基于相控阵合成孔径的颅骨轮廓快速测量算法研究

作为一项新兴的神经调控技术,经颅聚焦超声技术目前广泛应用于脑深部的神经调控与治疗中。颅骨的异形和声参数的极大差异性是导致聚焦超声穿透颅骨后实际焦点的偏移和焦域散焦的主要原因。本研究以合成孔径技术为基础,由相控阵发射超声信号并接收于颅骨内外轮廓反射的回波信号,同时计算得到颅骨轮廓点坐标,实现对颅骨轮廓的快速测量。建立仿真模型,并利用颅骨仿体对算法进行仿真与实验验证。仿真结果表明,颅骨模型外轮廓中心区域的最大探测误差为0.15 mm,边缘区域为0.4 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.3 mm,边缘区域为0.5 mm。实验结果表明:颅骨仿体外轮廓中心区域的最大探测误差为0.4 mm,边缘区域为0.8 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.6 mm,边缘区域为0.9 mm。所设计的颅骨轮廓快速测量算法能够实现在2 min内完成颅骨内外轮廓的精确测量,并控制最大测量误差在1 mm以内。与核磁共振扫描(MRI)以及电子计算机断层成像(CT)相比,降低了治疗成本和治疗时间,同时为下一步调整相控阵阵元发射延时,实现在颅内的实时精确聚焦,提供了新的方法和思路。

基于多物理场复合的新型无创脑深部精准刺激方法探究

现有的无创电磁刺激技术,以临床应用最广的经颅磁刺激(TMS)为代表,尚无法突破聚焦性和刺激深度的技术瓶颈,实现对深部功能核团的直接精准刺激。本研究基于磁声耦合理论,结合TMS技术中的交变磁场,提出一种新的基于多物理场复合的无创脑深部精准刺激方法(MI-TMAS),以期实现对脑深部的直接精准聚焦刺激。基于磁声耦合理论和磁感应理论对MI-TMAS中的刺激物理场进行仿真研究,并搭建了MI-TMAS系统及多物理场测试平台,对刺激物理场分布并进行实测。结合仿真和实测结果,对MI-TMAS复合刺激电场的聚焦性和电场强度进行探究。结果显示,该方法能够在脑深部靶区产生聚焦声场、磁声耦合电场、磁感应电场等3个复合刺激物理场,可以在刺激深度50 mm处形成聚焦尺寸约6.2 mm(-3 dB)的复合刺激电场,其在脑深部电场的聚焦性明显优于TMS,且刺激电场强度大于稳恒磁场下的TMAS。本研究为MI-TMAS方法应用于在体神经调控提供了理论以及技术基础。

基于声换能器特性的磁感应磁声成像正问题分析

目的在考虑声换能器特性的基础上,对磁感应磁声成像的正问题进行研究,并探讨其声源的产生、传播及接收机制。方法参考CT的三维Phantom仿真模型建立磁感应磁声成像正问题的模型,并结合电磁场理论利用有限元软件comsol仿真分析模型内部电导率分布与磁场和磁感应电场的关系,得到模型内部的磁感应电流分布。然后再深入研究声偶极子模型,并检测分析声换能器的特性后,给出相应的仿真声信号检测结果。结果磁感应电流密度在中心位置处为0,在电导率边界处变化较大,声换能器的检测声场分布和声偶极子传播的指向性会极大的影响声换能器接收到的磁声信号的值。结论为磁感应磁声成像实验研究及由声信号重建物体内部的电导率分布提供理论基础。

磁声成像系统矩阵特征值差异性仿真研究

磁声成像技术是一种利用电磁场及超声场耦合成像的技术,能以超声分辨率来显示生物组织电特性分布参数。为具体分析一些检测条件对磁声成像系统重建的影响,获取高分辨率电导率图像,对磁声成像系统矩阵特征值差异性进行仿真研究。从磁声成像声源产生原理出发,分析磁声声源的特性,并分别针对不同声换能器个数、不同磁声信号接收采样角度及不同带宽换能器的条件,建立磁声成像系统矩阵模型;以矩阵模型为基础,分别计算系统矩阵的特征值,利用截断奇异值方法对各条件下获取的磁声信号进行图像重建。结果表明,换能器个数及换能器带宽特性对电导率信息的重建影响很大,而接收角度对接收电导率信息影响不大,但接收角度会影响求解域,从而造成磁声信号接收不全,重建的电导率图像失真。本研究将对磁声成像实验设计和后续应用提供研究基础。

