基于磁致边界振动希尔伯特变换的电导率重建简化算法

磁声成像是一种结合电阻抗成像和超声成像优点的多物理场耦合新型成像方法,能实现组织的电阻抗对比成像,重建组织内部电阻抗分布的边界.本研究首先利用强指向性换能器来提高磁致振动检测的方向精确性,通过磁声声压导数实现边界振动声源法向声压的提取;然后从换能器的接收声压出发,利用三维空间的格林函数推导了一种基于磁致边界振动法向声压的电导率重建算法,明确了重建过程中声压及其导数的物理意义;最后建立了圆柱坐标下的柱状扫描系统,对双层偏心圆柱组织模型所产生的声压和换能器所接收到的磁声声波进行了模拟,利用Hilbert变换实现波簇包络定位和相位分析,恢复磁致边界振动声压,重建扫描面的二维电导率分布和模型截面具有较高的一致性,不但获得了组织的边界信息,还实现了组织内部电导率分布的精确重建.所提出的基于磁致边界振动希尔伯特变换的电阻抗重建简化算法为组织病变的电阻抗成像和磁声诊断提供了新方法.     

MDEIT中电流密度成像替代电导率成像的可行性分析

针对新型磁探测电阻抗成像技术的正问题,利用有限元方法求解得到目标体内部的电压和电流密度分布,然后根据Biot-Savart定律获得目标体外部的磁感应强度数据,并且分析了有限元方法计算正问题的精度.结果表明,其足以用于磁探测电阻抗成像的电导率图像重建.在此基础上,通过仿真实验发现环形电极模式避免了电流的扩散效应,远离电极部分的z方向电流密度图像与电导率图像一致,以电流密度成像替代电导率成像,使得磁探测电阻抗成像简化为磁探测电流密度成像,缩短了数据测量时间和图像重建时间,为快速成像奠定了基础.     

微扫描超分辨率超声成像技术研究

针对提高超声成像的分辨率问题展开研究,提出了微扫描超分辨率超声成像的方法.通过将微扫描和超分辨率技术结合并应用于超声成像中,微扫描技术获取满足超分辨率技术的多幅低分辨率图像,然后应用超分辨率图像重建算法获取高分辨力图像,并对此过程进行了仿真.仿真结果表明:提出的基于微扫描的超分辨率超声成像方法在实际应用中有一定的可行性,对提高超声成像设备的分辨率具有参考价值.     

超声脑成像和经颅超声传感增强方法

超声脑成像技术在脑疾病的诊断和治疗方面有着广泛的应用前景，具体包括超声多普勒成像、超声造影成像、超声定位显微成像、超声弹性成像和时延校正成像。由于颅骨声阻抗与背景介质声阻抗存在显著差异，超声经颅传播时会产生强烈的反射、衰减、波形畸变等，导致超声图像的信噪比降低。针对此问题，本文介绍了基于变换声学理论的颅骨互补声学超构材料设计方法，并通过仿真来验证该方法的有效性。仿真结果表明：具有各向异性参数分布的双负声学超构材料能够抵消颅骨畸变层带来的声衰减及波形畸变，使声波在几乎不造成能量损失的情况下通过颅骨畸变层，从而实现超声透射传感增强。该方法对研究基于声学超构材料的无创高分辨率超声脑成像技术具有重要意义。     

基于声全息的超透镜成像改进方法研究

针对空间Fourier变换的倏逝波近场声全息研究方法存在的缺陷,提出了在近场用声学超透镜代替离散分布在全息面上的声传感器的改进方法。先将声源信息汇聚于一点,再用声压传感器在聚焦点采集声源信息,实现声源识别、定位以及重建,从而有效地避免因离散采集而带来的"窗效应"和"卷绕误差"。建立物理模型,运用COMSOL软件模拟仿真,得到入射波与透镜汇聚声波的能量值比值接近1,成像效果良好,应用前景广阔。     

磁感应磁声成像结果的影响因素分析

本文以声探测器的不同扫描半径与扫描步进角度重建声源图像,将成像结果进行对比。结果显示声探测器声场的非聚焦区成像效果较好;声探测器的扫描步进角度越大,成像效果越差。结论是声探测器的扫描半径与扫描步进角度对成像结果有一定的影响,结果可以优化磁感应磁声成像实验系统。     

基于反卷积算法的超声图像优化方法

超声成像技术因其无侵入、低成本、快速、可便携化的特性，成为医学成像领域的一大研究热点.然而，受限于声波的传播特性、成像算法的弊端以及硬件发展，超声图像存在成像深度小、大量伪影、分辨率低等问题.针对超声图像中的目标混叠和分辨率低下问题，提出了一种基于信号处理的超声图像优化方法，通过反卷积算法对超声探头采集到的原始信号进行处理，再将处理后的信号按照延时求和成像算法重建为图像.提出的方法可以减轻信号间的混叠，最终减轻图像中的混叠，令图像中原本难以辨认的微小结构和细节信息得以展现.通过仿真和实验证明，经过处理后的信号所重建的图像质量优于原始信号所重建的图像，验证了提出的信号处理方法的有效性.     

