基于聲換能器的磁感應(yīng)磁聲成像聲源重建仿真研究

【作者】王世剛，崔 棟，武瑩瑩，游敏娟，曹衛(wèi)芳，郭永新，焦 青

1 泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院，泰安市，271016

2 山東科技大學(xué)信息工程系，泰安市，271000

3 山東醫(yī)藥技師學(xué)院信息中心，泰安市，271016

基于聲換能器的磁感應(yīng)磁聲成像聲源重建仿真研究

【作者】王世剛1，崔 棟1，武瑩瑩2，游敏娟3，曹衛(wèi)芳1，郭永新1，焦 青1

1 泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院，泰安市，271016

2 山東科技大學(xué)信息工程系，泰安市，271000

3 山東醫(yī)藥技師學(xué)院信息中心，泰安市，271016

目的 探討聲換能器接收特性在磁感應(yīng)磁聲成像技術(shù)中的應(yīng)用，以便準(zhǔn)確重建聲源圖像。方法 建立電導(dǎo)率仿體模型，根據(jù)聲換能器接收特性仿真磁聲信號并重建聲源。結(jié)果 重建的聲源圖像與仿體模型的層析結(jié)構(gòu)形狀、尺寸一致。結(jié)論 考慮聲換能器接收特性的磁感應(yīng)磁聲成像為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

磁感應(yīng)磁聲成像；聲換能器；聲源；重建

0 引言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像儀器如計算機(jī)體層成像(Computed Tomography，CT)，超聲成像(Ultrasound Imaging，USI)，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等能夠?qū)ι锝M織結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，在臨床診斷中發(fā)揮著重要作用，但不能提供疾病的預(yù)防性信息。人體各種組織器官具有不同的電導(dǎo)率，并且當(dāng)發(fā)生病變時其電導(dǎo)率發(fā)生顯著的變化[1-2]，即人體組織的電特性參數(shù)含有豐富的病理、生理信息，所以以電特性參數(shù)為成像目標(biāo)的功能成像技術(shù)成為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究熱點之一。現(xiàn)有組織電特性功能成像技術(shù)中，磁感應(yīng)磁聲成像(Magneto-acoustic Tomography with Magnetic Induction，MAT-MI)[3-9]技術(shù)結(jié)合了電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）[10-11]技術(shù)和USI技術(shù)，具有高分辨率與高對比度的優(yōu)點，而且因其運(yùn)用磁感應(yīng)技術(shù)而避免了表層高阻抗生物組織的“屏蔽效應(yīng)”，能夠?qū)ι锝M織深層進(jìn)行成像。

現(xiàn)有磁感應(yīng)磁聲成像理論研究是仿照光聲、熱聲成像，將聲換能器視為理想的點接收器，而實際聲換能器都具有接收分布特性，在其聲場的不同位置，接收信號的靈敏度不同。本文考慮了聲換能器的實際接收分布特性，對磁聲信號進(jìn)行了理論推導(dǎo)仿真，重建了聲源圖像。

1 原理與方法

1.1 原理

磁感應(yīng)磁聲成像的基本原理是將生物組織仿體放于同方向的靜磁場B0和脈沖磁場B1中。在脈沖磁場B1的作用下，生物組織仿體將產(chǎn)生渦電流。渦電流受到洛倫茲力的作用，使生物組織微粒單元振動發(fā)出聲波。因為聲波信號含有生物組織的電導(dǎo)率信息，用聲換能器接收磁聲信號，就可以獲得生物組織仿體的電導(dǎo)率分布信息。磁感應(yīng)磁聲成像的原理如圖1所示。

圖1 磁感應(yīng)磁聲成像原理Fig.1 Principle of MAT-MI

假設(shè)脈沖磁場為一階躍磁場B1u(t)，則其感應(yīng)電場為：

由于渦電場的產(chǎn)生，在具有電導(dǎo)率的地方產(chǎn)生了渦電流，渦流使生物組織微粒單元振動發(fā)出超聲波，聲波的波動方程為[3]：

其中，p(r, t)表示聲壓，J(r, t)表示感應(yīng)渦電流，B0表示靜磁場強(qiáng)度，為振動聲源。此方程一般可用格林函數(shù)獲得解析解：

