磁光声联合内窥图像仿真的研究

发布时间：2020-09-24 13:22

　　脉冲回波式超声成像可以获得生物组织或器官的解剖结构信息,光声和感应式磁声成像能够反映组织的功能成分变化。单一的成像技术不能全面、详尽地描述生物组织的结构和功能信息,将三种成像方式相结合,得到磁光声(magneto-photo-acoustic,MPA)联合成像,则可综合光声信号发射阶段超声检测较高的分辨率以及磁声信号检测时较高的分辨率和灵敏度,对早期病变组织进行精准的定位和功能成像。将MPA成像与内窥检测技术进行结合,即磁光声联合内窥成像(endoscopic magneto-photo-acoustic,EMPA),能及时有效地对生物腔体组织(如消化道、肠道和血管等)进行观察和诊断。本文的研究目的是对EMPA联合成像进行建模和数值仿真,得到EMPA的计算机仿真图像。首先,分别对超声脉冲作用于腔体组织产生超声回波信号的过程、短脉冲激光照射腔体组织产生光声信号的过程以及静磁场和脉冲磁场共同作用于腔体组织产生磁声信号的过程进行数值仿真。然后,对超声换能器在腔体内周向旋转扫描时,分时采集到的超声回波信号、光声信号和磁声信号,采用自适应加权融合算法进行融合,得到联合成像信号,进而得到腔体横截面的EMPA图像。本文采用含有病变组织的生物腔体计算机仿真模型(包括几何结构模型和声学/光学/电磁参数模型)验证算法的可行性。实验结果表明,与单一成像方式相比,联合成像可以充分发挥各成像手段的优势,提供有关腔体组织的形态结构和功能成分的更为详尽的诊疗信息。
【学位单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;R318
【部分图文】：

全角度,信号,成像,声阻抗差

360 个成像角度的超声回波信号、光声信号和磁声信号。假设生物腔体壁是声速均匀的组织，将超声波在组织内的传播速度设定为 1500 m/s，忽略二次磁场对感应式磁声成像的干扰。2.5.1 腔内超声回波成像的结果成像导管发射的超声脉冲的中心频率为 20 MHz、脉宽为 10 μs。忽略腔体组织对超声波的吸收和衰减，不考虑强反射组织（如冠状动脉血管壁中的钙化斑块）后方的伪影问题，仿真得到的超声回波信号如图 2-5 和图 2-6 所示。由图 2-5 可知，因组织声阻抗的不同，在不同成分组织的界面处会有不同的声阻抗差，而超声脉冲回波成像对边界声阻抗差比较敏感，则超声回波信号的每个波峰均对应一个组织分界面，各个组织界面处反射的超声回波信号携带着相邻组织声阻抗的差异值和该界面的位置信息。从图 2-6 所示的超声回波图像中可以清晰定位病变组织的大小和位置。当病变组织和正常组织的声阻抗差距不明显时，组织边界成像不清晰；当病变区域内不同成分组织的声阻抗相差较大时，较易区分。

血管,波峰,激光能量,对应图

(c) (d)图 2-6 血管和腔体模型的超声回波图像 (a) 血管模型Ⅰ；(b) 血管模型Ⅱ；(c) 腔体模型Ⅰ；(d)腔体模型Ⅱ2.5.2 腔内光声成像的结果目前，近红外波段（1.2 μm 和 1.7 μm）的 IVPA 成像系统因脂质的强吸收性成为该领域的研究热点[78]。而在 1.2 μm 波段，IVPA 系统需要 1.2 mJ 激光能量可以明显区分脂质与其他成分；在 1.7 μm，激光能量却只需要 0.4 mJ。因此本文用波长为 1.7 μm、脉宽为 20 ns 的近红外激光脉冲从腔内对腔壁组织进行照射[64]，将式(2-6)中的参数设置为5210 l m、92.2810 t s、 n 3500，c 1500m/s，满足式(2-7)的稳定性条件，仿真得到的光声信号如图 2-7 和图 2-8所示。由图 2-7 可知，在相邻的波峰和波谷之间，光学参数相同则为同一成分的组织，每个波峰为一层组织的分界面。在图 2-1 中， 0 的方向上有四层组织，对应图 2-7(a)中有 4 个波峰； 180 的方向上有两层组织，对应图 2-7(a)中有 2个波峰。

全角度,光声信号

血管模型I的光声信号(a)0°和180°；(b)全角度（360°）

【参考文献】