基于脉冲压缩的磁热声成像新方法研究

Magnetically mediated thermoacoustic imaging (MM-TAI)is a innovative international multi-physics field imaging method proposed in 2013. This imaging method combines the advantages of high contrast for electrical impedance tomography (EIT) and high spatial resolution of ultrasound imaging, which is hopeful to solve the problem of low spatial resolution of EIT.Compared with magneto-acoustic tomography, MM-TAI system eliminates the static magnetic field, and reduces the complexity of the imaging system. At the meantime, compared with microwave thermo-acoustic imaging, MM-TAI improves the penetration depth of biological tissue greatly. However,the research is still in the stage of simple physical model at present, and there is very great disparity in clinical application.This project proposes an innovative magnet-thermo-acoustic imaging technology, called Magnet-thermo-acoustic tomography based on pulse compress technology (MTAT-PCT). It will be devote to study on the excitation detecting theory which fuses MHz magnetic resonance, linear modulation and pulse compression, and helpful to improve the tomography's signal-to-noise ratio. To break through the unreasonable assumption that electric field strength and electrical conductivity of biological tissue is independent, we first deduce the nonlinear Poisson's equation and double curl equation including the heat function, and propose two rebuilding conductivity algorithms based on the scalar and vector electric potential. As a result,it could be expected to further promote the practical application of this technology, and form a new high resolution EIT method holding independent intellectual property rights.

磁热声成像是国际上2013年最新提出的多物理场成像方法，融合了电阻抗成像（EIT）的高对比度和超声成像的高空间分辨率的优点，有望解决传统EIT空间分辨率不高的问题。该方法与磁声成像相比省去了静磁场，降低成像系统的复杂度，与微波热声成像相比大大提高了穿透深度。但目前的研究还停留在简单物理模型的初步研究阶段，与临床应用的差距很大。本项目提出一种基于脉冲压缩的医学磁热声成像新方法（MTAT-PCT），采用MHz磁谐振式、线性调制和脉冲压缩相结合的激励检测方式，实现微弱磁热声信号的高信噪比检测。突破生物组织的电场强度与其电导率无关的不合理假定，首次导出包含热函数的非线性泊松方程和双旋度方程，提出了两种从热函数中重建电导率的新方法--基于标量电位的电导率重建方法和基于矢量电位的电导率重建方法，使该技术向实际应用推进一步，形成具有中国自主知识产权的新型高分辨率电阻抗成像方法。

感应式热声成像和注入电流式热声成像均是利用电磁场的热声效应实现的新型成像技术，具有超声成像高分辨率和电阻抗成像高对比度的特点。.本项目开展了感应式热声成像正问题、逆问题的理论分析和数值模拟研究。在正问题的研究中，推导了二维模型电磁场控制方程及边界条件，采用标量电位法仿真分析了模型的热吸收系数分布，推导了热声波动方程，导出了格林函数积分解和解析解，仿真分析了超声换能器接收的热声信号。在逆问题的研究中，针对环形扫描热声成像，提出了基于时间反演法（或压缩感知理论）的最小二乘迭代重建电导率的算法，从正演模拟的热声信号中重建了目标体的热吸收系数分布图像和电导率分布图像；针对线性扫描热声成像，仿真分析了二维模型的热声图像。数值模拟结果为实验的设计提供了理论指导。设计搭建了感应式热声成像扫描实验平台：包括磁场激励系统、信号检测系统与扫描系统。以含氯化钠凝胶仿体为目标体进行了成像实验，成像结果与目标体电导率分布基本吻合，验证了感应式热声成像方法针对低电导率介质的可行性。提出了注入电流式热声成像方法，研究了线性扫描注入电流式热声成像的原理、建模和仿真分析，重建的热声图像可以反映模型电导率的分布，设计搭建了实验系统，通过含氯化钠凝胶仿体的成像实验，验证了系统的可靠性，成像分辨率约为2mm，通过离体猪肉组织的成像实验，验证了该技术用于生物医学成像的可行性。采用数值模拟方法分别研究了感应式热声成像和注入电流式热声成像的热声效应和磁声效应，比较了两种效应的大小，初步得出了磁声效应可以忽略的结论。.本项目突破了生物组织的电场强度与其电导率无关的不合理假定，首次导出包含热函数的非线性泊松方程和双旋度方程，提出了两种从热函数中重建电导率的新方法——基于标量电位的电导率重建方法和基于矢量电位的电导率重建方法，使该技术向实际应用推进一步，形成具有中国自主知识产权的新型高分辨率电阻抗成像方法。