中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院馬任 等：磁聲成像系統(tǒng)矩陣特征值差異性仿真研究

原創(chuàng)2021-05-07 06:58·電氣技術(shù)

團(tuán)隊(duì)介紹

• 馬任，助理研究員，研究方向?yàn)槎辔锢韴鲴詈想娞匦猿上袼惴ā?/li>
• 劉志朋，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇怕曬詈闲?yīng)組織電特性成像方法。

本課題組是國內(nèi)外較早開展磁聲成像技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)之一，圍繞磁聲耦合電特性成像研究，課題組所在的中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所醫(yī)學(xué)物理與醫(yī)學(xué)測量實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了多項(xiàng)國家、省部及院校研究課題，并建立了較好的磁聲成像研究平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)條件。

經(jīng)過多年研究積累，本團(tuán)隊(duì)對磁聲耦合關(guān)鍵技術(shù)的研究在2019年獲得了天津市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，目前本團(tuán)隊(duì)正在承擔(dān)國家重大科研儀器研制項(xiàng)目(基于磁聲耦合效應(yīng)的無創(chuàng)腦深部精準(zhǔn)定位聚焦刺激技術(shù)與儀器研究2020.01-2024.12)。

為具體分析檢測條件對磁聲成像系統(tǒng)重建的影響，獲取高分辨率電導(dǎo)率圖像，提出了基于磁聲成像系統(tǒng)矩陣特征值的分析與重建方法，該方法通過對不同磁聲系統(tǒng)矩陣特征值分布的比較，最大限度的提取磁聲信號(hào)中包含的電導(dǎo)率信息，為磁聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和后續(xù)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

研究背景

生物組織電特性分布與腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)，如果能對生物組織電特性進(jìn)行無損成像，將有利于對腫瘤進(jìn)行早期診斷，為早期治療創(chuàng)造條件。

磁聲成像(Magneto Acoustic Tomography, MAT)技術(shù)是一種利用電磁場及超聲場的耦合成像技術(shù)，能以超聲分辨率來顯示電導(dǎo)率分布。但生物組織電分布復(fù)雜，檢測生物組織磁聲信號(hào)信噪比低，造成電導(dǎo)率圖像重建分辨率較差。

隨著實(shí)驗(yàn)仿體電導(dǎo)率逐漸降低并接近生物組織，對磁聲成像系統(tǒng)的信噪比要求將進(jìn)一步提高。因此，研究不同磁聲成像檢測條件對磁聲成像系統(tǒng)的影響，并提高磁聲信號(hào)包含電導(dǎo)率信息的利用率，是促進(jìn)磁聲成像方法走向動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床應(yīng)用的必要條件。

論文所解決的問題及意義

為了分析不同磁聲成像系統(tǒng)對磁聲重建的影響、提高電導(dǎo)率分布成像分辨率，本文基于矩陣特征值分析方法，對各檢測條件下的磁聲成像系統(tǒng)矩陣的特征值進(jìn)行對比，從而分析不同檢測條件對磁聲成像的影響，探索如何最大限度地利用磁聲信號(hào)提供的電導(dǎo)率信息，實(shí)現(xiàn)不同信噪比條件下的最優(yōu)化電導(dǎo)率圖像重建。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

磁聲成像正問題是從待成像組織的電阻抗分布到檢測到的超聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，則逆問題則是由采集到的超聲信號(hào)重建待成像組織內(nèi)部電導(dǎo)率的問題，其系統(tǒng)模型如圖1所示。

從圖1可以看出，系統(tǒng)模型A包含從電導(dǎo)率分布到產(chǎn)生超聲信號(hào)過程中的各種物理耦合效應(yīng)，超聲換能器特性及磁感應(yīng)磁聲聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置等參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成及圖像重建的聯(lián)系紐帶。為了研究磁聲成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過程，建立系統(tǒng)矩陣模型A并對其特性進(jìn)行分析是電導(dǎo)率參數(shù)重建的重要步驟，也是提高超聲信號(hào)信息提取，完善磁聲成像檢測方法的重要步驟。

