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基于洛伦兹力散度声源的磁声成像关键技术研究

作　者: 刘志朋
导　师: 王延群
学　校: 北京协和医学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 磁声耦合 洛伦兹力散度声源 声检测系统 相关估计 特征分析
分类号: TN912.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


磁声耦合效应成像是一种新型的旨在对早期病变组织进行诊断的功能成像方法。该方法利用磁声耦合效应,通过外加电磁场激励信号把反映组织电特性的信息转换为声信号进行检测,进而对声信号进行重建,实现组织电特性成像。该方法将输入的电磁能量转化为机械能,声源的产生和传播是关键问题。该方法的研究涉及到多学科交叉,仍处于探索阶段,还存在尚未解决的问题,目前仅实现了实验样本电导率边界信息的成像,尚未实现组织内部电导率信息的准确重建。本文为研究电磁激励下的电导率成像技术,通过理论模型仿真以及物理实验两条途径展开工作：首先,建立模拟实验样本声学、电学特性的长方体嵌套模型,建立基于洛伦兹力散度声源的电磁场、声场正逆问题仿真求解方法,在考虑声传感器特性基础上,求解声源信息和传播至样本表面的声压信号；反演重建声源分布和电导率分布；仿真比较磁脉冲激励和电流脉冲两种激励方式下产生声源的异同,结果表明磁脉冲激励下正问题声源除边界外有内部声源分布,两种方式下重建声源只有边界。其次,建立磁声耦合效应声信号检测实验系统,测试了实验系统的信噪比、分辨率等参数；为了比较激励源与声信号之间关系,设计实验,分别对直铜线、铜线圆环、导电橡胶样本进行电流脉冲激励,激励信号分别是0.7MHz、1MHz、1.3MHz的单周期正弦脉冲,采集记录样本激发的声压信号；采用频谱法分析声压信号频率特征,从信号与系统的角度分析输入输出幅频响应,分析声信号特征与激励信号的关系；采用相关估计法分析声压信号与激励源及声传感器响应之间的相关程度,建立激励源特征、声传感器响应与声信号之间关系,结果表明铜线与铜环激发声信号与激励源、声传感器响应相关程度较好；导电硅胶的信号与两者之间相关性非常小。在分析声信号特征基础上,建立声信号重建声源的反卷积投影算法,铜环、导电硅胶样本的重建声源结果表明：重建声源只有边界,在实验误差范围内重建边界与样本边界相符。该结果与仿真中电流激励的洛伦兹力散度声源只有边界声源的结果一致。受限于声传感器的带宽限制,检测到的声压信号在0.2-1.8MHz;此外,由于实验系统信噪比不够高,而且在反卷积过程中带入更多噪声,在声源重建中形成系统误差。下一步工作应重点提高检测系统信噪比,增大声传感器带宽,以及研制抑制噪声的反卷积算法,最终实现组织内部电导率成像。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章 引言  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 研究现状  12-19
  1.3 尚待深入研究的关键技术问题  19-20
  1.4 研究目的及内容  20-21
  1.5 论文结构与创新点  21-24
第二章 磁声成像研究的基础理论  24-51
  2.1 磁声电多物理场基本理论  24-37
    2.1.1 电磁场的基本方程  24-28
    2.1.2 感应电场与电流密度  28-29
    2.1.3 洛伦兹力  29-30
    2.1.4 声振动  30-33
    2.1.5 声的传播  33-37
  2.2 生物组织的电磁声特性  37-39
    2.2.1 组织电特性  37-38
    2.2.2 组织超声特性  38-39
  2.3 磁声耦合效应  39-42
    2.3.1 磁声声源的产生  39-40
    2.3.2 正问题与逆问题  40-41
    2.3.3 能量耦合系数  41-42
  2.4 声信号检测  42-45
    2.4.1 检测系统  42-44
    2.4.2 声传感器  44-45
  2.5 信号处理方法  45-47
  2.6 磁声与超声信号的区别  47-51
第三章 磁声成像的仿真研究  51-69
  3.1 仿真研究思路  51-53
  3.2 简化模型及约束条件的建立  53-54
  3.3 磁场激励声源仿真  54-59
    3.3.1 边界条件  55
    3.3.2 感应磁场与感应电流  55-57
    3.3.3 声源  57-59
  3.4 声的传播  59-61
    3.4.1 传感器模型  59-60
    3.4.2 声压  60-61
  3.5 重建仿真  61-63
    3.5.1 声源重建  61-62
    3.5.2 电导率重建  62-63
  3.6 电流激励仿真  63-68
    3.6.1 边界条件  63-64
    3.6.2 模型内电流密度分布  64-65
    3.6.3 声源  65-66
    3.6.4 声压  66
    3.6.5 声源和电导率重建  66
    3.6.6 两种激励方式的声源比较  66-67
    3.6.7 能量转化系数估计  67-68
  3.7 本章小结  68-69
第四章 磁声成像实验平台研制  69-80
  4.1 实验平台设计思路  69-70
  4.2 电磁激励源  70-75
    4.2.1 激励源的性能要求  70-71
    4.2.2 稳恒磁场  71
    4.2.3 时变磁场  71-74
    4.2.4 电流脉冲  74-75
  4.3 声信号采集  75-78
    4.3.1 检测系统性能要求  75-76
    4.3.2 声传感器  76-77
    4.3.3 传感器定位  77
    4.3.4 滤波与放大  77-78
  4.4 系统性能分析  78-79
  4.5 本章小结  79-80
第五章 声信号检测与特征分析  80-98
  5.1 实验设计思路  80-81
  5.2 声信号检测实验设计  81-83
    5.2.1 实验装置  81
    5.2.2 实验步骤  81-83
  5.3 信号分析与处理方法  83
  5.4 信号特征分析结果  83-93
    5.4.1 声信号与激励电流幅频特性  83-90
    5.4.2 声信号与激励信号相关性  90-93
  5.5 分辨率和灵敏度  93-96
  5.6 本章小结  96-98
第六章 声源与电导率重建  98-104
  6.1 实验设计思路  98
  6.2 实验数据重建声源  98-103
    6.2.1 声信号滤波  98-100
    6.2.2 声源重建  100-103
  6.3 实验数据重建电导率  103
  6.4 本章小结  103-104
第七章 总结与展望  104-108
  7.1 论文工作总结  104-105
  7.2 存在问题  105-106
  7.3 下一步工作  106-108
参考文献  108-116
发表论文与科研工作  116-118
致谢  118

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 电声技术和语音信号处理 > 语音信号处理
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