其中，r表示聲源位置，r' 表示聲換能器位置，v表示包含聲源的容積。該方程的運(yùn)用是認(rèn)為聲換能器同靈敏度的接收所有聲信號，而聲換能器的實際聲場的接收靈敏度并不相同，應(yīng)充分考慮聲換能器的靈敏度特性。因r處聲源振動強(qiáng)度為Δ . [J(r, t)×B0]，考慮聲換能器聲場的靈敏度分布及聲信號傳播的時間延遲，r' 處聲換能器接收r處聲振動信號的聲壓為Δ . [J(r, t)×B0] . w(r) . δ(│r-r'│)/cs，聲換能器接收的聲信號是整個生物組織仿體所有振動聲源發(fā)出聲波的疊加，所以聲換能器的聲壓為：

其中，w(r)為聲換能器聲場在r處的采集信號的靈敏度。聲換能器接收的聲壓運(yùn)用時間反演法[12-13]，可得到生物組織仿體的聲源分布：

其中，n為r′處聲換能器接收平面的單位法向向量。

1.2 方法

為驗證上述考慮實際聲換能器聲場分布特性的磁感應(yīng)磁聲成像理論，本文運(yùn)用多物理場耦合軟件COMSOL Multiphysics建立了生物組織電導(dǎo)率仿體模型，如圖2所示，仿體參數(shù)如表1所示。

圖2 電導(dǎo)率仿體模型Fig.2 Conductivity phantom model

表1 電導(dǎo)率模型參數(shù)Tab.1 Parameters of conductivity phantom

圖3 z=-8 mm平面電磁場分析Fig.3 Conductivity distribution of z=-8 mm plane

對仿體模型進(jìn)行電磁場分析，獲得電導(dǎo)率及渦電流數(shù)據(jù)。運(yùn)用Matlab進(jìn)行磁感應(yīng)磁聲成像的聲場仿真，靜磁場的強(qiáng)度設(shè)置為0.5 T，聲換能器的圓周掃描半徑設(shè)置為30 mm，掃描步進(jìn)角度為2o，聲速為1500 m/s。

2 結(jié)果

2.1 電磁場分析

運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元電磁場分析的結(jié)果，導(dǎo)出生物組織仿體z=-8 mm、z=0 mm、z=10 mm平面的電導(dǎo)率、感應(yīng)電流密度數(shù)據(jù)分別如圖3至圖5所示。結(jié)果顯示電導(dǎo)率分布反映了生物組織仿體各層面的層析結(jié)構(gòu)與形狀。并且電流場為一有旋場，且電導(dǎo)率高的地方渦電流數(shù)值大，對于每一種模型渦電流的中心電流為零，趨向于電導(dǎo)率邊界時，電流密度增大。

圖4 z=0 mm平面電磁場分析Fig.4 Conductivity distribution of z=0 mm plane

圖5 z=10 mm平面電磁場分析Fig.5 Conductivity distribution of z=10 mm plane

2.2 聲源重建

利用從電流密度數(shù)據(jù)與聲壓求解式(4)計算出聲波的聲場分布，獲得聲波信號后用聲源重建式(5)可以得到生物組織仿體的聲源分布圖像，z=-8 mm、z=0 mm、z=10 mm三個層面的聲源分布圖像，如圖6所示。將重建的聲源圖像與電導(dǎo)率圖像進(jìn)行對比可知，重建的聲源圖像顯示了電導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)形狀，與生物組織仿體的邊界輪廓高度吻合，很好的反映出電導(dǎo)率的形狀與尺寸，聲源的平面分布能明顯地區(qū)分模型的電導(dǎo)率邊界。