本文從磁聲聲源項(xiàng)出發(fā)，由磁聲耦合理論，磁場、感應(yīng)渦電流及聲壓是時(shí)間和空間的函數(shù)，根據(jù)生物組織中電場磁場聲場的機(jī)電耦合機(jī)制推導(dǎo)了磁聲聲壓信號(hào)與生物組織電導(dǎo)率分布之間的關(guān)系方程，并利用有限差分方法建立了磁聲成像模型矩陣A。

圖1 磁聲成像系統(tǒng)模型示意圖

本文為對不同條件下的系統(tǒng)矩陣A進(jìn)行分析，采用特征值分解方法求解了矩陣的特征值分布。這些特征值反映了電導(dǎo)率分布與超聲聲壓的線性關(guān)系，可以通過這些特征值的分布對系統(tǒng)的抗噪性及穩(wěn)定性進(jìn)行初步的評估，從而選擇最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行圖像重建。

圖2給出了分別在20dB信噪比及40dB信噪比條件下接收磁聲信號(hào)對磁聲圖像重建的影響?？梢钥闯?0dB信噪比的磁聲信號(hào)數(shù)據(jù)量級(jí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于40dB信噪比的磁聲信號(hào)。因而造成在重建過程中，20dB信噪比的磁聲信號(hào)可利用的能反映圖像重建細(xì)節(jié)的特征值會(huì)變少，同時(shí)特征值逆矩陣的幅值變大，噪聲信號(hào)的影響將逐步被放大，導(dǎo)致重建圖像質(zhì)量下降。

通過上述方法驗(yàn)證，可以說明特征值大小分布、磁聲信號(hào)信噪比及圖像重建質(zhì)量之間的關(guān)系。

圖2 含不同級(jí)別噪聲磁聲信號(hào)Picard圖

采用上述方法，本文分別對不同接收換能器個(gè)數(shù)、不同采樣角度及不同頻帶換能器這三種方式的特征值進(jìn)行了分析與比較。證明了系統(tǒng)矩陣特征值分析方法可用于比較不同條件下磁聲實(shí)驗(yàn)的圖像重建性能。

結(jié)果表明在相同的條件下，聲換能器的個(gè)數(shù)及頻譜分布會(huì)極大影響磁聲成像系統(tǒng)重建圖像分辨率，而不同角度采樣方式不會(huì)影響重建圖像的分辨率，但由于換能器特性，少量采樣角度并不能完整獲取到整體電導(dǎo)率分布的信息，僅有部分信息會(huì)被采集和重建。

結(jié)論

本文對不同條件下磁聲成像系統(tǒng)矩陣的特征值開展研究，并給予特征值分解方法對各種不同條件下的電導(dǎo)率圖像重建進(jìn)行分析比較。

仿真結(jié)果證明換能器個(gè)數(shù)及換能器帶寬特性對電導(dǎo)率信息的重建影響很大，而接收角度對接收電導(dǎo)率信息影響不大，但接收角度會(huì)影響求解域，從而造成磁聲信號(hào)接收不全，重建的電導(dǎo)率圖像失真。

仿真結(jié)果也證明了該方法可在一定噪聲級(jí)別下最大限度的提取磁聲信號(hào)中的電導(dǎo)率信息，重建電導(dǎo)率分布圖像，其中大特征值可用于電導(dǎo)率邊界分布，小特征值受噪聲影響較大，可用于重建電導(dǎo)率內(nèi)部分布及細(xì)節(jié)。

該方法可以用于分析和完善磁聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對磁聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和后續(xù)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

引用本文

馬任， 周曉青， 張順起， 殷濤， 劉志朋. 磁聲成像系統(tǒng)矩陣特征值差異性仿真研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(4): 724-731. Ma Ren, Zhou Xiaoqing, Zhang Shunqi, Yin Tao, Liu Zhipeng. Simulation Study on the Eigenvalue Difference of the System Matrix in Magneto-Acoustic Tomography. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 724-731.