Fourier变换重建超声图像的研究

基于有限衍射波理论的高帧率(high frame rate，HFR)超声成像系统是通过发射平面波成像的．由于采用平面波，故成像区域为矩形．为了得到扇形成像，提出了一种更一般化的Fourier重建图像的方法，它同样基于一次发射就可重建超声图像．与原HFR方法不同的是发射声场可以是非平面波．在非平面波声场中进行了计算机仿真．由于采用了由零阶汉克尔函数所定义的圆柱场，获得了具有扇形形状的超声图像，仿真结果显示了新方法的有效和更具有一般性的特点．     

基于增强倏逝波的声透镜光声成像系统设计

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法。在分析当前光声成像系统中传统声学透镜的倏逝波衰减导致包含图像细节的高频信息丢失的基础上,提出使用负折射透镜,让倏逝波参与成像,突破传统声学透镜的衍射极限,从而大幅提高成像分辨率。同时依据光声效应产生的超声波具有波的特性,在研究中还发展、完善了声学信息系统的相关理论以及三维声成像技术。通过实验对比得到了超越普通声学透镜的生物组织的光声成像效果。     

基于高分辨超声成像平台的无创血管力学及动力学特性分析研究报告

该研究提出了一种可同时无创测量颈动脉壁力学特性、血管壁剪切率的变化以及脉搏波在局部短距离血管片段上传播速度的超声定量成像和评价方法。为了提高超声成像的分辨性能,同时补偿由于入射角度不同造成的血管侧壁灰度的非均匀性,在应变估计之前首先对超声图像进行了高分辨图像重建与灰度非均匀性的校正。在相同的成像平面下,保持声束与血流的夹角呈90°,血流速度与剪切率沿管径的分布可由沿血管直径方向采集的若干个位置处的横向多普勒信号重建得到。最后,使用超快速平面波成像技术结合射频互相关算法可获取沿38 mm血管片段的膨胀波群及脉搏波传播速度。目前临床动脉粥样硬化病人的在体实验已证实了该方法在斑块早期诊断中的有效性,因此该研究提出的超声定量成像和评价方法有望成为一种颈动脉粥样硬化斑块普查的新手段。     

Radiation theory comparison for magnetoacoustic tomography with magnetic induction （MAT-MI）

Based on the principle of Lorentz force induced acoustic vibration, radiation theory comparison between acoustic point and dipole sources was conducted for magnetoacoustic tomography with magnetic induction （MAT-MI）. It is proved that each acoustic source of MAT- MI is produced by the divergence of the magnetically induced Lorentz force, and the detected acoustic pressure is the integral of all diffraction sources inside the object. Wave clusters are produced by abrupt pressure changes at conductivity boundaries, and only the configurations in terms of shape and size of phantom models can be recon- structed. However, different from point source, positive and negative pressures are generated by the radiation pat- tern of dipole sources. Reverse vibration phases of wave clusters in collected waveforms and opposite polarities of borderline stripes in reconstructed images are produced at conductivity boundaries, representing the direction of conductivity changes. The experimentally collected wave- forms and reconstructed images of the aluminum foil cylinder and cylindrical saline gel phantom model agree well with simulated results. The favorable results prove the validity of the radiation theory of acoustic dipole source and provide basis for further investigation of conductivity reconstruction for MAT-MI.     

基于Hessenberg测量矩阵的超声图像重建

针对超声图像连续性差、自身具有稀疏性的特点,提出了一种适用于超声图像的压缩感知重建方法。该方法以小波变换为稀疏基,Hessenberg矩阵为测量矩阵,引入正交匹配追踪(OMP)算法实现了超声图像的重建。超声C-扫描图像重建结果表明在观测数据采样率降低、数据缺失等条件下均能清晰的成像,验证了该方法的有效性。此外,本文给出Hessenberg测量矩阵的有限等距性(RIP)性质证明;并与基于Toeplitz测量矩阵的图像重建方法进行了比较,实验结果表明利用本文方法的重建图像在平均结构相似度(SSIM)、峰值信噪比(PSNR)和三维差值图等指标上均较优。该压缩感知重建方法在采样率为50%,原始数据较差的前提下,成功恢复出相似度在80%以上的超声图像。     

