磁声成像的五自由度扫描装置设计及实验研究

摘要

磁声成像作为一种新型功能成像方式，将电磁能转化为声能，以生物组织电特性为成像特征值，反映组织的生理、病理状态，该方法具有无创、高对比度和高空间分辨率等优点，对于肿瘤的早期检测具有潜在的应用价值。在磁声成像研究中，扫描方式、扫描运动控制精度、样本特性及信号检测处理对磁声信号、电导率分布重建具有重要意义。
　　本文研制了五自由度运动控制及精确定位装置，采用National Instrument运动控制及信号采集平台，实现了声换能器沿X、Y、Z方向平移以及沿Z轴旋转，样本载物盘沿Z轴360°旋转。使用LabVIEW软件编程，可实时数据采集、显示与存储。对装置的定位精度进行了测试，并以铜环为样本进行了手动控制与电机控制的电导率成像精度对比，结果表明定位装置能够满足磁声成像实验要求。
　　在此基础上，本文设计了一种平移圆周的运动控制扫描方式，对双层石墨样本，应用Comsol Multiphysics及matlab软件仿真，并开展物理实验。开发了基于平移圆周扫描的电导率重建算法，并重建样本电导率分布。由于实验中样本与耦合剂声速不同，重建图像产生畸变，对声速进行修正后，电导率重建图像与样本具有较好的一致性。
　　同时，本研究对磁声信号频率向低频偏移现象进行了研究，以铜导线、铜片及石墨为样本模型开展了仿真和实验研究。结果表明，声换能器与样本间的距离及样本声特性的改变，均对信号频率具有一定影响。
　　此外，本文对凝胶仿体制备方法和参数特性进行了研究。对仿体电导率进行测量，为后期仿体制作及实验提供电导率参考值，有效提高了实验效率。针对实验过程中仿体离子流失问题进行了初步研究，其研究结果表明在一定程度上能够减小离子的流失。
　　总之，本文研制了五自由度运动实验装置，开展了平移圆周扫描方式的磁声成像实验，对磁声信号进行了时频分析，优化了凝胶仿体的制备工艺。为不同扫描方式的磁声信号检测及成像，进一步揭示磁声耦合成像机制开展研究工作建立了实验条件。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景介绍

1．2 生物电导率成像方法

1．3 国内外研究现状

1．4 本文重点与结构

1．5 本章小结

第二章 磁声耦合成像理论基础

2．1 生物电特性与声特性

2．1．1 生物组织电特性

2．1．2 生物组织的声特性

2．2 磁声耦合成像理论基础

第三章 五自由度磁声成像实验装置设计

3．1 磁声成像实验平台介绍

3．1．1 声换能器特性介绍

3．1．2 稳恒磁场

3．1．3 实验平台介绍

3．2 五自由度系统装置

3．2．1 五自由度控制平台机械设计

3．2．2 五自由度系统运动精度测量

3．2．3 手动及电机控制圆周扫描成像对比

3．3 本章小结

第四章 平移圆周扫描方式的运动控制及实验

4．1 基于LabVIEW的检测装置运动控制系统设计

4．1．1 LabVIEW平台简介

4．1．2 五自由度系统装置硬件系统

4．1．3 LabVIEW程序设计主要函数功能模块

4．2 平移圆周扫描设计实现

4．2．1 平移圆周扫描方式

4．2．2 扫描装置运动控制及数据采集实现

4．3 仿真实验设计

4．3．1 Comsol Multiphysics仿真软件

4．3．2 仿真模型建立

4．4 物理实验设计

4．5 电导率重建结果对比

4．6 本章小结

第五章 磁声信号频率变化现象研究

5．1 频率变化现象影响因素研究

5．1．1 耦合介质传播衰减作用影响

5．2 声源叠加影响因素

5．3 声特性差异的影响

5．4 本章小结

第六章 用于磁声成像实验的电导率仿体制备

6．1 仿体制作及电导率测量

6．1．1 仿体制作及电导率测量介绍

6．1．2 实验组与测试结果

6．2 仿体制备的改进

6．2．1 新仿体制备

6．2．2 两种制备方式性能对比

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

研究生期间发表论文

研究生期间发表专利

研究生期间参与科研项目

致谢