基于声换能器特性的三维磁感应磁声成像重建算法

为了完善磁感应磁声成像算法,使其在真实声检测系统下都适用,研究声换能器特性对磁感应磁声成像重建效果的影响。依据换能器声场分布测量数据,采用插值方法建立真实声换能器三维声场分布模型,利用格林函数法及离散化方法建立磁感应磁声成像正逆问题算法。为了验证该算法,分别采用球扫描和柱扫描方式进行仿真。基于S-L CT仿真模型建立三维仿体电导率模型,用有限元方法对瞬态电磁场进行分析,根据计算的涡流分布结果,使用Matlab进行数值计算。仿真结果表明:该算法可基本重建出原始力源的分布,重建图像的相关系数分别达到98.49%和94.96%,对一般声换能器比较适用。该研究为进一步的实验研究和实验重建的精确性提供理论依据。

基于奇异值分解方法的磁感应磁声断层重建算法

为了提高磁感应磁声成像的成像分辨率,克服低信噪比的磁声信号对磁感应磁声成像重建效果的影响,本研究基于实验系统参数及磁声声源产生传播接收过程,建立了一个磁感应磁声实验系统矩阵,采用截断奇异值分解(TSVD)方法求解了该系统矩阵的特征值及逆矩阵,并将该系统矩阵应用到磁感应磁声成像的正逆问题算法中。为了验证该算法的普适性,建立了一个具有不同形状的电阻抗分布仿体模型,使用Matlab计算数值,得到了三种不同条件下的重建结果。仿真结果证明:该算法在信噪比较高的情况下重建的电导率分布与原始电导率分布基本一致,且能够在信噪比较低的情况下较好的重建电导率分布。该研究为进一步实验研究和实验重建的精确性提供了研究基础。

注入电流式磁声成像的电导率模型构建和实验研究

基于磁声耦合效应的电导率成像是一种新型的生物组织功能成像技术,本课题旨在对注入电流式磁声成像方法进行仿真和实验研究。以金属圆环作为成像目标,将其置于稳恒磁场中,并对其加载微秒级正弦脉冲激励,对磁声耦合作用下产生的声振动进行检测和分析。借助有限元方法对磁声正问题进行仿真,同时建立注入电流式磁声耦合成像实验装置,对电导率模型产生的声信号进行检测,并利用所检测到的声信号直接重建模型的电导率边界图像。仿真结果表明,声源的平面分布能够体现成像目标电导率的边界。实验结果与仿真结果具有较好的一致性,重建图像分辨率达到cm量级。所进行的研究证明,注入式磁声耦合成像可反映被成像模型的电导率分布特征,为该方法用于复杂电导率分布组织的研究奠定了基础。

M序列编码激励磁声信号处理方法研究

目的:对M序列编码激励提高磁声信号信噪比的处理方法进行研究,进一步解决目前磁声成像单脉冲激励方法信噪比低、磁声成像质量受到限制以及叠加平均改善磁声信号信噪比方法限制成像速率的问题。方法:通过仿真计算和磁声信号的实验测量,对不同码长下M序列编码的磁声信号的信噪比、峰值旁瓣水平、采集处理时间进行研究,并采用单层石墨纸模型进行信号检测实验。结果:对于单层石墨纸实验模型,在未进行波形叠加平均条件下,相比于单脉冲激励方式,7、31和127 bit M序列编码处理方法可提高磁声信号信噪比19.4、29.6和40.4 d B;3种码长的M序列编码激励磁声信号平均距离旁瓣水平分别为14.1、10.0和7.6 d B,峰值距离旁瓣水平分别为26.3、24.3和21.3 d B;将信噪比提升40 d B,采用127 bit M序列编码激励,相比于单脉冲激励结合波形平均处理方法,其采集处理时间由53.1 s缩短为0.520 s。结论:M序列编码激励的磁声成像信号处理方法对于提高磁声信号信噪比、改善成像质量、提高整体成像速率具有重要意义。

频域磁声耦合成像逆问题初步研究

对频域磁声耦合成像方法逆问题进行初步研究,为实现基于频域处理方法的磁声电导率成像打下基础。应用复平面矢量方法,基于声源和频域幅值相位特性,研究频域磁声成像逆问题数学模型和重建方法。对频域磁声信号随声源空间位置和幅度变化特性进行仿真,对简单模型不同声源分布的频域逆问题进行仿真重建。建立多频率下的声源幅值和相位矢量方程组,利用非线性方程组的优化算法求解声源信息。利用铜丝仿体,对矢量求解方法和逆问题声源重建进行实验验证。频域幅值和相位满足复平面声源矢量叠加理论。利用矢量方法,初步实现两个声源样本的声源幅度和位置的重建,成像分辨率小于1 cm,实验的声源重建位置误差小于±0.4 mm。通过对频域磁声成像逆问题的重建研究,为后续进行复杂模型和真实组织的频域磁声重建研究打下基础,对实现高分辨率成像具有重要研究意义。