基于肺部先验知识的电阻抗成像重构算法

为获取人体肺部组织分布,结合人体肺部组织的结构特征,运用大型有限元仿真软件COMSOL,根据CT肺部扫描图像构建人体肺部模型,同时结合人体组织和器官电导率分布参数等信息,并考虑肺部先验知识,采用共轭梯度算法重建被测场电导率分布图像．仿真实验表明,灵敏场均匀性指标由基于圆形场域的34．218减少到基于肺部模型灵敏场域的15．568,灵敏场的均匀性得到明显改善,且重构图像具有较高的分辨率和图像质量．     

单电流注入的三维MREIT快速重建及实验

磁共振电阻抗成像（MREIT）是将磁共振成像（MRI）与传统电阻抗成像（EIT）技术相结合的一种电导率成像技术,通过提供成像体精确的几何信息与成像体内部的磁通密度值,改善了电阻抗成像的病态性,使得电导率图像的分辨率显著提高．针对MREIT系统的快速成像问题,在分析磁共振电阻抗成像的数学模型和正逆问题的基础上,提出利用单次电流的磁通密度分量即可进行电导率图像重建的方法,缩短了测量时间,并降低了电极间的电磁干扰;将灵敏度矩阵法扩展到三维MREIT,采用半解析法计算灵敏度矩阵,使得图像重建速度得到提高;并通过仿真与仿体实验验证了该方法的有效性．结果表明获得的电导率分布图像具有较高的分辨率和图像质量,测量与重建时间的缩短为MREIT的临床应用奠定了基础．     

带参数校正模型的三维超声重建算法

在采用旋转扫描的三维超声系统中,基于传统的三维重建算法提出了一种带校正参数模型的三维重建算法.通过引入该参数模型,更加准确地描述了用于三维重建的二维序列图像的空间位置,从而可获得更高重建精度和更小几何变形的三维超声图像.校正参数模型通过参数优化的方法获得.该方法在模拟数据和实际三维超声数据中获得了验证,与传统三维重建方法相比,具有更高的重建精度,为在低制造精度下获得高精度三维超声图像提供了一种有效手段.     

基于等效源法的单全息面声场分离机理及技术

声场分离是实现声场精确重建的一种前处理技术。为改进双全息面分离声场技术采用的测点数目多、分离精度受两全息面之间距离影响等问题。提出一种等效源法的单全息面声场分离方法。利用空间变换的声全息技术识别出声源的大致位置，结合等效源法中声压和法向振速之间的关系，建立起声压和法向振速的分离公式。仿真分析了脉动球作为干扰源的分离结果，结果表明，该方法具有较好的分离精度。可见该方法能在单测量面下实现多相干声源声场的有效分离。     

具有噪声鲁棒性的三维磁性纳米粒子成像快速重构方法

为提升磁性纳米粒子三维成像和重构速度,降低三维重构对采样投影数据完备性要求,针对含噪声投影数据三维重构优化问题,本文提出了一种具有噪声鲁棒性的三维磁性纳米粒子成像快速重构方法（noise-robust 3D sparse sampling magnetic particle imaging,3D NRSS-MPI）. 该算法通过求解一个由MPI投影成像正向模型l₂范数和稀疏正则约束建立的凸优化问题实现3D MPI图像重构. 模型不受MPI扫描轨迹限制,为不断发展的MPI新技术提供了普适性的基础模型;建立的三维全变分稀疏算子（3D total variation sparse operator, 3D TV Sparse Operator）利用MPI先验信息提升含噪MPI投影数据三维重构的鲁棒性,且可以进行无矩阵运算,大幅提升了运算效率. 通过点源和冠状血管模型成像实验表明,在1/4欠采样下,本文3D NRSS-MPI方法可以有效消除重构图像星状伪影,获取较高的图像信噪比,同时冠状动脉重建结构相似性超过0.701,可以准确地对欠采样、有噪声的MPI数据进行快速而稳健的重建,有效缩短了4倍成像和重构时间.      

生物电阻抗复合检测及成像系统设计

根据临床应用中对疾病快速检测及定位的需求,提出了磁感应结合电阻抗的复合检测方式,利用磁感应方式无须直接接触,测量效率高.而采用加密和交叉测量的电阻抗测量方式,检测深度大,定位准确.实现了便携的一体化硬件设计,稳定的双恒流源激励,可加密的复合检测方式,交叉平面数据获取,三维图像重构成像等,通过复合电阻抗成像物理模型分析两种方式相结合后场域内电导率、分辨率、相对位置误差等,结合灵敏度关系分析该方式的特点,形成了包括精准前端采集、高效图像处理、适用范围广的软硬件系统,能够获得微弱的生理信号采集,满足床旁实时动态监测,快速医疗诊断,以及社区医疗初步筛查等需求.