一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法技术

一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，所述方法首先建立生物腔体组织的横截面模型和生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型；然后应用有限元分析的方法，对腔体组织在磁激励场中产生感应电流的过程进行仿真，再由感应电流仿真腔体组织在静磁场中产生声源的过程；之后根据声源的分布仿真出腔体组织产生的磁声信号；最后根据磁声信号重建出生物腔体的横截面图像。本发明专利技术可灵活地调整生物腔体组织横截面模型，改变模型中腔体组织的变异类型及程度，设置多层腔体壁组织的电磁特性参数和声学参数，精确地仿真声速不均匀的多层生物腔体组织的声场，因此可以为成像算法和图像后处理算法的研究和性能测试等提供足够的样本图像数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医学成像技术，特别是对生物腔体的磁感应磁声内窥横截面图像进行建模与仿真。
技术介绍
生物组织磁感应磁声内窥(Endoscopic Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction,EMAT-MI)成像属于功能成像，其成像的物理基础是生物组织的磁声效应，即生物组织变异部位与非变异部位的电导率不同，导致产生的感应涡流不同，从而在静磁场中产生不同强度的超声信号(即磁声信号)。EMAT-MI结合了生物电阻抗成像的高对比度和超声扫描成像的高空间分辨率，可得到生物腔体组织(含变异组织)内部的形态结构、组织类型和成分等信息。然而EMAT-MI成像技术尚处于实验室研究阶段，未大规模应用于实际，而改善成像仪器的结构和校准参数、优化图像分析和处理算法等都是建立在分析大量样本图像数据的基础之上的。因此，为了获取足够多的样本图像数据，有必要寻找一种对生物腔体组织磁感应磁声内窥图像进行建模与仿真的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，为成像和图像后处理的研究和性能测试等提供数据源。本专利技术所述问题是以下述技术方案解决的：一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，所述方法首先建立生物腔体组织的横截面模型和生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型；然后应用有限元分析的方法，对腔体组织在磁激励场中产生感应电流的过程进行仿真，再由感应电流仿真腔体组织在静磁场中产生声源的过程；之后根据声源的分布仿真出腔体组织产生的磁声信号；最后根据磁声信号重建出生物腔体的横截面图像。上述磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，具体处理按以下步骤进行：a.建立生物腔体组织的横截面模型：成像导管位于生物腔体组织横截面模型的中心，接收磁声信号的超声探测器位于成像导管顶端，将超声探测器看作理想的点换能器，其扫描轨迹为平行于成像平面、半径趋近于0的圆形轨迹；b.建立生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型：以生物腔体组织横截面模型的中心为起始点，将模型等角度划分为m份，每一份近似为多层组织，对模型施加脉冲磁激励，并对每一份组织接收到的磁声信号进行仿真，成像导管上的超声探测器所处的角度为θi＝360(i-1)/m其中，i＝1,2,...,m，对应的成像区域的角度范围为[θia,θib]，其中θia＝θi-180/m，θib＝θi+180/m。确定每个成像区域的每层组织的电导率和厚度参数，形成生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型。以血管的横截面模型为例，多层血管壁组织的参数设置示例如表1所列。c.仿真EMAT-MI成像中声源产生的过程：①应用仿真软件构造亥姆霍兹(Helmholtz)线圈，并对亥姆霍兹线圈施加高斯脉冲电流作为激励源，产生交变磁场B1，沿亥姆霍兹线圈轴向施加一个稳恒匀强磁场B0，多层生物腔体组织的横截面模型同轴放置于亥姆霍兹线圈中间；稳恒磁场和亥姆霍兹线圈的参数设置示例如表2所列。②以空气为背景域，以自由四面体为单元对亥姆霍兹线圈以及生物腔体组织的横截面模型进行划分，进而采用有限元分析的方法仿真得到生物腔体组织中感应涡流J的分布；③根据感应涡流J仿真出生物腔体组织的声源的分布，其中，“×”表示向量积；d.