感应式磁声耦合成像脉冲磁场激励源的设计

目的:脉冲磁场激励源是感应式磁声耦合成像系统激发声振动信号的关键部分,为了提高成像质量及成像分辨率,对脉冲磁场激励源进行参数设计及模拟实验验证。方法:选用正弦脉冲作为激励信号,对脉冲磁场放电电路参数进行了仿真设计,通过实验测量磁激励线圈产生的空间磁场信号,验证仿真结果。结果:实验结果表明,利用正弦脉冲对设计制作的线圈进行放电,磁感应强度信号中心频率为0.8MHz,频带宽度为1.2MHz,此参数下成像分辨率理论上可达1.9mm,脉宽达1.27μs。结论:利用设计的脉冲磁场激励源参数,通过功率放大即可实现感应式磁生耦合成像系统的脉冲磁场激励。

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。

基于连续波的频域磁声耦合成像方法正问题研究

磁声耦合成像常用的时域信号检测方法易受到电磁干扰,限制成像质量。提出频域磁声成像方法,通过锁相放大实现微弱声信号的检测,提高信号检测精度。本研究建立了频域磁声耦合正问题数学模型,基于正弦波激励,对简单电导率边界模型进行了仿真研究和实验验证。仿真研究表明信号频域幅值相位反映了介质声源分布。实验验证了仿真结果,实现了声源幅值锁相检测和空间定位,检测精度达到10-7Pa,实现了激励电流低于1m A下的声检测。本研究提出的频域磁声耦合成像方法,有利于提高微弱磁声信号检测精度,在低频激励下实现高分辨率成像,对实现磁声耦合成像的介质内部电导率研究具有积极意义。

经颅磁声耦合电刺激技术应用于小鼠的实验研究

研究经颅磁声耦合刺激技术(transcranial magneto-acoustic stimulation,TMAS)在体小动物脑神经刺激效果。搭建了针对小动物模型的TMAS系统。设置TMAS系统参数,对健康鼠及帕金森(parkinson's disease,PD)模型鼠进行经颅聚焦磁声刺激实验,并分析行为学及电生理结果。经过TMAS刺激后,行为学结果表明磁声刺激组小鼠在主动探索学习能力和运动能力显著高于对照组;电生理结果表明TMAS刺激后PD模型鼠海马区黑质神经突触活性提高。实验结果验证了TMAS技术对小鼠脑神经刺激的有效性。该技术的进一步研究将具有更好的应用前景。

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。

听觉神经通路在磁声耦合刺激调控运动皮层中的作用

经颅磁声耦合刺激(TMAS)技术可以无创地实现包括深部脑区在内的全脑区毫米量级的精准电刺激。现有的实验研究结果已初步证实,TMAS是同时包含耦合电场与声场的复合物理刺激。最新的研究结果表明,听觉神经通路是聚焦超声调节皮层神经活动的必要条件。首次采用听觉通路被破坏的耳聋模型小鼠进行在体TMAS及TUS的对比刺激,分析听觉神经通路在TMAS神经调控中的作用。在造模后的不同时间点,采集耳聋组小鼠(n=6)与对照组正常小鼠(n=6)在TUS与TMAS作用下诱发的肌电信号(EMG),并记录运动反馈,对比分析两种刺激对耳聋小鼠与正常小鼠运动皮层的不同调控效果。结果显示,造模后1、12、24、48 h,耳聋小鼠在TMAS与TUS下的运动反馈均逐渐消失,EMG成功率均下降至3.33%;相同时间点的正常小鼠在两种刺激下均能产生运动反馈和EMG,且TUS与TMAS组的EMG成功率无统计学差异(P=0.296),但其TMAS组的EMG均方根幅值大于TUS组,具有统计学差异(P=0.0011)。结果表明,无论TMAS与TUS,其刺激效果均严重依赖于听觉神经通路的完整性。通过耳聋组与正常组TUS与TMAS刺激结果的对比,验证在对运动皮层刺激时,听觉神经通路的存在是聚焦超声场进行调控的必要条件;而TMAS的刺激效果主要依赖于超声场的调控作用,听觉神经通路对TMAS的调控效果同样具有决定性影响。进而说明,在运动皮层刺激时,TMAS中的耦合电场可提高超声场的调控作用。

