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導(dǎo)語

感應(yīng)式磁聲磁粒子濃度成像（MACT-MI）是一種基于磁聲耦合效應(yīng)的磁性納米粒子（MNPs）濃度成像新方法。由于傳統(tǒng)MACT-MI逆問題存在成像分辨率低和重建速度慢等問題，該文提出一種逆問題成像新方法，研究結(jié)果可為MACT-MI的后續(xù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

研究背景

納米醫(yī)學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的重要組成部分，它在提升疾病診斷和治療效果中起著至關(guān)重要的作用。通過靶向藥物遞送和智能診斷技術(shù)，納米醫(yī)學(xué)能夠精確的將治療劑送到病灶部位，有效地減少了對健康組織的傷害。感應(yīng)式磁聲磁粒子濃度成像（MACT-MI）通過磁場激發(fā)使得磁性納米粒子（MNPs）高頻振動，利用其產(chǎn)生的超聲波信號進(jìn)行成像。該過程融合了電磁技術(shù)、超聲技術(shù)的優(yōu)勢，有效地減少了線圈之間的電磁干擾，改善了成像的清晰度和準(zhǔn)確度。

論文所解決的問題及意義

傳統(tǒng)MACT-MI重建方法存在速度較慢、邊界偽影明顯、內(nèi)部濃度恢復(fù)不夠穩(wěn)定等問題，其主要原因在于聲壓-濃度關(guān)系求解復(fù)雜，導(dǎo)致逆問題計(jì)算量大。因此成像方法對重建圖像的質(zhì)量和速度有著至關(guān)重要的影響。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文提出一種基于TFQMR的洛倫茲力勢聲源圖像重建新方法：

首先，構(gòu)建了洛倫茲力勢聲源的理論框架。引入勢函數(shù)重構(gòu)聲壓表達(dá)式，對磁場與聲場數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，構(gòu)建系統(tǒng)矩陣Q和待求濃度向量x，利用TFQMR算法對濃度表達(dá)式進(jìn)行求解得到MNPs濃度分布，得到重建圖像。該算法避免顯式求解矩陣轉(zhuǎn)置，適合大型稀疏線性系統(tǒng)。并以CC、ER、SSIM等指標(biāo)評價成像質(zhì)量。

其次，在COMSOL中建立二維軸對稱模型，分別構(gòu)建半徑2、5、8、12.5mm的圓形MNPs模型，分析尺寸變化對重建結(jié)果的影響。重建結(jié)果如圖1所示，TFQMR算法在CC和SSIM指標(biāo)上接近最優(yōu)，同時在成像穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于TV-MoM和BICGSTAB算法。

（a）TV-MoM法重建圖（b）正則化預(yù)優(yōu)化LSQR法重建圖（c）BICGSTAB法重建圖

（d）TFQMR法重建圖（e）目標(biāo)濃度圖

圖1 不同算法下不同半徑圓模型的MNPs集群重建結(jié)果對比（縱向依次排列）

為了更加直觀地觀察目標(biāo)濃度與重建濃度之間的區(qū)別，在模型點(diǎn)(0,0,-25 mm)和點(diǎn)(0,0,25 mm)之間取三維截線，分別對比四種重建方法濃度截線差異，如圖2所示，其中紅色實(shí)線表示目標(biāo)濃度，藍(lán)色虛線表示重建濃度。由圖2可知，TV-MoM法重建結(jié)果由于邊界奇異性其重建濃度曲線在邊界處存在較大誤差，且誤差隨半徑增大而增大。BICGSTAB法內(nèi)部濃度重建存在誤差且邊界處存在不穩(wěn)定波動；TFQMR法能夠均勻的重建內(nèi)部濃度，在半徑尺寸較大時，仍保持較高的穩(wěn)定性，僅在邊緣處存在較小重建誤差，整體上更符合目標(biāo)濃度曲線。

