介绍了基于磁声耦合效应的磁声层析成像(magneto-acoustic tomography,MAT)和磁声电层析成像(magneto-acousto-electrical tomography,MAET)2类电导率成像方法的正问题与逆问题的理论基础,综述了不同成像策略的电导率重建方法的研究进展,分析了基于磁声耦合效应的电导率重建方法在声源模型构建、重建算法和成像速度等方面存在的问题,并展望了未来的发展方向.

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.

目的:探究在磁声成像(magnetoacoustic tomography,MAT)中待测样本中的热声效应对磁声信号频率的影响.方法:选取铜、石墨、琼脂仿体及猪肉组织作为待测样本,其中铜及石墨属于高电导率材料,而琼脂及猪肉组织为低电导率的类生物组织及生物组织.通过设计实验,获得上述材料在不同条件下的磁声信号与热声信号,并对其进行时频对比分析.结果:分析获得不同材料磁声信号与热声信号的特点,高电导率材料的声信号频率相对激励频率向低频偏移程度很小,而类生物及生物组织声信号频率向低频偏移程度显著.且材料的热声信号并不与激励信号同频,相对激励频率显著降低.结论:热声效应是引起类生物组织及生物组织磁声信号频率显著下降的原因,热声信号成分引起了MAT声信号的频率偏移现象.该研究为进一步提高MAT重建质量、优化MAT理论及实验方法提供了新思路.

目的:评价阻尼最小二乘重构算法对颅内局灶性双向电阻抗扰动目标的辨识能力,分析该类目标对电阻抗图像重建质量的影响.方法:基于三维颅脑模型构建局灶性双向电阻抗扰动目标,利用阻尼最小二乘重构算法对其进行成像,选取位置误差及分辨率作为评价成像性能的参考指标.结果:在颅内局灶性双向电阻抗扰动目标存在情况下,电导率变化较大或体积较大的目标在图像中更易被辨识,而电导率变化较小和体积较小的目标在重建图像中表征不明显,提示可能会造成重建图像在某些情况下不能真实地反映原发性脑出血目标的位置和变化信息,同时会影响算法重构精度,使位置误差和分辨率出现较大波动.结论:在重建算法中,针对双向电阻抗扰动目标成像引入线性度修正矩阵,有助于提高动态图像对双向扰动目标的辨识能力,进而提升电阻抗成像对临床脑出血的表征.

磁探测电阻抗成像(magnetic detection electrical impedance tomography,MDEIT)通过体表电极向成像体注入激励电流,利用外部空间磁场分布数据重建成像体内部电导率分布.MDEIT技术应用于肺部肿瘤的动态检测,实现更加贴近实际的仿真计算;应用图像分割在临床CT图像获取胸腔内部结构先验信息,进而构建正常人与肺部肿瘤患者胸腔的三维模型,应用有限元分析分别计算胸腔外部磁场分布,并对其进行特征分析.正常人与肺部肿瘤患者胸腔周围的磁感应强度在空间分布上存在差异,两者对比结果显示,患者比正常人高出10.52％.外部磁感应强度的异常一定程度上反应了胸腔内组织的病理变化,为MDEIT在肺癌检测中的应用提供合理参考.

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.

目的 磁共振电特性成像是利用磁共振成像(MRI)原始数据对被测生物组织电特性分布重建的一种方法.组织电导率和介电常数是理解磁共振成像过程中特定吸收率(SAR)的关键,这些电特性信息对于射频热疗治疗方法也很重要.由于恶性组织的电导率和相对介电常数均高于周围的健康组织,因此相关电特性也具有一定的诊断价值.方法 文章使用了7.0T的MRI发射场映像数据来计算组织的电导率和介电常数图像.磁共振谱仪得到K空间数据,包含了复数矩阵形式的自旋进度的幅度和相位信息,利用双角度法得到对应的射频场B1+映像.结果 最终得到298 MHz下的人体头部组织的电特性图像.结论 该电特性成像方法是基于中心差分方程求解磁场变化量,计算得到电导率和介电常数分布.小组制定的电导率和相对介电常数计算方法有效可行,证明电导率和相对介电常数图像能够反映不同组织电特性的对比,为磁共振电特性成像技术的实用化研究提供参考.

磁共振电特性成像是一种不同于质子密度成像的方法,该研究基于Bloch-Siegert shift(BSS),首先重建了射频场幅度,计算得到介电常数的分布,而射频场的相位是由磁化强度的相位分量近似得到,进而计算得到电导率的分布.实验利用Bruker 7.0 T磁共振设备,对两种水模和活体Balb/c小鼠进行了成像,得到电++特性图像.结果表明,Bloch-Siegert B1映像在成像效率上显著优于双角度B+1映像.该研究可为组织电特性的B1场成像选取合适的B+1 mapping技术提供参考,为推动磁共振电特性的实用化提供基础研究支持.

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.