根据声源的分布仿真生物腔体组织产生的磁声信号，得到超声探测器在时刻t、角度θi、位置r处接收到的多层生物腔体组织产生的磁声信号的声压pi(r,t)(i＝1,2,...,m)；e.重建极坐标系下的EMAT-MI图像：①根据步骤d得到的m个磁声信号的声压pi(r,t)(i＝1,2,...,m)计算出 ∂ 2 p i ( r , t ) ∂ t 2 | t = | r i - r | / c s , ]]>式中，cs是超声波的波速，ri是θ-l平面中超声探测器所在位置(与成像导管在X-Y平面中的成像角度θi相对应)；②由下式重建出在角度θi处的声源分布： ▿ · ( j × B 0 ) i ≈ - 1 2 πc s 3 q · ( r i - r ) | r i - r | 2 ∂ 2 p i ( r , t ) ∂ t 2 | t = | r i - r | / c s ; ]]>式中，q是ri处的单位矢量；③将上式代入下式，得到腔体组织在角度θi处的电导率分布： σ i ( r 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方法首先建立生物腔体组织的横截面模型和生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型；然后应用有限元分析的方法，对腔体组织在磁激励场中产生感应电流的过程进行仿真，再由感应电流仿真腔体组织在静磁场中产生声源的过程；之后根据声源的分布仿真出腔体组织产生的磁声信号；最后根据磁声信号重建出生物腔体的横截面图像。

【技术特征摘要】
1.一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方法首先建立生物腔体组织的横截面模型和生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型；然后应用有限元分析的方法，对腔体组织在磁激励场中产生感应电流的过程进行仿真，再由感应电流仿真腔体组织在静磁场中产生声源的过程；之后根据声源的分布仿真出腔体组织产生的磁声信号；最后根据磁声信号重建出生物腔体的横截面图像。2.根据权利要求1所述的磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：a.建立生物腔体组织的横截面模型：成像导管位于生物腔体组织的横截面模型的中心，接收磁声信号的超声探测器位于成像导管顶端，将超声探测器看作理想的点换能器，其扫描轨迹为平行于成像平面、半径趋近于0的圆形轨迹；b.建立生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型：以生物腔体组织的横截面模型的中心为起始点，将模型等角度划分为m份，每一份近似为多层腔体壁组织，对模型施加脉冲磁激励，并对每一份组织接收到的磁声信号进行仿真，成像导管上的超声探测器所处的成像角度为：θi＝360(i-1)/m其中，i＝1,2,...,m，对应的成像区域的角度范围为[θia,θib]，其中θia＝θi-180/m，θib＝θi+180/m，确定每个成像区域的每层组织的电导率和厚度参数，形成生物腔体组织横截面的电磁特性参数模型；c.仿真EMAT-MI成像中声源产生的过程：①应用仿真软件构造亥姆霍兹线圈，并对亥姆霍兹线圈施加高斯脉冲电流作为激励源，产生交变磁场B1，沿亥姆霍兹线圈轴向施加一个稳恒匀强磁场B0，多层生物腔体组织的横截面模型同轴放置于亥姆霍兹线圈中间；②以空气为背景域，以自由四面体为单元对亥姆霍兹线圈以及生物腔体组织的横截面模型进行划分，进而采用有限元分析的方法仿真得到生物腔体组织中感应涡流J的分布；③根据感应涡流J仿真出生物腔体组织的声源的分布，其中，“×”表示向量积；d.根据声源的分布仿真生物腔体组织产生的磁声信号，得到超声探测器在时刻t、角度θi、位置r处接收到的多层生物腔体组织产生的磁声信号的声压pi(r,t)(i＝1,2,...,m)；e.重建极坐标系下的EMAT-MI图像：①根据步骤d得到的m个磁声信号的声压pi(r,t)(i＝1,2,...,m)计算出 ∂ 2 p i ( r , t ) ∂ t 2 | t = | r i - r | / c s , ]]>式中，cs是超声波的波速，ri是θ-l平面中超声探测器所在位置(与成像导管在X-Y平面中的成像角度θi相对应)；②由下式重建出在角度θi处的声源分布： ▿ · ( J × B 0 ) i ≈ - 1 2 πc s 3 q · ( r i ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正，马真，毛娟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13