基于频域测量的连续波磁声成像方法研究

Magneto-acoustic tomography (MAT) is a newly proposed functional imaging approach to noninvasive electrical conductivity imaging of biological tissue. It combines the advantages of the high resolution of ultrasonic imaging and the high conductivity contrast of electrical impedance tomography, of which the object is to diagnose early stages tumor. The common time domain method adopts short magnetic exciting pulse to achieve high resolution, which the rapid rising edge needs high request and interferes the signal. Therefore, it has a low signal precision and noise performance in signal measurement, which limits the quality and precision of imaging and makes it difficult to image inner conductivity. Therefore, we propose and study the new continuous wave imaging method based on measuring frequency domain. A continuous wave is used as excitation, and the lock-in method is used to measure the amplitude and phase of magneto-acoustic signal, to image the conductivity distribution. The project will conduct theoretical modeling, simulation and the imaging experiments, to study the continuous wave imaging method. The key problem of the relationship between the frequency information and the conductivity distribution, the sonic locating and imaging mechanism from frequency measuring will be solved. The project will improve the imaging accuracy, the signal-to-noise ratio and the imaging quality. It will achieve the inner conductivity imaging and set the foundation of the clinic applications and to improve the precision of tumor diagnosis.

磁声成像是无创生物组织电特性的功能成像方法，兼具超声成像高空间分辨率和电阻抗成像高对比度的特性，其应用目标是肿瘤早期诊断。目前磁声成像研究主要基于时域方法，其主要问题在于，为获得高空间分辨率，采用磁场窄脉冲激励，此方法对激励脉冲上升沿要求高，且信号易受空间磁场干扰，信噪比低，成像质量受限，介质内部电导率成像尚存在难度。本课题提出基于频域测量的连续波磁声成像方法，采用连续波激励，通过锁相放大检测方法对磁声信号幅值相位进行提取，实现声源电导率分布成像。本课题拟通过数理建模，有限元模拟仿真，仿体和真实组织样本的检测成像实验，重点研究连续波磁声信号频域信息与介质电导率分布的对应规律，和基于频域测量方法的声源定位和电导率成像机制的关键科学问题。本课题的研究将有利于提高磁声耦合电导率成像精度、提高信噪比和图像质量，为解决介质内部电导率成像问题提供科学依据，促进磁声成像方法在肿瘤医学临床的早日应用。

磁声成像是无创生物组织电特性功能成像技术，具有超声成像高空间分辨率和电阻抗成像高对比度的优势，在肿瘤早期诊断方面具有重要的应用价值。微弱声信号的检测和处理是磁声成像重要的研究内容，对图像对比度和成像精度起关键作用。磁声耦合成像通常采用千伏级高压微秒窄脉冲进行激励以达到毫米分辨率，此方法对激励脉冲上升沿要求高，且信号易受空间磁场干扰，信噪比低，成像质量受限，介质内部电导率成像尚存在难度。. 本课题提出基于连续波的频域磁声成像方法，采用连续正弦激励，结合锁相放大技术，对微弱声信号频域信息检测放大，提高信号检测精度。设计了基于频域检测的重建算法，实现组织声源电导率分布图像的重建。. 本课题依据波动方程建立了频域磁声耦合正问题的数学模型；基于正弦激励，采用复平面矢量方法，对频域磁声信号幅值相位进行求解；对电导率仿体边界声源进行仿真研究，重点研究了连续波磁声信号频域信息与介质电导率分布的对应规律，基于频域测量方法的声源定位和电导率成像机制的关键科学问题。搭建了频域磁声成像实验系统，进行了频域方法的电导率边界模型的实验研究，验证频域磁声耦合数学模型和仿真研究结果。建立了频域磁声成像逆问题模型，利用优化算法对求解电导率分布的频域磁声耦合逆问题进行了仿真和实验研究。. 仿真研究表明，不同仿体的频域幅值随声源空间位置变化规律满足频域磁声耦合模型，频域信号包含了电导率边界分布信息。实验结果表明，频域相位随距离变化规律满足频域磁声耦合理论，对于电导率边界模型，输出激励幅值达到1伏以下时即可检测到磁声耦合声信号。磁声信号的检测精度得到提高，检测精度可达到0.1-1微帕斯卡，同时空间分辨率可达到毫米量级。. 总之，本研究提出的频域磁声耦合成像方法，提高了微弱磁声信号检测精度，对实现磁声耦合介质内部电导率的检测和成像的研究具有重要意义。同时有利于降低磁声耦合激励源设计实现难度，对磁声成像的实际应用起到积极作用。