Chirp编码激励磁声成像信号处理方法研究

目的磁声信号信噪比低限制了磁声成像的图像质量,本研究提出Chirp脉冲编码激励的磁声成像信号处理方法,以提高磁声信号信噪比,缩短信号处理时间。方法本研究通过仿真计算和磁声信号的实验测量,对不同脉冲宽度的Chirp信号编码激励的磁声信号进行了研究。结果对于体外实验猪肉与金属丝模型,编码激励明显提高磁声信号信噪比,10μs、50μs、100μs的Chirp激励,磁声信号信噪比相比于单脉冲激励分别提高7.65倍、42倍和90.1倍。同时处理时间明显缩短,100μs的Chirp激励下处理时间相比于单脉冲平均方法处理时间缩短为原来的1.2%。结论本研究的脉冲编码处理方法对于提高磁声信号信噪比,改善成像质量,提高整体成像效率,具有重要意义。

磁声耦合成像声信号检测的实验研究

对磁声耦合成像进行原理性验证实验研究。从不同的几何模型出发,分别建立了圆线圈、矩形线圈和三角形铜线圈模型作为成像目标,置于稳恒磁场中,同时对其施加正弦脉冲信号,用中心频率为1 MHz的声传感器检测铜线圈在磁声耦合作用下产生的声信号,在不同位置、不同角度检测产生的声信号并进行分析处理。实验结果表明,超声传感器采集的声信号能对应铜环线圈位置,在此基础上进一步完善实验方法,以磁声耦合的方式实现进一步的成像研究。

基于磁声耦合效应的聚焦电刺激方法的初探

神经电刺激是一种重要的治疗和脑科学研究手段,本研究基于磁声电耦合原理,提出用聚焦超声实现电介质样本聚焦电刺激,并开展了验证实验。我们使用聚焦超声换能器向置于静磁场中的导电样本打入超声,测量了沿不同方向样本两端产生的电信号,使用声场分析仪和磁声耦合电刺激系统分别测试了声场和电场在同一区域内的分布,并将二者归一化后进行对比。实验结果证明,在实验条件下,待刺激样本中会产生与声场、静磁场方向均正交的感应电场,且超声换能器的声场与感应电场的分布之间存在较高一致性,二者在测试平面中心线上的相关系数分别为0.930和0.997,初步证明了该方法的可行性。

基于声学不均匀特性的磁感应磁声成像声压解析

目的依据人体声学参数,探索磁声耦合成像声信号在声学非均匀媒介中的传播对检测结果的影响。方法参考人体组织声学特性建立仿真模型,借助有限元分析工具进行电磁场仿真,采用时域有限差分方法求解磁声信号在仿真模型中的传播,并在自由空间采集声压信号。最后,对比研究磁声信号在声学均匀模型和声学非均匀模型中的传播过程。结果在两个声学模型中声源分布相同,声学非均匀模型中采集的声压信号峰值数量多于声源边界,且声压峰值间的时间间隔与声源边界之间的距离不匹配。结论初步揭示了声学非均匀特性对磁感应磁声成像的影响,为声学非均匀媒介的重建算法研究奠定了一定基础。

感应式磁声成像中的磁热声效应研究

探究感应式磁声成像中的磁热声效应,分析磁声声源与热声声源分布及幅值特征。建立磁声及热声声源表达式,数值仿真多层电导率仿真模型的感应电流分布、磁声+热声声源分布及声压信号,对两种声源分布及重建结果进行比较。为验证仿真结果,建立磁声成像实验平台,采用导电橡胶圈仿体分别开展磁声和热声圆周扫描实验,并对磁声和热声信号幅值和声源重建结果进行比较分析。仿真结果表明,磁声声源分布集中在电导率边界处,而热声声源分布展宽,并且在边界和内部均有分布;磁声声源的最大值是热声声源的15倍。实验结果表明,热声声压信号峰-峰值是混合信号的1/4。热声信号重建的声源图像在边界处更模糊,磁声信号的声源重建图像边界清晰但存在伪影。仿真和实验结果均证明,磁声成像中同时存在热声效应。从热声声源的分布及热声信号与磁声信号的幅值关系中可见,热声效应在一定程度上会对磁声成像结果产生影响。

电流注入式磁声成像中样本电导率边界的提取

目的借助步进电机对电流注入式磁声成像进行实验研究,同时对电导率边界重建算法进行探讨与比较。方法实验研究中,选用正弦脉冲信号作为实验研究的激励信号。选用铜丝环作为实验对象,通过步进电机旋转探头沿圆周运动扫描样本采集声信号,用声信号重建样本边界信息。在电导率边界重建算法设计中,利用了"最值-两侧单调"方法检测信号的峰值,使用"跟踪峰值确定边界走向"的方法查找峰值边界。结果实验结果表明,利用步进电机采集到的超声信号及新的电导率边界重建算法,在声信号数据不太理想的情况下寻找到良好的边界,算法适应性较好。所寻找到的边界中包含95%(190/200)以上角度中的边界信息。结论找到了铜丝环中铜丝中心线对应的峰值边界,同时找到了铜丝环外边界的上限和内边界的下限。

