基于磁声效应的电特性成像方法具有无创、高对比度和高空间分辨率等优势，在疾病的早期诊断领域具有应用潜力。介绍了感应式磁声层析成像（MAT-MI）、注入电流式磁声层析成像（MAT-CI）和磁声电层析成像（MAET）3种主要磁声多物理场耦合成像方法的成像原理和应用进展，并对其未来发展前景进行了展望。

目的:在广义有限元法和时间反演算法理论的基础上研究一种新型的算法,以重建声学非均匀介质中的声源分布.方法:通过磁声耦合理论,结合声学的基本方程研究声学非均匀同心球模型感应式磁声成像(magnetoacous-tic tomography with magnetic induction,MAT-MI)正、逆问题,提出基于广义有限元法的声学非均匀媒介波动方程求解办法,对时间反演算法进行改进,采用介质声学特征先验信息,重建声速的分布,并利用该算法解决声学非均匀媒介声源重建和电导率重建的问题.结果:所提出的算法能够准确地重建声学非均匀介质中的声源分布,在重建声源的过程中可以获得声速的分布并能够很好地对图像进行重建.结论:该算法在声学非均匀媒介的MAT-MI重建问题上具有较强的优势,可为后续更加准确地重构不同声学特性和电学特性MAT-MI图像提供必要的参考数据,同时也可将MAT-MI技术向着临床应用推进一步.

磁感应成像是一种利用电磁感应原理重构生物组织电导率分布的非接触式电阻抗成像技术.利用一组亥姆霍兹线圈为激励源,能在成像区域内产生均匀分布的激励磁场,从而能够简化成像算法.系统模型由背景物体、异物、亥姆霍兹线圈和20个检测线圈构成.利用滤波反投影算法重构图像,研究该系统下单目标和双目标的图像重构,并且通过并利用相关系数、归一化均方距离和归一化平均绝对距离3个评估参数分析算法对不同噪声的抑制能力.结果表明,当信噪比≥30dB时,单目标和双目标异物成像效果接近没有噪声的成像结果.

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.

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.

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.