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基于磁感应磁声成像的生物电阻抗成像技术研究

作　者: 李珣
导　师: 朱善安；Bin He
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 磁感应磁声成像电阻抗成像时间反演算法乳腺肿瘤检测电导率各向异性
分类号: O441.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

磁感应磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应成像技术(Magnetic Induction Tomography, MIT)和超声断层扫描成像技术(Ultrasonic Imaging, UI)的新型生物电阻抗无损成像方法,兼具电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)高对比度和超声断层扫描技术高空间分辨率的优点。本论文针对MAT-MI超声产生机制进行了理论推导,基于有限元电磁场分析提出了MAT-MI正问题仿真研究方法,应用时间反演算法进行生物电阻抗成像,并研究了电导率各向异性对MAT-MI声源和声场的影响。本论文首先由Navier-Stokes流体方程推导了生物组织的MAT-MI线性声波方程,基于电磁场原理分析了MAT-MI声源与电导率分布、激励磁场、静态磁场和感应电场的关系,推导了均匀媒质内部和两种媒质分界面的声源计算公式,计算和比较了均匀媒质内部与两种媒质分界面的声源强度及其分布。其次,基于有限元分析提出了一种适用于任意形状模型和真实形状线圈的MAT-MI正问题仿真方法,构建二层同心球和偏心球模型进行电磁场有限元分析,应用电磁场分析结果进行了声源和声场的计算。应用有限元方法构建Helmholtz线圈产生均匀激励磁场,将有限元分析结果与解析解结果进行了比较,以验证有限元计算的可靠性；提出了声场验证策略,分析了有限元剖分网格尺寸对声场收敛的影响。在二层同心球和偏心球模型的基础上,比较了均匀媒质内部和两种不同电导率媒质分界面上的声源强度和分布,分析了电导率变化对声源和声场的影响；并比较了检测点采集的声压信号,分析了电导率变化对声压信号时间序列的影响。分析结果表明,均匀媒质内部和两种不同电导率媒质分解面上都存在MAT-MI声源,MAT-MI空间声场随电导率分布变化而产生相应变化。为验证MAT-MI高分辨率和高对比度的生物电阻抗成像,本论文结合时间反演算法进行了MAT-MI声源和电导率重建,并将之应用于乳腺肿瘤模型进行肿瘤组织的筛查与检测。应用点源对时间反演算法进行了验证,分析了各种参数对重建结果的影响。基于乳腺肿瘤模型,进行了乳腺和肿瘤组织的MAT-MI声源和声场计算,应用时间反演算法重建了声源,并根据MAT-MI声源与生物组织电导率的关系进行了电导率重建。对生物组织模型进行了仿真研究,为MAT-MI的实验设计和临床应用提供了理论参考。仿真研究表明,应用时间反演方法能够进行MAT-MI声源重建,应用均匀介质内部的声源与电导率分布关系能够得到较高空间分辨率的电导率图像。最后,论文分析了电导率各向异性对MAT-MI声源和声场分布的影响。基于电导率各向同性媒质的MAT-MI声源计算公式提出了适用于仿真计算的电导率各向异性媒质MAT-MI声源计算公式,在二层同心球模型的基础上,用有限元法设置电导率各向异性参数进行了声源和声场的计算。论文比较了四组各向异性电导率模型的MAT-MI声源和声场分布,结果表明,电导率各向异性不改变声源和声场的分布,只改变声源和声场的强度；通过MAT-MI声源能够有效区分具有不同各向异性电导率值的两种媒质,具有较高的对比度和空间分辨率。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
ABSTRACT  9-14
图索引  14-16
表索引  16-17
1 绪论  17-33
  1.1 基于生物电阻抗的医学成像  17-20
    1.1.1 生物组织的电特性  17-18
    1.1.2 基于生物电阻抗的成像方法  18-20
    1.1.3 医学研究意义  20
  1.2 超声成像(ULTRASONIC IMAGING)  20-21
  1.3 以超声为信息载体的生物医学层析成像方法  21-22
    1.3.1 光声成像(Photoacoust ic Tomography,PAT)  21-22
    1.3.2 热声成像(Thermoacous t ic Tomography,TAT)  22
    1.3.3 磁声成像(Magnetoacous t ic Tomography,MAT)  22