磁感应磁声耦合成像声信号采集方式对比研究

目的:探讨将换能器阵列应用于磁感应磁声耦合成像技术的可能性,并将成像结果与单个换能器成像结果对比。方法:建立电导率中心对称和非中心对称组织模型,分别进行单个换能器和换能器阵列采集声信号,并重建声源分布图像。结果:对于无论是中心对称组织模型还是非中心对称组织模型,换能器阵列重建的结果均优于单个声换能器重建的结果,换能器阵列采集声信号的适应性比较好。结论:换能器阵列更适用于各种形状组织模型,具有一定的临床应用价值。

频域磁声耦合成像实验系统研究

目的:研究设计频域磁声耦合成像系统,以实现组织样本的电导率成像。方法:采用连续波正弦信号激励产生磁声信号,利用锁相放大器进行磁声信号的频域幅值和相位的检测,设计基于虚拟仪器的磁声成像实验系统控制程序,进行金属模型的磁声信号实验验证。结果:设计的频域磁声成像实验系统信号幅值检测精度明显提高,达到10-7Pa,实现了磁声信号声源的空间定位,定位精度达到mm级。结论:设计的频域磁声耦合成像系统实现了低频激励下高分辨率声源定位,对于磁声耦合声源理论的研究以及提高磁声成像的精度具有重要意义。

基于磁声耦合的油水两相流含水率测量结构参数优化

提出一种基于磁声耦合的油水两相流电导率测量新方法。分析了磁声耦合工作机理及用于测量油水两相流电导率的可行性,重点开展磁声耦合油水两相流电导率测量结构和激励源参数优化研究。构建了静态油水两相流电导率测量结构模型,利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics 5.4建立仿真模型,对测量结构和激励参数进行优化。理论上,激励磁场激发出的洛伦兹力与油水两相流电导率存在对应关系,进而可推断出油水两相流含水率。通过模型仿真,优化激励磁场参数,确定了交变磁场激励线圈的匝数、位置及激励电流、频率,为开展基于磁声耦合的油水两相流电导率实验研究奠定了基础。

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。

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。

用于磁声耦合刺激的64阵元相控阵超声换能器的设计

本研究基于磁声耦合刺激技术(transcranial magneto-acoustic stimulation,TMAS)的需求,设计了用于线性64阵元相控阵的超声换能器,探究相控阵超声换能器压电晶体宽度及间距,优化超声换能器聚焦声场分布。采用MATLAB软件建立相控阵换能器模型,仿真聚焦声场分布。搭建三维声场分布测试的实验平台,对定制换能器进行声场分布测试并与仿真结果进行一致性分析,验证换能器性能。仿真得到换能器参数为阵元宽度4.5 mm,阵元间距1 mm,定制的64阵元相控阵换能器在XZ方向上声场焦斑的测量值为(3.4 mm),与仿真值(3.1 mm)基本一致。结果表明,本研究设计的换能器声场特性可以满足TMAS刺激的需求,为磁声耦合刺激技术应用提供了技术基础。

磁声耦合声信号幅频特性的实验研究

研究激励源特征与磁声信号之间的关系,探究被测样本激励信号与激发声信号频率的对应关系。建立磁声信号检测实验系统,采用不同幅度及频率的单周期正弦脉冲为激励信号,以铜导线为被测样本,检测电磁激励产生的声信号;采用短时傅立叶变换STFT加移动平滑矩形窗时频法分析激励电流及声信号的幅度、频率等信息,并进行比较。激励电流频率相同时,输出声信号幅值与激励电流幅值呈线性关系,系统函数一致性较好;激励电流频率不同时,对应的输出信号频谱有不同的变化规律,系统函数差异较大。检测系统对频率高度敏感,为在磁声信号提取更多信息,需提高检测电路信噪比及增大声探头带宽。

电流注入式磁声耦合成像研究综述

电流注入式磁声耦合成像技术是一种新型的生物组织电导率参数检测方法,具有电阻抗成像技术高对比度和超声成像技术高分辨率的优点。本文对MAT-CI技术进行了详细阐述,并对该成像技术的研究方向进行了展望。

基于磁声耦合效应的电导率图像重建研究

磁声耦合成像技术利用电磁声三物理场耦合作用的原理,通过声检测方式重建电导率存在明显变化的组织轮廓,实现恶性肿瘤的早期检测。本文建立双层同心球模型,模拟被正常组织包裹的病变组织,利用声场中的时间反转法以及电磁场方程,求解组织中的电导率分布,研究了由检测声压计算电导率分布的重建算法,并进行了仿真分析。仿真结果显示重建的电导率分布图像在电导率边界处清晰可见,进而验证了应用磁声耦合成像对电导率边界进行功能成像的可行性,为恶性肿瘤的早期检测提供了一种新的功能成像方法。

