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纳米粒子磁声成像仿真与实验研究

李子秀  
【摘要】:感应式磁声成像(Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction,MAT-MI)是一种融合了超声成像技术、电磁技术和多物理场探测的新型成像手段,兼具高对比度、高空间分辨率、高灵敏度的特点。MAT-MI能够实现生物组织的电特性成像,从而达到对病变的生物组织进行早诊断、早治疗的目的。磁动力超声成像是一种新兴技术,利用超声波检测磁性纳米颗粒,具有高特异性的优点,在肿瘤早期诊断方面取得了很大的成就。本论文将感应式磁声成像与磁动力超声成像相结合,提出一种新型肿瘤早期检测方法—纳米粒子磁声成像。将探测磁性纳米粒子在时变磁场和静磁场共同激励下的磁声信号,可兼具感应式磁声成像功能成像和磁动力超声成像高特异性的优势,该课题属于电工学科、生物医学工程学和声学等交叉学科研究领域,既能弥补MAT-MI特异性和信噪比较低的不足,又能克服单纯磁性粒子成像或磁动力超声成像缺乏结构信息的劣势。本论文通过理论分析、计算机仿真、实验验证相结合的方式开展研究工作,本文的主要工作有:1、介绍了纳米粒子磁声成像的研究背景与意义,总结磁动力超声成像和感应式磁声成像的研究现状,详细给出了本论文的主要研究内容及创新点。2、采用理论分析的方法对纳米粒子磁声成像原理进行深入研究。分析了纳米粒子磁声成像正问题中声源产生,在考虑磁动力磁声分量和洛伦兹力磁声分量共同作用于成像目标情况下,给出了磁性纳米粒子声场分布、MAT-MI声场分布的计算方法,并提出信号分离方法,从复合磁声信号中提取洛伦兹力磁声信号,简单阐述了纳米粒子磁声成像声场和电磁场逆问题求解过程。3、建立均匀声介质双层圆柱模型用以模拟成像目标,应用广义有限元法对所建模型进行正问题计算,计算了时变磁场单独作用下的声源、声压分布,获取磁动力声压信号。求解了时变磁场和静磁场共同作用下产生的复合声压信号,并对复合声压信号进行了分离,获得基于洛伦兹力的声压信号。4、以不同双层圆柱模型为成像目标,求解了纳米粒子磁声成像逆问题。应用时间反演算法根据磁动力声压信号进行纳米粒子分布图像重建,依据洛伦兹力声压信号重建涡流矢量源分布,基于涡流矢量源分布重建电导率分布,采用小波变换法对仿真得到的纳米粒子分布图像和电导率分布图像进行了图像融合。并考察了肿瘤半径和位置两个参数对纳米粒子磁声成像仿真结果的影响。5、搭建了纳米粒子磁声成像实验系统,制作了不同半径的凝胶仿体模型样本和离体生物组织样本,进行了纳米粒子磁声成像实验,采集了磁动力超声信号和复合磁声信号,信号分离提取洛伦兹力磁声信号,根据磁动力超声信号和洛伦兹力磁声信号分别重建了纳米粒子分布和电导率分布,基于小波变换法实现图像融合。


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