有限视角感应式磁声成像重建方法研究

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感应式磁声成像(Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction,MAT-MI)是一种理想的、具有诱人应用前景的、能够对组织病变进行有效早期检测与功能成像的新型成像手段。该技术融合了磁感应成像技术和超声断层扫描成像技术,兼具无创、对比度好、灵敏度高等优点。MAT-MI采用磁场和声场耦合机制,通过外加电磁场激励信号,把组织电特性信息转换成声信号进行检测,再对声信号进行重建,实现电特性成像。本文提出了有限视角MAT-MI重建方法,解决有限视角扫描条件下,利用有限视角扫描数据重建声源和电导率的算法,充分考虑了有限视角数据的非完备性、有效扫描角度和可靠电导率重建所需最小数据量,提高了感应式磁声成像的重建精度;不同生物组织具有不同的声学特性,声速变化可能会导致重建图像的模糊和位移。针对此现象研究了声学非均匀性对MAT-MI的影响,本文的工作主要包括如下几个方面:1、介绍了本课题的研究背景与意义,总结了感应式磁声成像的国内外研究现状,并指出了亟需解决的关键问题,详述了本论文的主要研究内容及创新点。2、对MAT-MI正问题进行仿真计算与分析。建立了均匀声介质同心球模型,采用广义有限元法对所建模型进行正问题计算,分析了时变磁场下的涡流,求解了静磁场下产生的声源,并计算声源在介质中传播所产生的声压曲线,考察了不同半径、不同位置、不同数量目标肿瘤组织模型参数对声压分布的影响。3、以不同模型同心球为成像目标,求解了有限视角MAT-MI逆问题。本论文详细分析了快速分裂Bregman方法的基本思想,引入辅助变量和等式约束,通过二次优化求解、图像恢复、收缩算子计算三步分裂对问题进行交替迭代优化求解。利用该算法解决了有限视角扫描条件下,有限视角扫描数据重建声源和电导率的问题,并考察了不同扫描视角下,不同半径、不同位置、不同数量目标肿瘤模型声源和电导率的重建,对重建结果进行了误差分析。4、对传统时间反演法进行了改进,并应用该方法分析了声学非均匀性对感应式磁声成像的影响。利用均匀介质的时间反演法重建初始的声源,对初始声源分布按照声学特征先验信息进行分区,由各区域声学参数形成最终声学各向异性声源图像。运用改进的时间反演法对声学非均匀介质的声速、声源、电导率进行了重建,并与传统的时间反演法进行了算法对比,结果表明,本文改进的时间反演法能够对声学非均匀MAT-MI进行图像重建。5、搭建了MAT-MI的实验平台,完成了实验平台各功能模块的分析与实现,设计了基于LabVIEW的MAT-MI软件系统,制作了不同电特性参数和声特性参数凝胶仿体模型,进行了凝胶仿体模型实验,采集了声压信号,重建了声源和电导率,并对重建结果进行了误差分析,实验结果和仿真结果吻合度较高,验证了本文所设计的感应式磁声成像系统的有效性。本论文研究了一种新型组织电特性检测方法,研究工作将有助于感应式磁声成像向临床应用推进一步,具有重要的科学研究意义与实际应用价值。
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