异氟烷麻醉对小鼠自发肌电及TUS/TMAS诱发肌电的影响

经颅超声刺激(TUS)和经颅磁声耦合刺激(TMAS)调控运动皮层效果明显,但受限于清醒状态动物难以束缚,已有研究大多在麻醉状态下进行,对麻醉减弱调控效果的分析集中于中枢神经系统。本研究记录了异氟烷麻醉下24只小鼠的肢体自发肌电和TUS/TMAS诱发肌电,定量分析了麻醉对自发肌电和诱发肌电发放率、潜伏期、时长和幅值的影响。结果显示,随着异氟烷输出浓度从0.40%增加至0.75%,每周期内小鼠自发肌电频次减少约50%,肌电发放时长变短,呈抑制状态;TUS/TMAS诱发肌电的成功率分别降低约50%和70%、潜伏期均延长约0.1 s、时长分别缩短约0.3和0.5 s,表明TUS/TMAS对运动皮层的调控效果随麻醉程度的加深而减弱。肢体自发和诱发肌电在发放率和时长上存在关联性特征,提示麻醉状态下小鼠自发肌电抑制状态可能是刺激效果减弱的影响因素之一。

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。

基于真实头模型的经颅磁声电刺激感应电流密度仿真分析

感应电流密度的聚焦性是实现精准神经调控的关键,其中头颅结构对于经颅磁声电刺激的感应电流密度分布具有重要影响。文中利用人体头部的CT图像,使用三维重构技术构建了真实头模型;对真实头模型进行经颅磁声电刺激的有限元仿真分析,获得了真实头模型内部的感应电流密度分布,并对仿真结果进行了评估。为了进一步探寻刺激效果和超声频率之间的关系,文中分别使用300 kHz、400 kHz、500 kHz的超声波对真实头模型施加经颅磁声电刺激。仿真结果显示,超声信号频率的增加会导致刺激强度、刺激长度以及聚焦面积的增加。该结果表明经颅磁声电刺激具有良好的深度刺激特性和聚焦特性,有望对深处脑区神经元进行无创调控。

不同介质下油水两相流含水率测量模型构建与仿真

利用comsol多物理场仿真软件,对感应式磁声耦合技术构建含水率测量模型,并且进行仿真分析。研究根据不同介质溶液电导率的不同,分析不同介质溶液在磁场中产生对应的感应电流以及洛伦兹力的大小不同。模型中选择的线圈材质、激励信号频率、幅值等不变的条件下,仿真结果证明不同介质溶液在磁场中产生的感应电流和洛伦兹力的大小与该溶液的电导率大小成正比,此结果与理论推导一致。根据纯油/油水混合物/纯水三种不同介质的电导率和含水率成正比,为后续根据溶液在磁场中激发的感应电流和洛伦兹力的大小推断油水两相流电导率的大小以以及含水率多少提供依据。

编码激励磁声信号处理方法研究

基于磁声耦合效应的生物组织电特性检测成像方法,在神经电活动监测和肿瘤等疾病早期诊断方面具有重要研究意义。常用的单脉冲激励和接收模式的信噪比低,限制了磁声成像质量;信号平均处理方法则限制了成像速率。本研究提出了一种脉冲编码激励的磁声成像信号处理方法,采用编码序列激励模式和脉冲压缩的检测处理方法以提高信噪比,缩短信号处理时间。本研究通过仿真计算和磁声信号的实验测量,采用13位巴克(Barker)编码和16位格雷(Golay)编码,对磁声信号的编码激励和脉冲压缩处理方法进行了研究。结果表明,对金属丝模型,在未进行波形叠加平均的条件下,编码激励可明显提高磁声信号信噪比,如13位Barker脉冲编码和16位Golay编码处理方法,可分别提高磁声信号信噪比约20.96 dB和20.62 dB。同时处理时间明显缩短:在相同信噪比提升的情况下,13位Barker编码和16位Golay编码处理方法的整体采集处理时间约缩短为单脉冲激励平均处理方法的3.62%和4.73%。本研究提出的脉冲编码处理方法,对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。