基于磁感应磁声的生物电阻抗成像技术研究

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磁感应磁声成像技术(MAT-MI)作为一种新型的电阻抗成像技术,借鉴了多方法融合的思想,将磁感应技术(MIT)和超声断层扫描技术进行了融合,通过采集生物体四周的超声信号,还原组织的电导率结构。本论文主要从三个方面对磁感应磁声成像技术进行了研究。  首先,分析了组织中声源的产生机理,并完善了声源的计算方法。针对之前研究中尚未解决的问题,如不同组织分界面上的声源计算以及在声源求解时遇到的奇异值问题,本研究均给出了解决办法,提出了一套完整的声场计算公式以及数值计算方法。对于逆问题中的电导率求解计算,论文通过结合正问题解决奇异值的办法,在重建过程中引入化微分为积分的数学方法,避免边界区域电导率不可求导带来的问题,同时提出“Potato-Peeler”重建算法,用于完成电导率重建计算。仿真实验对比分析表明,新算法在重建精度和计算效率上,都超过现有的MAT-MI阻抗重建算法。  其次,之前MAT-MI技术的声场重建算法大多数基于时间反演法(TRM),有着与时间反演法类似的局限性。最关键的是对三维物体成像时,声压采集面必须要求为封闭的曲面。而对于大多数人体组织的检测,尚无法实现全方位的数据采集。所以本研究在原来的基础上,提出了有限视角的重建算法,将信号采集面从闭合曲面缩减到立体角为2π的半球面。该算法除了能够保证重建的图像质量,也较大的提升了重建的计算速度。  最后,论文对声速分布不均匀的组织进行了电阻抗重建,并给出了在复杂组织中的电阻抗重建算法。通过结合超声成像和磁感应磁声成像技术,论文将声速分布不均匀的组织电导率重建问题分为两个步骤,首先运用基于超声传播成像定理,对待求区域的声速进行测量,之后提出了基于DBIM的矩阵数值计算的重建算法,完成了待求区域内的声场及电阻抗的重建计算。该方法的提出,首次实现了MAT-MI技术对软组织以外区域的成像计算。  为了验证本研究提出的一系列算法的可靠性及稳定性,论文利用有限元数值计算,对包含肿瘤的乳腺模型及真实头模型进行了仿真计算。在控制精度范围的前提下,提出了可以构建复杂有限元模型的建模算法,在成像区域等精度要求较高的区域采用六面体剖分,对于精度要求较低的空气层及水槽层则用较大尺度的四面体剖分,在交界面采用五面体进行过渡。应用该方法,建立乳腺模型、人体头模型、激励线圈及水槽空气层的有限元仿真模型,并基于该模型对组织中的声源和电阻抗进行重建。同时通过多组对照试验,分析了各种参数对实验结果的影响。  本文提出的算法及仿真研究推动了磁感应磁声成像技术的发展,可为MAT-MI技术在实验及临床上的应用提供切实有效的理论参考和依据。
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