中國醫學科學院馬任 等：磁聲成像系統矩陣特征值差異性仿真研究

原創2021-05-07 06:58·電氣技術

團隊介紹

• 馬任，助理研究員，研究方向為多物理場耦合電特性成像算法。
• 劉志朋，研究員，博士生導師，研究方向為磁聲耦合效應組織電特性成像方法。

本課題組是國內外較早開展磁聲成像技術研究的團隊之一，圍繞磁聲耦合電特性成像研究，課題組所在的中國醫學科學院生物醫學工程研究所醫學物理與醫學測量實驗室承擔了多項國家、省部及院校研究課題，并建立了較好的磁聲成像研究平臺和實驗條件。

經過多年研究積累，本團隊對磁聲耦合關鍵技術的研究在2019年獲得了天津市科學技術進步二等獎，目前本團隊正在承擔國家重大科研儀器研制項目(基于磁聲耦合效應的無創腦深部精準定位聚焦刺激技術與儀器研究2020.01-2024.12)。

為具體分析檢測條件對磁聲成像系統重建的影響，獲取高分辨率電導率圖像，提出了基于磁聲成像系統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矩陣特征值分布的比較，最大限度的提取磁聲信號中包含的電導率信息，為磁聲成像實驗設計和后續應用提供研究基礎。

研究背景

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

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

隨著實驗仿體電導率逐漸降低并接近生物組織，對磁聲成像系統的信噪比要求將進一步提高。因此，研究不同磁聲成像檢測條件對磁聲成像系統的影響，并提高磁聲信號包含電導率信息的利用率，是促進磁聲成像方法走向動物實驗及臨床應用的必要條件。

論文所解決的問題及意義

為了分析不同磁聲成像系統對磁聲重建的影響、提高電導率分布成像分辨率，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矩陣的特征值進行對比，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提供的電導率信息，實現不同信噪比條件下的最優化電導率圖像重建。

論文方法及創新點

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的轉換過程，則逆問題則是由采集到的超聲信號重建待成像組織內部電導率的問題，其系統模型如圖1所示。

從圖1可以看出，系統模型A包含從電導率分布到產生超聲信號過程中的各種物理耦合效應，超聲換能器特性及磁感應磁聲聲實驗系統的設置等參數，是實現信號生成及圖像重建的聯系紐帶。為了研究磁聲成像系統的轉換過程，建立系統矩陣模型A并對其特性進行分析是電導率參數重建的重要步驟，也是提高超聲信號信息提取，完善磁聲成像檢測方法的重要步驟。

本文從磁聲聲源項出發，由磁聲耦合理論，磁場、感應渦電流及聲壓是時間和空間的函數，根據生物組織中電場磁場聲場的機電耦合機制推導了磁聲聲壓信號與生物組織電導率分布之間的關系方程，并利用有限差分方法建立了磁聲成像模型矩陣A。

圖1 磁聲成像系統模型示意圖

本文為對不同條件下的系統矩陣A進行分析，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率分布與超聲聲壓的線性關系，可以通過這些特征值的分布對系統的抗噪性及穩定性進行初步的評估，從而選擇最優參數進行圖像重建。

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對磁聲圖像重建的影響。可以看出20dB信噪比的磁聲信號數據量級要遠遠低于40dB信噪比的磁聲信號。因而造成在重建過程中，20dB信噪比的磁聲信號可利用的能反映圖像重建細節的特征值會變少，同時特征值逆矩陣的幅值變大，噪聲信號的影響將逐步被放大，導致重建圖像質量下降。

通過上述方法驗證，可以說明特征值大小分布、磁聲信號信噪比及圖像重建質量之間的關系。

圖2 含不同級別噪聲磁聲信號Picard圖

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

結果表明在相同的條件下，聲換能器的個數及頻譜分布會極大影響磁聲成像系統重建圖像分辨率，而不同角度采樣方式不會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率分布的信息，僅有部分信息會被采集和重建。

結論

本文對不同條件下磁聲成像系統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率圖像重建進行分析比較。

仿真結果證明換能器個數及換能器帶寬特性對電導率信息的重建影響很大，而接收角度對接收電導率信息影響不大，但接收角度會影響求解域，從而造成磁聲信號接收不全，重建的電導率圖像失真。

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

該方法可以用于分析和完善磁聲成像實驗系統，對磁聲成像實驗設計和后續應用提供研究基礎。

引用本文

馬任， 周曉青， 張順起， 殷濤， 劉志朋. 磁聲成像系統矩陣特征值差異性仿真研究[J]. 電工技術學報， 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.