基于频域的磁声耦合成像方法研究

摘要

磁声耦合成像是一种新型无创生物组织电特性功能成像技术，具有超声成像高空间分辨率和电阻抗成像高对比度的优势，在肿瘤早期诊断方面具有重要的应用价值。微弱声信号的检测和处理是磁声成像重要的研究内容，对图像对比度和成像精度起关键作用。
　　目前磁声耦合成像通常采用时域的信号检测处理方法，采用kV级高压μs窄脉冲进行激励以达到mm分辨率，其激励源设计实现难度较大，同时存在一定安全性问题，且时域方法检测易受到高频空间电磁场耦合干扰，限制了成像质量。
　　针对目前时域磁声耦合成像方法存在的问题，本文提出频域的磁声成像方法，采用kHz连续正弦信号激励，其产生的声信号在kHz频段，衰减远小于MHz频段，简化了实验成像装置。另外，频域信号的检测采用锁相放大技术，对微弱声信号频域信息的检测放大，提高了信号检测精度，实现不同频率的信号幅值相位信息的测量，通过基于频域检测的图像重建算法，实现组织声源电导率分布图像的重建。
　　本文依据波动方程建立了频域磁声耦合正问题的数学模型;基于正弦波激励，采用复平面矢量叠加求和方法，对频域磁声耦合正问题即磁声信号幅值相位进行求解;并通过数值求解和解析解，对简单电导率边界仿体边界声源进行了仿真研究，基于复平面声源矢量叠加方法分析了不同模型下的频域幅值和相位特性。搭建频域磁声成像实验系统，设计基于虚拟仪器平台的扫描检测系统的驱动控制程序，实现了成像实验系统的同步驱动控制采集和数据预处理，进行了频域方法的电导率边界模型的实验研究，验证频域磁声耦合数学模型和仿真研究结果。最后建立了频域磁声成像逆问题模型，利用优化算法对求解电导率分布的频域磁声耦合逆问题进行了仿真和实验研究。
　　仿真研究表明，不同仿体的频域幅值随着声源空间位置、介质声源幅值的变化而变化，变化规律满足频域磁声耦合模型。同时对于相同介质模型在不同频率下，其对应的幅值和相位不同，且多层介质模型声源满足单层声源矢量的叠加求和规则。频域信号包含了电导率边界分布信息，通过锁相放大方法对频域磁声信号检测，可获取该电导率信息，同时降低了激励源的要求。实验结果表明，频域相位随距离变化规律满足频域磁声耦合理论与仿真结果，对于金属电导率边界模型，输出激励幅值达到1V以下时即可检测到磁声耦合声信号。磁声信号的检测精度得到提高，检测精度可达到10-7Pa，同时空间分辨率可达到mm量级。
　　总之，本研究提出的频域磁声耦合成像方法，提高了微弱磁声信号检测精度，对实现磁声耦合介质内部电导率的检测和成像的研究具有重要意义。同时有利于降低磁声耦合激励源设计实现难度，简化磁声成像系统系统设计难度，对于磁声成像的实际应用提供了重要基础。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 背景概述

1．2 生物组织电特性的成像方法

1．3 磁声耦合成像原理概述

1．4 目前的国内外研究进展与分析

1．4．1 磁声成像声信号的理论研究

1．4．2 磁声成像声信号的仿真研究

1．4．3 磁声成像声信号的检测实验研究

1．4．4 磁声成像声信号研究进展讨论

1．5 本研究主要解决的关键问题及创新点

1．6 本文的主要内容

第二章 磁声耦合效应声信号理论基础

2．1 磁声耦合声信号产生的理论基础

2．1．1 洛伦兹力

2．1．2 磁声耦合成像介质的电学特性

2．1．3 磁声耦合声信号的产生

2．2 磁声耦合声信号的传播

2．2．1 生物组织组织声学特性

2．2．2 磁声信号介质中的传播

2．3 声信号的检测

2．3．1 预极化传声器基本结构和原理

2．3．2 预极化传声器主要参数

2．4 基于锁相放大的微弱信号的检测方法

2．4．1 锁相放大器的主要结构

2．4．2 锁相放大器的工作原理

2．5 基于数字平均的磁声耦合信号的处理方法

2．6 小结

第三章 基于频域的磁声信号研究方法的建立

3．1 频域磁声耦合成像方法的数学模型推导

3．2 频域磁声信号处理正问题求解

3．2．1 频域磁声信号正问题的一般求解方法

3．2．2 频域磁声信号正问题的激励波形的选择

3．2．3 基于正弦激励的频域磁声信号的正问题方法推导

3．3 磁声信号锁相放大检测方法理论推导

3．4 频域处理方法声源重建

3．5 小结

第四章 磁声信号的频域检测处理方法正问题的仿真研究

4．1 目的

4．2 仿真方法

4．2．1 多物理场有限元仿真方法

4．2．2 基于多物理场有限元方法的磁声耦合频域求解方法

4．2．3 激励频率研究

4．2．4 仿真设计

4．3 仿真结果

4．3．1 单层声源界面的频域特性仿真

4．3．2 双层边界声源介质的磁声信号频域特性

4．3．3 多层声源介质频域声信号仿真

4．3．4 圆形介质边界的频域磁声信号仿真

4．3．5 不同几何尺寸的矩形实心介质

4．3．6 具有不同电导率差异的多层矩形介质

4．4 小结

第五章 频域磁声耦合实验系统设计与声信号正问题实验研究

5．1 频域磁声信号检测实验系统设计

5．1．1 频域磁声成像检测实验系统主要功能模块

5．1．2 频域磁声信号检测实验系统

5．2 基于虚拟仪器的频域磁声成像系统驱动控制程序设计

5．2．1 基于虚拟仪器平台的程序设计主要函数功能模块

5．2．2 基于虚拟仪器平台的控制程序基本流程

5．2．3 频域磁声成像测量系统虚拟仪器平台的控制程序

5．2．4 频域信号检测处理系统初步实验测试

5．3 频域磁声耦合成像检测方法的实验研究

5．3．1 不同激励下的单根直导线频域磁声信号检测实验

5．3．2 不同空间位置的单根直导线频域磁声信号检测实验

5．3．3 直导线模型下频域方法的空间定位特性的分析

5．3．4 多根直导线频域信号检测实验

5．3．5 圆环形模型的实验结果

5．4 小结

第六章 基于频域信号检测处理的图像重建的初步研究

6．1 磁声耦合声信号的逆问题

6．2 基于迭代的磁声耦合声信号的逆问题求解

6．3 逆问题的初步研究

6．3．1 边界介质声源重建研究

6．3．2 检测误差对重建结果的影响

6．4 矩形介质边界声源的重建

6．5 双导线声源的实验重建结果

6．6 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 目前存在问题及解决思路

7．3 后续工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