考虑热声效应的磁感应磁声成像研究

来源 :中国医学科学院北京协和医学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:moke707
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对生物组织电特性进行检测或成像,不仅能够分辨不同种类的组织,还能够反映同一组织的生理、病理状态的变化,尤其是对癌症的早期诊断有着重要的作用。磁声成像通过对生物组织施加电磁场激励,令组织受洛伦兹力产生振动,将组织的电导率信息以超声波的形式向外传输。用超声换能器接收这些信号,从而可以通过相应的算法重建出组织的电导率分布。
  磁感应磁声成像与磁热声成像都采用高频脉冲磁场作为激励,前期研究中发现了对低电导率的目标进行磁声成像获得的声信号频率降低的现象,该现象被认为是热声信号造成的影响。本文从磁声效应和热声效应的物理原理出发,推导考虑热声效应的磁声成像声压波动方程,并从仿真和实验两方面对磁声成像中磁声效应和热声效应的关系进行研究,目的是为了深入了解热声效应对磁声成像的影响,为提高磁声信号的信噪比、改善图像重建质量提供帮助。
  本文仿真分析了几种不同模型中磁声和热声的声源强度和分布、声压波形和频谱、声源重建图像质量。不同电导率材料模型的仿真结果表明,电导率越低的材料,热声声源强度与磁声声源强度的比值越大。多层电导率模型的仿真结果表明,感应电流和磁声声源集中于电导率边界处,离开边界后迅速衰减,而热声声源分布得较为广泛,声源强度下降得也缓慢;磁声声压边界信号的波形更尖锐,频率更高,而热声声压边界信号的波形更平缓,频率更低。局部电导率变化模型的仿真结果表明,局部区域的电导率变化影响感应电流、磁声声源和热声声源分布,随着电导率的降低磁声声源减弱但热声声源的变化比较复杂。
  本文搭建了磁声成像实验平台,该平台可以通过撤除静磁场对同一样本进行热声成像实验。首先采用电导率处于高、中、低三种数量级的六种不同的材料作为样本进行电流注入式磁声成像和热声成像实验,获取了每种材料的磁声和热声信号并进行频谱分析,结果表明电导率越高的材料,磁声信号与热声信号的幅值之比越大,而低电导率的材料由于热声占比大,磁声信号的频率降低。之后采用导电橡胶圈作为样本进行的磁感应磁声成像和磁热声成像圆周扫描实验,获取了整个圆周200个角度的声压信号,重建了样本的磁声和热声声源图像。实验结果表明,在中等电导率的导电橡胶样本中,磁声信号与热声信号的幅值之比为4∶1,磁声信号的频率高于热声,磁声声源的重建图像边界更清晰,验证了本文提出的考虑热声效应的磁声成像声源理论和算法可以更好地解释实验现象。
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