各向异性介质感应式磁声成像正问题仿真研究-生物医学工程专业论文.docxVIP

Dissertation Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Biomedical Engineering RESEARCH ON FORWARD PROBLEM OF MAGNETOACOUSTIC TOMOGRAPHY WITH MAGNETIC INDUCTION BASED ON CONDUCTIVITY ANISOTROPY MEDIA by Bai Ling Supervisor: Prof. Li Ying Associate Prof. Zhang Shuai Novermber 2014 This work was supported by the Natural Science Foundation of Hebei. No. E2015202292 and the Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technology under Grant. No. 13JCQNJC14100. i PAGE PAGE iv iii iii 摘 要 感应式磁声成像（Magnetoacoustic Tomogrphy with Magnetic Induction，MAT-MI） 是一种融合了电阻抗成像与超声成像的新型功能成像技术，具有良好的时间分辨率和 空间分辨率。当前针对 MAT-MI 的研究大多基于电导率各向同性的假设，然而，生物 组织如肌肉和神经（脑白质）等则具有非常明显的电导率各向异性特性；而且，与正 常组织相比，肿瘤可能具有不同的电导率各向异性特性。在 MAT-MI 成像过程中，电 导率各向异性对感应涡流密度、声源分布和声压大小均可产生影响，若仍沿用各向同 性的假设，则可能会引入较大误差，进而影响逆问题中电导率图像重建的质量。因此， 针对电导率各向异性介质，开展 MAT-MI 正问题仿真分析，具有十分重要的科学意义 和应用价值。 本文首先建立了电导率各向同性乳腺同心球和偏心球模型，进行了正问题仿真计 算。结果表明：涡流密度分布在不同电导率区域明显不同，由声源分布可明确区分成 像目标位置与边界，成像目标边界处声源引起了探测位置声压信号的大幅变化。同时， 本文验证了模型的收敛性。然后，将样品电导率张量设置为各向异性，分别构建了同 心球和偏心球模型，改变内层球半径、位置及其电导率三个参数，完成了正问题求解。 与各向同性结果对比发现：电导率各向异性张量引起涡流密度分布在该方向发生改 变，计算场域内声源分布变得更加复杂，探测位置声压峰值发生显著变化。本文的研 究结果可为下一步进行硬件实验和各向异性电导率重建提供理论基础。因此，MAT-MI 正问题计算应充分考虑介质电导率各向异性的影响，以便更精确求解 MAT-MI 逆问题， 实现高精度电导率重建。 关键字：感应式磁声成像 正问题 电导率 各向异性 有限元法 ABSTRACT Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction (MAT-MI) is a new proposed imaging modality to image the electrical impedance of biological tissue, which combines the electrical impedance tomography with high contrast and sonography with high spatial resolution. Current researches on MAT-MI mainly concentrate on isotropic media which ignore the characteristics of conductivity anisotropy. However, some of the biological tissues, such as muscle and white matter in the brain, show significant conductivity anisotropy. Furthermore, compared with normal tissue, tumor tissue may have different conductivity anisotropic tensor. In MAT-MI, conductivity anisotropy has effect on the total amount and distributio