断层成像技术的原理及其实验室设计模型 ,分析了设计方法的特点 ,给出了系统结构和重构结果 ,并指出了磁感应断层成像技术发展的前景     

磁感应方法检测脑组织电导率的FDTD仿真研究

为进一步优化和改进MIT（magnetic induction tomography，MIT）实验系统，采用FDTD（finite difference time domain）方法，对MIT单通道测罱系统进行仿真研究。根据天线理论，将激励线圈近似为螺线管，模拟为一系列电磁源。脑模型考虑颅骨、脑脊液、脑组织和水肿。在10MHz频率，测最与激励线圈同轴时，对自由空间、均匀脑模型、三层脑模型和含水肿的三层脑模型进行仿真计算，获得了上述四种情况下测量线圈上的电流值和激励电流与测量电流的相位差值。     

磁感应断层成像磁力线反投影算法研究

磁感应断层成像利用涡流原理,在成像区域边界对内部磁场变化进行测量,再经过重建,获得内部电导率分布图像。其中,反投影作为一种快速重建算法,经常被应用于断层成像技术。但是,由于成像区域内磁场分布的非线性,大大降低了反投影成像的定位精度。研究检测线圈测得的相位差与成像区域磁场分布之间的关系,根据测量相位差即为成像区域内电导率分布沿磁力线路径投影的集合这一结论,设计一套适用于磁感应断层成像的反投影算法,利用成像区域磁力线的分布,构建反投影路径和区域,改善直线反投影应用于非线性场定位不准的问题。重建实验结果表明,在直径为200 mm的成像区域内,所提出算法的最小定位误差为1 mm,相对直线反投影算法提高了2～26 mm,同时重建图像在视觉质量上也有很大提高,为磁感应断层成像技术提供一种有效的重建算法。     

磁感应成像重构算法的研究进展

磁感应成像（MIT）是一种无创和非接触的针对生物组织电导率分布的功能性电阻抗成像技术。MIT有以下优点:穿透性好、快速、便捷、低成本和无创,故其在医学成像上有很好的应用前景。MIT的研究包括系统结构、传感器、正问题和重构算法几个方面。本文阐述在MIT成像原理的基础上,对其重构算法的研究现状进行综述,对主要的重构算法进行归纳总结,分析几种算法的特点和应用领域,最后指出未来的研究趋势。     

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.     

超声弹性成像中的逆问题求解方法

超声弹性成像通常只能得到组织在外部压缩作用下的纵向应变分布.超声弹性成像逆问题的求解,即重建组织内部的弹性模量分布,具有重要的意义.本文提出一种利用组织的应力-应变关系和基于有限元分析的迭代计算方法,从组织的纵向应变分布重建出组织的弹性模量分布.对平面应变状态下的均匀组织内含一圆形异物的模型和弹性模量连续过渡的模型分别进行了计算机仿真.结果初步验证了该方法的可行性.     

颅骨对磁感应断层成像信号检测影响的仿真与实验研究

采用仿真和实验研究颅骨对磁感应断层成像（MIT）信号检测的影响。使用Comsol软件建立3层球形仿真颅脑模型,仿真计算颅骨电导率对MIT信号检测的影响。使用螺线管线圈、后置电路及数据接收仪器搭建单通道磁感应信号测量实验系统,利用琼脂和NaCl溶液制作与真实颅脑电导率分布相近的脑出血分层模型,模型外径为158 mm;最后采用有颅骨和无颅骨两种模型,测量无病变及不同病变位置情况下MIT信号的相位变化,模型中心与检测线圈相距85 mm。实验结果显示,在无病变和病变分别位于X-Y平面上坐标为（-40,0）、（0,0）和（40,0）的位置时,有、无颅骨数据的幅值比例分别为0.57、0.59、0.42、0.61,其中,坐标点（-40,0）代表Y轴左侧距离激励线圈45 mm的位置,坐标点（40,0）代表Y轴右侧距离接收线圈45 mm的位置。当病变存在时,有、无颅骨数据的变化趋势均为：病变位于坐标点（-40,0）时最大,病变位于坐标点（40,0）时次之,病变位于坐标点（0,0）时最小。实验结果表明,颅骨对MIT信号的数据大小有衰减作用,但不影响数据的变化趋势,提示在实际应用中结合高精度检测设备,可实现颅内病变的无创、无接触图像监测。     

