磁光声联合内窥图像仿真的研究

摘要

脉冲回波式超声成像可以获得生物组织或器官的解剖结构信息，光声和感应式磁声成像能够反映组织的功能成分变化。单一的成像技术不能全面、详尽地描述生物组织的结构和功能信息，将三种成像方式相结合，得到磁光声（magneto-photo-acoustic，MPA）联合成像，则可综合光声信号发射阶段超声检测较高的分辨率以及磁声信号检测时较高的分辨率和灵敏度，对早期病变组织进行精准的定位和功能成像。将MPA成像与内窥检测技术进行结合，即磁光声联合内窥成像（endoscopic magneto-photo-acoustic，EMPA），能及时有效地对生物腔体组织（如消化道、肠道和血管等）进行观察和诊断。 本文的研究目的是对EMPA联合成像进行建模和数值仿真，得到EMPA的计算机仿真图像。首先，分别对超声脉冲作用于腔体组织产生超声回波信号的过程、短脉冲激光照射腔体组织产生光声信号的过程以及静磁场和脉冲磁场共同作用于腔体组织产生磁声信号的过程进行数值仿真。然后，对超声换能器在腔体内周向旋转扫描时，分时采集到的超声回波信号、光声信号和磁声信号，采用自适应加权融合算法进行融合，得到联合成像信号，进而得到腔体横截面的EMPA图像。 本文采用含有病变组织的生物腔体计算机仿真模型（包括几何结构模型和声学/光学/电磁参数模型）验证算法的可行性。实验结果表明，与单一成像方式相比，联合成像可以充分发挥各成像手段的优势，提供有关腔体组织的形态结构和功能成分的更为详尽的诊疗信息。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 US、PA和MAT-MI的成像原理

1.3 磁光声联合成像的研究现状

1.3.1 光声-超声联合成像

1.3.2 超声-磁动超声联合成像

1.3.3 光声-磁动超声联合成像

1.3.4 超声-光声-磁动超声联合成像

1.3.5 超声-光声-感应式磁声联合成像

1.4 本文的研究目的和意义

1.5 本文的主要研究内容

第2章 生物腔体超声回波/光声/磁声信号的正向仿真

2.1 建立待成像的生物腔体计算机仿真模型

2.2 超声脉冲作用于腔体产生回波信号

2.3 短脉冲激光作用于腔体产生光声信号

2.3.1 采用蒙特卡罗模拟描述光在组织中的传输

2.3.2 仿真腔体组织产生的光声信号

2.4 静磁场和脉冲磁场作用于腔体产生磁声信号

2.5 实验结果与讨论

2.5.1 腔内超声回波成像的结果

2.5.2 腔内光声成像的结果

2.5.3 腔内感应式磁声成像的结果

2.6 本章小结

第3章 生物腔体磁光声联合内窥成像的数值仿真

3.1 磁光声联合内窥成像的原理

3.2.1 数据融合技术概述

3.2.2 超声回波、光声和磁声信号的自适应加权融合

3.3 联合图像

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 光声-超声联合成像结果

3.4.2 磁声-超声联合成像结果

3.4.3 光声-磁声联合成像结果

3.4.4 磁光声联合成像结果

3.4.5 定量评价联合成像质量

3.4.6 定量评价自适应加权算法与平均值加权算法的融合图像质量

3.4.7 噪声对联合成像结果的影响

3.5 本章小结

第4章 结论和展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