  1.4 磁感应磁声成像技术(MAGNETOACOUSTIC TOMOGRAPHY WITH MAGNETIC INDUCTION,MAT-MI)  22-24
  1.5 本论文主要研究工作及其创新点  24-26
  参考文献  26-33
2 磁感应磁声成像背景及应用  33-45
  2.1 磁感应磁声成像(MAGNETOACOUSTIC TOMOGRAPHY WITH MAGNETIC INDUCTION,MAT-MI)  33-37
    2.1.1 MAT-MI断层成像技术原理  34-37
      2.1.1.1 物理原理  34
      2.1.1.2 实验装置  34-35
      2.1.1.3 phantom模型设计  35-36
      2.1.1.4 实验研究的技术难点  36-37
  2.2 MAT-MI仿真研究  37-40
    2.2.1 正问题  37-39
      2.2.1.1 正问题的数学描述  37
      2.2.1.2 正问题求解方法  37-38
      2.2.1.3 正问题研究现状  38-39
    2.2.2 逆问题  39-40
  2.3 乳腺肿瘤无损功能成像技术研究现状  40-41
  参考文献  41-45
3 磁感应磁声成像的正问题研究  45-75
  3.1 MAT-MI正问题理论研究  45-48
    3.1.1 声波方程推导  45-46
    3.1.2 声源计算公式  46-48
    3.1.3 声波方程求解  48
  3.2 MAT-MI正问题仿真研究  48-71
    3.2.1 有限元方程构建  49-51
    3.2.2 仿真实验设计  51-53
    3.2.3 有限元模型验证  53-55
    3.2.4 声场验证策略  55-56
    3.2.5 仿真计算步骤  56
    3.2.6 仿真实验结果  56-70
      3.2.6.1 MAT-MI声源分布  57-60
        3.2.6.1.1 均匀媒质内部声源的计算方法  57-60
        3.2.6.1.2 两种媒质分界面上声源计算  60
      3.2.6.2 媒质内部和分界面上声源的比较  60-62
      3.2.6.3 声场仿真验证  62-63
      3.2.6.4 MAT-MI空间声场分布  63-70
    3.2.7 讨论  70-71
      3.2.7.1 MAT与MAT-MI成像机理的比较  70-71
      3.2.7.2 MAT-MI声源对于生物组织电导率的敏感性  71
  3.3 本章小结  71-72
  参考文献  72-75
4 基于时间反演法(TIME REVERSAL METHOD)的MAT-MI电导率重建  75-103
  4.1 时间反演法(TIME REVERSAL METHOD,TRM)  75-85
    4.1.1 时间反演理论  76-78
    4.1.2 时间反演法在MAT-MI的应用  78-79
    4.1.3 时间反演法的仿真实现  79-85
      4.1.3.1 时间反演法的理解  79-81
      4.1.3.2 仿真实现  81-85
  4.2 乳腺肿瘤模型的MAT-MI电导率重建  85-98
    4.2.1 乳腺肿瘤模型  87-89
    4.2.2 正问题仿真  89-96
      4.2.2.1 有限元电磁场分析  89-90
      4.2.2.2 MAT-MI声源  90-93
      4.2.2.3 声压分布  93-96
    4.2.3 电导率重建  96-98
    4.2.4 讨论  98
  4.3 本章小结  98-99
  参考文献  99-103
5 电导率各向异性对MAT-MI的影响  103-117
  5.1 生物组织电导率各向异性  103-104
  5.2 电导率各向异性对MAT-MI声源和声场的影响  104-114
    5.2.1 声源计算公式  104-105
      5.2.1.1 单一媒质内部声源  104-105
      5.2.1.2 两种媒质分界面上的声源  105
    5.2.2 模型设计  105
    5.2.3 电磁场分析  105-107
    5.2.4 声源和声场仿真  107-114
  5.3 本章小结  114-115
  参考文献  115-117
6 结论与展望  117-121
  6.1 论文总结  117-118
  6.2 研究展望  118-121
攻读博士期间完成的论文  121

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