[发明专利]一种磁感应磁声内窥图像的建模与仿真方法

摘要

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。

主权项

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；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▽·(J×B0)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：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：将σi(r)作为角度θi、位置r处的腔体组织横截面极坐标视图的灰度值，从而得到极坐标下的EMAT‑MI图像；f.图像的坐标转换：将极坐标下的EMAT‑MI图像转换为X‑Y直角坐标系下的横截面视图，具体方法如下：建立X‑Y平面直角坐标系，坐标原点是成像导管中心，水平向右的方向为X轴正方向，垂直于X轴向上的方向为Y轴正方向，设极坐标系中的一点(j,k)的灰度值为f(j,k)，该点在X‑Y坐标系中的对应点的坐标为(j′,k′)，灰度值为g(j′,k′)，其中j∈[0,2π]，k∈[0,d]，j′∈[‑d,d]，k′∈[‑d,d]，d为极坐标视图中极径的最大值，则有：g(j′,k′)＝f(j,k)，其中