基于系统矩阵优化的二维磁性粒子成像研究

磁性粒子成像(MPI)是一种新型高分辨率成像技术,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性响应构建系统矩阵进而重建磁性纳米粒子的浓度分布,提高重建速度并降低存储空间需求和计算复杂度是实现实时成像的关键.本文将磁性粒子的非线性磁化响应特征与电磁感应定律相结合获取检测点电压信号,进一步考虑接受线圈的灵敏度可得电压信号与磁性粒子浓度的关系,利用傅里叶变换及频域矩阵展开分析了影响系统矩阵的因素,系统分析了系统矩阵频率分量的选取以及不同接收方向对重建图像的影响.结果表明,通过选取高频段信号可以优化系统矩阵分量的空间结构;通过增加频率分量可以构建线性无关方程组,使方程的解唯一化,提高重建精度和质量;通过不同接收方向系统矩阵的重组,使系统矩阵拥有更丰富的空间结构,进而提高浓度分布重建图像的质量.本研究对MPI技术进行磁性纳米粒子浓度重建起到了重要的指导作用,在新型生物医学成像领域有着广阔的应用前景.     

磁性纳米粒子的磁声谐波成像研究

磁性纳米粒子(MNPs)具有良好的磁响应、生物相容性和降解性等优点,在早期肿瘤诊疗中得到了广泛应用.本文基于MNPs在交变磁场激励下的磁声谐波响应,利用锥形磁芯的汇聚作用,开展了基于MNPs的磁声谐波成像研究.首先构建锥形磁芯的电磁激励模型,产生了具有大磁场强度/梯度分布的磁场区域,并基于MNPs的磁矩、机械振动和声传播研究了有效磁场区域内粒子的声辐射特性,推导了磁声谐波响应声压公式,实现了基于磁声谐波声压的二维扫描成像;然后研究了非理想锥尖条件下平顶高度对有效磁场区域半径、声压以及穿透深度的影响,结果表明非理想锥尖可以提高磁声谐波响应和穿透深度,但会一定程度降低谐波成像分辨率;最后利用环形坡莫合金的磁屏蔽效应来减小有效磁场区域,提高MNPs谐波成像的分辨率和对比度,在生物组织的浅表成像中展现良好的应用价值.     

基于组织电阻抗差异的磁声电检测技术

磁声电(MAE)检测是一种基于超声传播和霍尔效应的多物理场耦合新技术,利用磁场中带电粒子超声振动所产生的电势信号来实现生物组织电阻抗差异的测量.本文基于换能器的振动传播和组织电导率分布,推导了导电组织内MAE信号的解析公式,并利用强指向性换能器进行了公式简化.利用三层电导率突变组织模型进行了数值模拟,结果表明检测到的MAE波簇由组织边界产生,其振动幅度和极性反映了超声传播方向上电导率梯度的大小和方向.建立了一个MAE测量实验系统,对多层凝胶组织模型进行了实验测量,所采集的MAE信号和模拟结果高度一致.理论和实验结果证明,所提出的磁声电检测技术能测量组织边界的电导率梯度,反映超声传播路径上的电阻抗差异,为该技术在生物组织电导率的无损检测和成像提供了新方法.     

高强度聚焦超声治疗中基于电阻抗相对变化的组织温度监测技术

高强度聚焦超声(HIFU)通过聚焦超声的声热效应对肿瘤组织进行局部快速的热疗,是一种非侵入性的无创肿瘤治疗新技术,而其治疗过程中温度监测是HIFU治疗中剂量精准控制的关键.本文基于HIFU的声传播基本原理,建立了HIFU治疗和组织电阻抗测量的模型,数值模拟了治疗过程中焦域的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化,计算了模型的电阻抗的整体变化,结果表明在一个规定的HIFU声功率作用下,组织模型的电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系.按照仿真条件,建立了HIFU治疗和电阻抗实时测量的联合实验系统,在不同声功率和治疗时间条件下,对组织模型的电阻抗相对变化进行了测量,实验结果和理论仿真结果基本一致.研究结果证明用电阻抗相对变化进行HIFU治疗中焦域温度监控的可行性,为其疗效检测和剂量控制提供了新方法.     

聚乳酸微孔支架材料热分解动力学特性

基于热重测量法提出了一种对组织工程PLA微孔支架材料进行泡孔孔径相关的热分解动力学特性评价和寿命估计的新方法.实验研究中采用无溶剂CO2超临界固态发泡技术,在1～5MPa饱和压力下制备了泡孔孔径550～20μm的聚乳酸(PLA)支架材料,并进行热分解动力学研究,获得了PLA支架材料的泡孔孔径所决定的热稳定性、降解时间以及寿命的估计.实验结果证明,高饱和压力条件下制备的PLA支架材料具有小泡孔孔径和大泡孔密度;PLA原材料经过发泡后热稳定性下降,降解时间缩短;在较低温度下大泡孔孔径支架材料具有较低的活化能和较差的热稳定性,其分解时间缩短到原材料的几十分之一.研究结果可以针对组织器官对支架材料的泡孔孔径和降解时间的要求,优化固态发泡制作参数,为组织工程支架材料的精确设计及其降解特性的定量分析提供依据.     

基于轨道角动量谱分解的多通道水声通信及系统实现

水声通信能够实现信息的长距离传输,在深海探索和军事领域发挥重要作用.然而,由于换能器带宽和声波波长的影响,水声通信的发展与应用受到传输衰减大和信道容量低以及频谱利用率不足的限制.本文结合复用涡旋声束(AV)和轨道角动量(OAM)谱分解技术,研究了基于环形收发阵列的多通道水声通信方法,并系统实现.基于发送数据的ASCII编码,利用全息信号的幅度和相位调制,驱动环形换能器阵列发射沿轴传输的多通道OAM复用涡旋声束,并通过环形换能器阵列的信号采样和OAM谱分解完成复用涡旋声束的OAM模态解码,实现了高效的并行数据传输.构建了8声源环形收发阵列和全息相控系统,开展了6通道水声通信研究,成功实现了复用涡旋声场的实验测量和OAM解码,并与传统单通道二进制串行数据通信进行性能比较.理论和实验结果证明,基于OAM谱分解的通信通道数由发射阵列的阵元数N决定,其解码精度由发射信号的相位精度和接收阵列的阵元数决定;阵元数N≥1的大阵列系统在满OAM模式复用条件下的传输速率约为传统水声通信的N倍.本研究表明基于OAM谱分解的多通道通信可大幅提高信道容量和频谱利用率,为其在水声通信中的实际应用提供了一种实用方案...