声学非均匀媒介的磁感应磁声成像重建算法

发布时间：2017-09-05 12:43

  本文关键词：声学非均匀媒介的磁感应磁声成像重建算法

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【摘要】：磁感应磁声成像(Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction, MAT-MI)是一种结合电阻抗成像与超声成像的新型功能成像方法,同时具备超声成像的高空间分辨率和电阻抗成像的高对比度。作为一种结合磁场、电场和声场的多场耦合成像方法,磁声成像同时具备电特性、声特性两个特异性参数。本文主要研究了声特性的差异对磁声耦合成像声传播过程的影响；并在此基础上探讨了声学非均匀媒介的磁声耦合成像声源重建问题。首先,本文通过磁声耦合理论,结合声学的3个基本方程推导了声学均匀模型和声学非均匀模型的磁声耦合成像正问题,并提出了基于时域有限差分法的声学非均匀媒介波动方程求解方法。文中借助COMSOL有限元仿真工具建立电导率模型,进行电磁场问题的仿真；并依据电磁场仿真结果,建立具备相同电导率的声学特性均匀模型和声学特性非均匀模型,利用时域有限差分法对该模型进行仿真实验,进而探讨声特性的差异对磁声耦合成像声传播过程的影响。结果表明,模型的声学特性差异反映在声信号传播的反射、折射以及透射现象中,导致声场正问题复杂化。其次,本文设计了一种应用线阵换能器的信号检测方式,针对声学非均匀模型,提出了一种基于代数迭代重建算法的声速重建方法；并在声速重建的基础上,利用时间反演原理推导了基于时域有限差分的声源重建方法。本文建立具备相同电导率的声学均匀模型和声学非均匀模型,评估该算法在声速求解和声源求解中的可行性。结果表明,该算法能够有效的重建不同声特性模型的声速分布和声源分布,重建结果与实际声速分布和声源分布匹配。最后,为评估本文重建算法的准确性,文中建立了具备复杂结构的三维模型,以模型的3个不同截面作为参考,采用图像评估参数评估了不同噪声水平下的声速和声源重建结果。在此基础上,文中建立了具备相同电导率不同声特性和具备相同声特性不同电导率的模型进行重建对比。结果表明,本文算法能够准确重建被测样本的声速分布及声源分布,同时具备对声特性和电特性的高分辨力。与已有重建方法的对比表明,本文算法在声学非均匀媒介的磁声耦合成像重建问题上具有更强的优势。综上所述,本文提出了一种声学非均匀媒介的正问题求解算法,为研究组织声学特性对磁声耦合成像的影响提供了理论基础；并提出了一种不借助其他成像方式的声速重建和声源重建算法,首次针对声学非均匀媒介的磁声耦合成像逆问题进行研究,结果显示该重建算法能够同时得到被测样本的电特性图像和声特性图像,且分辨率良好。
【关键词】：磁感应磁声成像 声学非均匀 时域有限差分 代数迭代重建
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R310
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究背景9
• 1.2 研究概况9-15
• 1.2.1 组织电特性成像技术10
• 1.2.2 磁感应磁声成像研究原理及研究内容10-11
• 1.2.3 磁声耦合成像算法进展11-14
• 1.2.4 当前存在的问题14-15
• 1.3 研究目标及意义15-18
• 1.3.1 研究内容及论文结构16-17
• 1.3.2 创新点17-18
• 第二章 声学不均匀模型磁声耦合成像正问题仿真18-38
• 2.1 方法18-27
• 2.1.1 时域有限差分法18-19
• 2.1.2 声学均匀声波方程推导19-21
• 2.1.3 声学非均匀声波方程的推导21-23
• 2.1.4 声波方程的求解23-27
• 2.2 正问题仿真27-33
• 2.2.1 仿真模型的建立28-29
• 2.2.2 电磁场问题仿真29-31
• 2.2.3 声场问题仿真31-33
• 2.3 仿真结果对比与分析33-37
• 2.3.1 声学均匀模型仿真结果33-34
• 2.3.2 声学非均匀模型仿真结果34-35
• 2.3.3 不同模型结果对比35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 声学不均匀模型磁声耦合成像逆问题仿真38-53
• 3.1 方法建立38-42
• 3.1.1 计算机断层成像技术38
• 3.1.2 声速求解算法38-41
• 3.1.3 声源重建算法41-42
• 3.2 逆问题仿真42-46
• 3.2.1 仿真模型的建立43-44
• 3.2.2 声速求解的仿真44-45
• 3.2.3 声源重建的仿真45-46
• 3.3 仿真结果对比与分析46-52
• 3.3.1 声学均匀模型的重建结果46-49
• 3.3.2 声学非均匀模型的重建结果49-51
• 3.3.3 不同模型重建结果对比51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 算法准确性评估53-71
• 4.1 模型建立及评价参数53-57
• 4.1.1 评估模型的建立53-55
• 4.1.2 评估参数设置55-57
• 4.2 重建结果的评价57-65
• 4.2.1 对声速重建结果的评估57-61
• 4.2.2 对声源重建结果的评估61-65
• 4.3 对特殊模型成像的对比65-67
• 4.4 与已有的重建算法对比67-70
• 4.5 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-74
• 5.1 论文总结71-72
• 5.2 研究展望72-74
• 参考文献74-80
• 攻读硕士期间参加的科研项目80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80
• 攻读硕士学位期间申请与授权的专利80-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

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2 张弛;汪源源;;声速不均匀介质热声成像的声场仿真[J];声学学报(中文版);2008年05期

3 郭余庆;李宜令;马青玉;龚秀芬;;基于声偶极辐射的磁感应磁声层析成像研究[J];声学学报;2011年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 马任;基于声换能器特性的磁感应磁声成像正问题分析[D];北京协和医学院;2012年

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本文编号：798050