（a）TV-MoM法 （b）正則化預(yù)優(yōu)化LSQR法 （c）BICGSTAB法 （d）TFQMR法

圖2 不同算法下不同半徑圓模型的MNPs集群截線濃度對比

在四種半徑圓模型統(tǒng)計(jì)下，TFQMR算法的平均成像時間為38.15s，平均迭代次數(shù)為8.5次即可完成重建，對比圖如圖3所示。

圖3 不同算法下平均成像時間和迭代次數(shù)對比

最后，在5-20dB噪聲下，LSQR-梯形法和BICGSTAB法在高噪聲環(huán)境下的圖像重建質(zhì)量明顯下降，出現(xiàn)明顯的偽影、邊界模糊、內(nèi)部濃度分布不均勻的問題；TFQMR方法在不同噪聲水平下均能保持穩(wěn)定的重建質(zhì)量、邊界清晰、內(nèi)部濃度均勻，圖像質(zhì)量優(yōu)于其他方法。重建結(jié)果如圖4所示。

（a）LSQR-梯形公式法（b）BICGSTAB法

（c）正則化預(yù)優(yōu)化LSQR法（d）TFQMR法

圖4 不同噪聲條件下的重建結(jié)果圖（縱向依次排列）

不同算法在不同噪聲水平下的表現(xiàn)具有明顯差異，TFQMR方法的CC、SSIM平均值分別為0.8159和0.7068，均明顯高于LSQR-梯形公式法和BICGSTAB法，且ER平均值相比較小為0.4805。證明了本方法具有穩(wěn)定的圖像重建質(zhì)量和較高的圖像分辨率。

結(jié)論

本文提出的洛倫茲力勢聲源理論，降低了傳統(tǒng)MACT-MI逆問題中聲壓導(dǎo)函數(shù)求解的復(fù)雜度。TFQMR算法在大型稀疏系統(tǒng)下表現(xiàn)出較快的收斂速度與較低計(jì)算成本，在保證圖像分辨率的前提下，提高了成像速度。針對尺寸變化、以及5-20dB噪聲環(huán)境，該方法均能保持較好的邊界清晰度、內(nèi)部均勻性以及穩(wěn)定性。研究結(jié)果可為MACT-MI的后續(xù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)介紹

遼寧工程技術(shù)大學(xué)此研究團(tuán)隊(duì)被評為遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（LT2019007），團(tuán)隊(duì)引進(jìn)和培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)骨干，形成了完整合理的高水平學(xué)術(shù)梯隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員目前包括教授15人，副教授16人，講師6人，40歲以下青年教師8人。近5年來，本團(tuán)隊(duì)主要成員先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、遼寧省優(yōu)秀人才項(xiàng)目、遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目等縱向課題37項(xiàng)，承擔(dān)企業(yè)委托項(xiàng)目54項(xiàng)；獲得省部級以上科技獎勵14項(xiàng)；獲得發(fā)明專利授予權(quán)37項(xiàng)；科技成果轉(zhuǎn)化15項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文325篇；出版專著5部；圍繞著研究方向，已培養(yǎng)博士10人，碩士290余人。

閆孝姮

工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院副院長，研究方向?yàn)榇偶{米粒子成像技術(shù)、接地網(wǎng)電阻抗成像技術(shù)、植入式設(shè)備無線電能傳輸技術(shù)等。

付鵬

碩士研究生，遼寧工程技術(shù)大學(xué)，研究方向?yàn)殡姶盘綔y與成像。

陳偉華

工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院自動化系主任，研究方向?yàn)橹踩胧皆O(shè)備無線電能傳輸技術(shù)、磁納米粒子成像技術(shù)、接地網(wǎng)電阻抗成像技術(shù)等。

侯瀟涵

博士研究生，遼寧工程技術(shù)大學(xué)，研究方向?yàn)殡姶盘綔y與成像。

本工作成果發(fā)表在2025年第4期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于TFQMR的洛倫茲力勢聲源MACT-MI圖像重建研究“。本課題得到國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、遼寧省教育廳科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中國-波蘭測控技術(shù)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目資助。

引用本文

閆孝姮, 付鵬, 陳偉華, 侯瀟涵. 基于TFQMR的洛倫茲力勢聲源MACT-MI圖像重建研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2026, 41(4): 1087-1099. Yan Xiaoheng, Fu Peng, Chen Weihua, Hou Xiaohan. Research on MACT-MI Image Reconstruction of Lorentz Force Potential Acoustic Source Based on TFQMR. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(4): 1087-1099.

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