双激励线圈磁感应断层成像的可行性研究

研究磁感应断层成像中两个激励线圈相对于单个激励线圈时增强被测对象内部磁感应强度的可行性。利用电磁场数值计算软件Comsol Multiphysics,在三维球形头模型外周设置单个激励线圈或呈不同夹角的两个激励线圈(夹角分别设置为30°、60°、90°、120°、150°、180°),分别计算中心有病变组织和无病变组织时中心位置的磁感应强度,并加以比较。中心无病变组织时,除夹角为180°外,中心位置的磁感应强度约为单激励线圈的2倍;中心有病变组织时,除夹角为180°外,随夹角增大中心位置的磁感应强度从单激励线圈的2倍开始逐渐增大;除夹角为180°外,有病变和无病变时中心位置的磁感应强度的变化量随夹角的增大而逐渐减小,但是夹角小于90°时该变化量大于单激励线圈的变化量。两激励线圈夹角为180°时,无论中心有无病变组织,中心位置的磁感应强度均减小。结果表明:双激励线圈较单激励线圈有可能增大被测对象内的磁感应强度;通过合理选择双激励线圈的夹角,有可能放大被测对象内部病变组织导致的磁感应强度的变化;两者均可改善磁感应断层成像。     

绝缘性容器壁对磁感应断层成像相位检测的影响研究

研究绝缘性容器对磁感应断层成像相位检测的影响关系。使用绝缘性的有机玻璃制作容器,其内充入饱和CaSO_4溶液,将其置入充入饱和CaSO_4溶液的圆柱形水槽式物理模型之中,分别测量置入容器前后的磁感应相位差。选择两种尺寸的有机玻璃容器,分别进行上述实验过程。使用实心有机玻璃棒逐步浸入饱和CaSO_4溶液之中,每下降1 cm测量一次磁感应相位差,绘制相位差随浸入深度的变化曲线。两种有机玻璃容器壁的体积与磁感应相位差的比例相近,相位差随浸入深度的变化曲线近似呈线性关系。绝缘性的有机玻璃容器对磁感应相位的测量值有影响,减小容器壁的体积可减轻这种影响。     

基于Monte Carlo方法的荧光分子断层成像前向问题的研究

Monte Carlo (MC)方法由于很好的灵活性和较高的精度被广泛应用于光在组织迁移问题的研究中.运用该方法,对第一类荧光分子断层成像系统中激发光的传播规律进行了研究.经过MC模型的建立与仿真,得到了均一圆柱仿体媒质中各探测器接收光强与仿体半径的关系.研究结果表明,成像系统各探测器接收到的光强对于入射光源成良好的空间对称性.各探测器接收光强与圆柱仿体半径呈指数衰减关系.     

Cardiac Position Sensitivity Study in the Electrocardiographic Forward Problem Using Stochastic Collocation and Boundary Element Methods

The electrocardiogram (ECG) is ubiquitously employed as a diagnostic and monitoring tool for patients experiencing cardiac distress and/or disease. It is widely known that changes in heart position resulting from, for example, posture of the patient (sitting, standing, lying) and respiration significantly affect the body-surface potentials; however, few studies have quantitatively and systematically evaluated the effects of heart displacement on the ECG. The goal of this study was to evaluate the impact of positional changes of the heart on the ECG in the specific clinical setting of myocardial ischemia. To carry out the necessary comprehensive sensitivity analysis, we applied a relatively novel and highly efficient statistical approach, the generalized polynomial chaos-stochastic collocation method, to a boundary element formulation of the electrocardiographic forward problem, and we drove these simulations with measured epicardial potentials from whole-heart experiments. Results of the analysis identified regions on the body-surface where the potentials were especially sensitive to realistic heart motion. The standard deviation (STD) of ST-segment voltage changes caused by the apex of a normal heart, swinging forward and backward or side-to-side was approximately 0.2 mV. Variations were even larger, 0.3 mV, for a heart exhibiting elevated ischemic potentials. These variations could be large enough to mask or to mimic signs of ischemia in the ECG. Our results suggest possible modifications to ECG protocols that could reduce the diagnostic error related to postural changes in patients possibly suffering from myocardial ischemia.     

Single-Step 3-D Image Reconstruction in Magnetic Induction Tomography: Theoretical Limits of Spatial Resolution and Contrast to Noise Ratio

Magnetic induction tomography (MIT) is a low-resolution imaging modality for reconstructing the changes of the complex conductivity in an object. MIT is based on determining the perturbation of an alternating magnetic field, which is coupled from several excitation coils to the object. The conductivity distribution is reconstructed from the corresponding voltage changes induced in several receiver coils. Potential medical applications comprise the continuous, non-invasive monitoring of tissue alterations which are reflected in the change of the conductivity, e.g. edema, ventilation disorders, wound healing and ischemic processes. MIT requires the solution of an ill-posed inverse eddy current problem. A linearized version of this problem was solved for 16 excitation coils and 32 receiver coils with a model of two spherical perturbations within a cylindrical phantom. The method was tested with simulated measurement data. Images were reconstructed with a regularized single-step Gauss–Newton approach. Theoretical limits for spatial resolution and contrast/noise ratio were calculated and compared with the empirical results from a Monte-Carlo study. The conductivity perturbations inside a homogeneous cylinder were localized for a SNR between 44 and 64 dB. The results prove the feasibility of difference imaging with MIT and give some quantitative data on the limitations of the method.     

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。