基於脈衝壓縮的磁熱聲成像新方法研究

《基於脈衝壓縮的磁熱聲成像新方法研究》是依託中國科學院電工研究所，由劉國強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於脈衝壓縮的磁熱聲成像新方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉國強
• 依託單位：中國科學院電工研究所

項目摘要

磁熱聲成像是國際上2013年最新提出的多物理場成像方法，融合了電阻抗成像（EIT）的高對比度和超聲成像的高空間解析度的優點，有望解決傳統EIT空間解析度不高的問題。該方法與磁聲成像相比省去了靜磁場，降低成像系統的複雜度，與微波熱聲成像相比大大提高了穿透深度。但目前的研究還停留在簡單物理模型的初步研究階段，與臨床套用的差距很大。本項目提出一種基於脈衝壓縮的醫學磁熱聲成像新方法（MTAT-PCT），採用MHz磁諧振式、線性調製和脈衝壓縮相結合的激勵檢測方式，實現微弱磁熱聲信號的高信噪比檢測。突破生物組織的電場強度與其電導率無關的不合理假定，首次導出包含熱函式的非線性泊松方程和雙旋度方程，提出了兩種從熱函式中重建電導率的新方法--基於標量電位的電導率重建方法和基於矢量電位的電導率重建方法，使該技術向實際套用推進一步，形成具有中國自主智慧財產權的新型高解析度電阻抗成像方法。

結題摘要

感應式熱聲成像和注入電流式熱聲成像均是利用電磁場的熱聲效應實現的新型成像技術，具有超聲成像高解析度和電阻抗成像高對比度的特點。 本項目開展了感應式熱聲成像正問題、逆問題的理論分析和數值模擬研究。在正問題的研究中，推導了二維模型電磁場控制方程及邊界條件，採用標量電位法仿真分析了模型的熱吸收係數分布，推導了熱聲波動方程，導出了格林函式積分解和解析解，仿真分析了超聲換能器接收的熱聲信號。在逆問題的研究中，針對環形掃描熱聲成像，提出了基於時間反演法（或壓縮感知理論）的最小二乘疊代重建電導率的算法，從正演模擬的熱聲信號中重建了目標體的熱吸收係數分布圖像和電導率分布圖像；針對線性掃描熱聲成像，仿真分析了二維模型的熱聲圖像。數值模擬結果為實驗的設計提供了理論指導。設計搭建了感應式熱聲成像掃描實驗平台：包括磁場激勵系統、信號檢測系統與掃描系統。以含氯化鈉凝膠仿體為目標體進行了成像實驗，成像結果與目標體電導率分布基本吻合，驗證了感應式熱聲成像方法針對低電導率介質的可行性。提出了注入電流式熱聲成像方法，研究了線性掃描注入電流式熱聲成像的原理、建模和仿真分析，重建的熱聲圖像可以反映模型電導率的分布，設計搭建了實驗系統，通過含氯化鈉凝膠仿體的成像實驗，驗證了系統的可靠性，成像解析度約為2mm，通過離體豬肉組織的成像實驗，驗證了該技術用於生物醫學成像的可行性。採用數值模擬方法分別研究了感應式熱聲成像和注入電流式熱聲成像的熱聲效應和磁聲效應，比較了兩種效應的大小，初步得出了磁聲效應可以忽略的結論。 本項目突破了生物組織的電場強度與其電導率無關的不合理假定，首次導出包含熱函式的非線性泊松方程和雙旋度方程，提出了兩種從熱函式中重建電導率的新方法——基於標量電位的電導率重建方法和基於矢量電位的電導率重建方法，使該技術向實際套用推進一步，形成具有中國自主智慧財產權的新型高解析度電阻抗成像方法。