基于真实声换能器特性的三维磁感应磁声重建算法研究

来源 :北京协和医学院中国医学科学院 北京协和医学院 中国医学科学院 清华大学医学部 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tjhaixin2
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磁感应磁声成像是一种新型的成像技术,它将阻抗成像与超声检测相结合,兼具高对比度与高分辨率的特性,对电导率的变化敏感。其突出优点是磁场激励不会被体表的低电导率组织影响,屏蔽效应小,重建算法相对简单。其基本原理是对置于静态磁场中的待测组织施加交变激励磁场,在组织中感应出涡流,该涡流在静磁场作用下产生洛伦兹力,从而激发声振动,该声振动产生声信号会被组织外的检测探头接收,从而可以通过相应的算法重构组织电导率图像。  在磁感应磁声成像研究中,声换能器及声信号检测系统对磁声声源的仿真重建具有重要作用。为使磁感应磁声成像算法在真实声检测系统中有良好的适用性,本文进一步探究了声换能器特性对磁感应磁声成像重建效果的影响,并将声换能器特性应用到声源重建算法中,以得到高分辨率的电导率分布图像,最大程度地减少图像失真。  本文首先对磁感应磁声成像系统中采用的换能器进行了详细的理论分析和参数测量,并将换能器特性应用到磁感应磁声成像的正逆问题求解算法中。通过有限单元法仿真和声场分布检测系统测量得到的数据,创建了真实声换能器三维声场分布模型。随后分析声信号传播过程及声换能器的接收原理,依据电磁场理论和声学基本原理,提出了一套完整的声场计算公式及离散化数值方法,计算出在真实声换能器下接收到的声压信号。对于逆问题中的声源重建算法,本研究采用索引求和方法和伪逆矩阵方法,对3D仿体模型声源进行精确重建,提出了一种基于真实声换能器的磁感应磁声重建算法。仿真结果表明新算法有非常好的重建精度和成像分辨率。  其次,为了测试本文所提出算法的可靠性及稳定性,论文分析了扫描方式、扫描半径、换能器数量及噪声级别对重建结果的影响,并将该算法与传统算法进行比较。结果表明不论是在球扫描模式下还是在柱扫描模式下,使用真实声换能器方法重建的声源图像的精度和分辨率都要优于传统点接收换能器方法重建的声源图像;对于较大的扫描半径,真实声换能器重建的结果趋近于点接收换能器重建的结果,当扫描半径较小时,真实声换能器重建的结果明显优于点接收换能器重建的结果;对于常用的换能器数量和噪声级别,新算法重建的图像精度和分辨率均优于传统算法;整体上来看,扫描方式和扫描半径对基于真实声换能器的重建算法影响不大,但换能器数量和噪声级别却对图像质量有较大的影响。  最后,为了验证基于真实声换能器的磁感应磁声成像仿真模型与算法,本文还用石墨仿体进行了验证性实验,并采用传统的成像方式及本文提出的重建算法分别对实验信号进行重建。通过对重建结果的对比分析表明,本文提出的算法的重建结果相较传统的磁感应磁声图像重建算法的分辨率有明显提高,可以更加精确的定位电导率边界。并且,实验获得的声压信号与仿真所得到的结果在一定程度的误差范围内具有一致性。应用该模型及算法可以更精确的实现磁感应磁声成像的仿真及重建,从而为实验研究和实验重建提供理论指导,也是后续的精确定量的磁感应磁声图像重建算法研究的工作基础。
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