基于相关系数的磁声信号特征分析

为了研究注入电流式磁声信号所包含的特征,需研究采集到的磁声信号与输入激励以及声换能器系统响应函数之间的关系。本研究通过实验,采用不同电压幅值大小的单周期正弦脉冲信号作为激励源,通过对接收到的磁声信号进行分析,使用matlab进行计算得到了磁声信号与上述两者的相关系数,然后对获取的数值进行数理统计,结果表明:随着激励电压幅值的增加,磁声信号与激励源信号以及与声传感器响应的相关系数增大,并趋于稳定;磁声信号与输入激励源以及声传感器的相关系数的峰值特点不同,且声传感器对平行铜线之间的距离比较敏感。该研究为后续实验中选择激励源信号以及声传感器特性提供参考,同时对磁声信号的特征分析和实验信号图像的精确性重建提供了一定依据。

裸鼠乳腺肿瘤生长过程中电特性的在体测量实验研究

利用电特性(electric properties,EPs;电导率和介电常数)作为特征值对生物组织进行区分(例如:正常组织vs.肿瘤组织)可以应用于疾病尤其是肿瘤的早期诊断。生物组织的电特性与组织生理病理状态有密切的联系,在生物组织离体后其电特性发生明显变化,因此,在体测量的组织电特性数据更加真实,对疾病诊断有重要意义。本研究采用自制的小尺寸探头,对种植1~4周(10只/周)人类乳腺癌(MDA MB 231)的BALB/c裸鼠模型的肿瘤组织及正常组织的EPs进行在体和离体测量,测量频率范围为0.5~5 MHz,并对肿瘤组织进行病理学检测。对肿瘤组织及正常组织EPs数据进行分析得到裸鼠乳腺癌组织与正常组织的电导率和介电常数存在显著差异(P<0.01)。同一组织在体测量及离体测量数据存在显著差异(P<0.01)。对1~4周的乳腺癌肿瘤组织电特性数据分析得到在肿瘤发展过程中,其EPs产生变化。本研究结果表明小尺寸探头测量的在体生物组织EPs与离体EPs有明显差异,在体测量生物组织的EPs对根据EPs变化诊断早期癌症有重要意义。

组织电导率性质对磁感应磁声耦合成像声源强度的影响

针对部分生物组织电导率分布具有各向异性的特点,对磁感应磁声耦合成像的声源强度特征进行理论分析,推导不同电导率性质的声源强度公式,并运用COMSOL Multiphysics5.5建立生物组织电导率模型,进行电磁场仿真分析求解,用Matlab 2016a计算其振动声源。结果证明,在同样磁场激励条件下,电导率各向同性和各向异性的声源分布都能反映生物组织的层析结构,但其强度不同。本研究为磁感应磁声耦合成像逆问题声源的精确重建提供了理论基础。

生物组织电特性在体测量微创电极的设计及应用研究

根据平行板电容法测量原理,应用矩量法计算极板电荷分布,设计一种用于在体测量的微创探针电极,夹持组织的体积仅有0.8 mm^3。应用有限元法仿真研究微创电极中电场的分布,以证明微创电极能够有效屏蔽边缘效应。按照肿瘤生长时间将裸鼠分成3组(7、14、21 d),每组10只。在0.5～5 MHz频率范围内,分别测量在体和离体条件下,3组裸鼠的乳腺癌肿瘤组织和正常组织的电阻抗和阻抗角,计算得到相应的电特性参数(电导率和介电常数);并且在1、3、5 MHz这3个频率点,在体测量肿瘤组织、肌肉组织和脂肪组织的电特性参数。结果表明,在0.5～5 MHz频率范围内,在体肿瘤的电导率和介电常数随肿瘤生长时间的增长而变大,在体肿瘤与离体肿瘤的电特性参数有显著差异;在所测的3个频率点中,肿瘤组织与肌肉组织和脂肪组织的电特性参数分别存在显著差异。所设计的微创探针电极可实现微创在体测量的目标。

基于高斯包络调制激励的磁声信号频率分析

本研究旨在探究基于高斯包络调制激励下,感应式磁声成像中磁声信号的频率特性。先使用4 MHz单正弦脉冲信号和中心频率为4 MHz的高斯包络调制信号,对不同电导率样本(铝、铜、锡)进行激励,使用中心频率为4 MHz的超声换能器进行接收,并对接收到的磁声信号进行频率分析。单脉冲激励方式造成磁声信号频率分析失准,基于高斯包络调制激励的磁声信号与激励信号频率一致。样本磁声信号与激励信号同频,且高斯包络调制激励方法使频率分析精度更高,频谱更为集中,更利于频域中信号特征的分析。