声学非均匀媒介的磁感应磁声成像重建算法生物医学工程专业论文.docxVIP

摘要磁感应磁声成像(Magnetoacoustic 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。 关键字：磁感应磁声成像、声学非均匀，时域有限差分，代数迭代重建 万方数据 ABSTRACTMagnetoacoustic ABSTRACT Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction(MAT-MI)is a new f．unctional imaging method，which take advantage of the good contrast of Electrical Impedance ‘I‘omography，together with the good spatial resolution of Ultrasonography．Owing to a multiphysics coupling technology，both of acoustic characteristics and electrical characteristics should be taken into consider in the study ofMAT—MI．This paper discussed the propagation of acoustic wave under the impact of different acoustic characteristics in MAT-MI．The acoustic inhomogeneous medium，meanwhile，was considered in the reconstruction problem． Firstly，on the basis ofthe magnetoacoustic coupling theory and acoustic basic equation， we deduced the formulas to solve the forward and inverse problems in the condition of acoustic homogeneous and heterogeneous properties．After