晓玉 史

辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院（辽宁葫芦岛 125105）, Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao, Liaoning 125105, P.R.China 中国科学院电工研究所（北京 100190）, Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P.R.China

国强 刘

辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院（辽宁葫芦岛 125105）, Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao, Liaoning 125105, P.R.China 中国科学院电工研究所（北京 100190）, Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P.R.China

孝姮 闫

辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院（辽宁葫芦岛 125105）, Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao, Liaoning 125105, P.R.China

艳红 李

辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院（辽宁葫芦岛 125105）, Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao, Liaoning 125105, P.R.China 辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院（辽宁葫芦岛 125105）, Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao, Liaoning 125105, P.R.China 中国科学院电工研究所（北京 100190）, Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P.R.China 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院（北京 101407）, School of Electronic Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101407, P.R.China

MNPs 在外加脉冲磁场的作用下能够激发声波，这一特性使得基于磁声成像物理过程的 MNPs 检测技术得到发展。最早由 Oh 等 ^{[ 6 ]} 提出利用交变磁场激发声振动，检测小鼠肝脏巨噬细胞对 MNPs 的吸收能力。随后 Mehrmohammadi 等 ^{[ 7 - 9 ]} 利用 MNPs 响应外加脉冲磁场产生的声信号评估粒子在细胞内的累积信息，同时提出较大饱和磁化强度的 MNPs 可以提高成像信噪比，证明磁声成像方法在检测 MNPs 方面具有较高的灵敏度。2012 年，Hu 等 ^{[ 10 ]} 通过检测 MNPs 响应外加磁场产生的声信号，利用滤波反投影法重建出仿体中 MNPs 区域的边界图像。同年 Steinberg 等 ^{[ 11 ]} 将 MNPs 与肿瘤结合，利用磁声检测方法得到了直径 5 mm 的球形肿瘤位于 3 cm 深处的位置信息，表明 MNPs 在磁场激励下能够激发出有效的超声信号从而增加检测的深度。2014 年，Tsalach 等 ^{[ 12 ]} 在检测 MNPs 的基础上，对肿瘤模型提出位于不同探测距离下的到达时间差（the time difference of arrival，TDOA）定位算法，通过在检测体周围设置不同距离的传感器，利用声源产生的超声脉冲到达传感器的时间差异实现目标体的空间定位，是一种双曲线定位算法。三维肿瘤 TDOA 的误差为 2.14 mm，重叠体积为实际肿瘤的 84%，证明了利用 TDOA 算法和磁声检测方法进行肿瘤定位的可行性。2016 年，Mariappan 等 ^{[ 13 ]} 利用时间反演法实现 MNPs 在 LNCap 肿瘤中的活体成像，成像结果进一步证明磁声成像可用于在体检测 MNPs。2019 年，张帅等 ^{[ 14 ]} 提出磁动力超声成像，利用 MNPs 产生的声压数据，基于时间反演法重建出离体生物组织中 MNPs 的尺寸和位置信息。除此之外，国内河北工业大学和南京师范大学还对 MNPs 展开声源分析和重建相关研究 ^{[ 15 - 16 ]} 。

以上研究表明磁声成像技术可用于检测 MNPs 在体内的分布信息，但是所提出的反投影成像方法要求换能器检测数目足够多，检测时间长，数据量大，在实际应用中不能高效地成像。B 型扫描成像成像速度快，实现所测即所得，可以有效地呈现目标体的位置信息 ^{[ 17 - 19 ]} 。B 型扫描磁声成像是将目标体置于脉冲磁场下，MNPs 由于磁化作用受到时变的电磁力，在组织内引发声振动。利用超声换能器在目标体周围检测相应的声信号，由于生物组织是非磁性物质，采集的声信号只反映目标体 MNPs 浓度变化的位置，成像参数为各次扫描检测的声信号，因此 B 型扫描磁声成像可以将目标体横截面上的磁特性信息显示出来，反映 MNPs 在组织中的分布信息。B 型超声成像（brightness-mode ultrasound）是利用超声换能器发射超声波，声波在人体中传播，由表面到内部，经过不同声阻抗的器官和组织，会引起不同强度的反射波，反射波主要携带成像体的位置和声阻抗信息。两种成像方式都是通过移动超声换能器实现数行信号的采集，不同之处在于超声成像通过发射声波利用采集的反射波信号成像，而磁声成像利用磁场激励可直接采集不同方位对应的声信号，同时由于磁特性的差异，磁声成像具有高对比度的优点。

本文针对靶向治疗（如肝脏）中 MNPs 的检测提出快速 B 扫成像的方法，B 扫磁声成像系统利用微秒级脉冲电流，产生时变的激励磁场，在组织外设置超声换能器以一定的步进距离沿一个方向线性扫描采集信号，信号波簇位置对应声波从声源传播到探头的时间，检测的超声信号用以实现 MNPs 区域的位置成像。成像的一个维度对应于超声换能器的扫描轨迹，另一个维度对应于时基深度，即超声波的传播距离。本文利用有限元法构建 MNPs 标记生物组织模型，基于 MNPs 在脉冲磁场激励下诱发超声波的机制，建立三维磁声耦合场仿真模型，设计不同浓度的 MNPs 分布区域。通过布置检测点对粒子产生的声场特性进行测量和分析，提出利用 B 型扫描方法高效准确地检测 MNPs 在生物组织中的分布情况，以期探索磁声成像在医学检测中的应用，推动该技术向临床应用更进一步。