圖6 重建的聲源圖Fig.6 Reconstructed acoustic source image

3 討論

磁感應(yīng)磁聲成像是一種新型的組織電特性功能成像方法，具有電阻抗成像高對比度與超聲成像高分辨率的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對腫瘤等疾病的早期篩查、診斷和術(shù)后康復(fù)指導(dǎo)。本文考慮了聲換能器接收分布特性，對磁聲信號接收理論進(jìn)行了深入分析，建立了生物組織電導(dǎo)率仿體模型，進(jìn)行了磁感應(yīng)磁聲成像的仿真實驗。

電磁場分析仿真結(jié)果可知，電導(dǎo)率的分布與生物組織仿體的層析結(jié)構(gòu)形狀高度一致，電導(dǎo)率成像能夠充分顯示生物組織仿體的形狀和尺寸。感應(yīng)的電流場為有旋場，且電導(dǎo)率高的地方渦電流數(shù)值比電導(dǎo)率小的地方渦電流大，模型渦電流的中心電流為零，趨向于邊界時，電流密度增大。重建結(jié)果顯示，電導(dǎo)率的邊界相對內(nèi)部聲源明顯較大，即振動聲源幅值大。重建結(jié)果能夠明顯區(qū)分電導(dǎo)率邊界以及生物組織仿體的形狀尺寸。

在以上仿真實驗中，并沒有考慮實驗中存在的各種噪聲的影響，例如亥姆霍茲線圈激勵源對磁聲成像系統(tǒng)的產(chǎn)生的瞬時脈沖電磁干擾[14]，電路的電子噪聲等。而且，本研究雖然考慮了聲換能器的聲場分布特性，較原有理論接近實際情況，但還未考慮聲換能器的頻帶寬度問題，這在今后的研究中，應(yīng)充分考慮。

4 結(jié)論

本文定性地分析了磁感應(yīng)磁聲成像的工作原理，在考慮聲換能器接收特性的基礎(chǔ)上，探討了磁聲信號的接收機(jī)制，建立了生物組織電導(dǎo)率模型，并實現(xiàn)了逆問題聲源成像。本文通過仿真實驗驗證了磁感應(yīng)磁聲成像的可行性，也為磁感應(yīng)磁聲成像實驗系統(tǒng)平臺的搭建和設(shè)計提供了理論參考，為進(jìn)一步深入研究磁感應(yīng)磁聲成像打下了基礎(chǔ)，有望促進(jìn)磁聲成像技術(shù)的發(fā)展。

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Simulation Study on Acoustic Source Reconstruction of Magneto-Acoustic Tomography with Magnetic Induction (MAT-MI) Based on Transducer

【W(wǎng)riters】WANG Shigang1, CUI Dong1, WU Yingying2, YOU Minjuan3, CAO Weifang1, GUO Yongxin1, JIAO Qing1

1 Department of Radiology, Taishan Medical University, Tai'an, 271016
2 Department of Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai’an, 271000
3 Center of Information, Shandong Medicine Technician College, Tai’an, 271016

Objective In order to accurately reconstruct the acoustic source image, the application of transducer’s receiving characteristics in magneto-acoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI) is studied. Methods The conductivity phantom model is built, and the magnetic acoustic signals are simulated and the acoustic sources are reconstructed according to the transducer’s receiving characteristics. Results The reconstructed image of acoustic source is consistent with the topographic shape and size of the phantom model. Conclusion MAT-MI based on the transducer’s characteristics lays the foundation for further study.

magneto-acoustic tomography with magnetic induction (MAT-MI), transducer, acoustic source, reconstruction

R318

A

1671-7104(2015)01-0013-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.004

2014-07-09

山東省高等學(xué)校科技計劃項目（J14LK55）；泰安市科技發(fā)展計劃（20132104、201440774）

王世剛，E-mail: sgwang@tsmc.edu.cn

崔棟，E-mail: cuidong_cd@126.com