电磁热声成像技术

电磁热声成像技术是近些年研究的热门课题，涉及声场、温度场和电磁场的耦合。作为一种多场耦合探测技术，兼具声场和电磁场成像技术的优势，在生物医学、食品安全检测、电力安全检测、无损探伤、工业过程、地球物理，例如成像测井、考古、压裂过程的监测及工业过程磁颗粒示踪等领域具有广泛的应用空间。本书是《磁声成像技术（上册：超声检测式磁声成像）》（2014年）和《磁声成像技术（下册：电磁检测式磁声成像）》（2016年）的姊妹篇，重点介绍中国科学院电工研究所工程电磁场及其应用研究部在电磁热声成像技术方面的相关研究工作。全书共四篇内容，分别为电磁热声成像概述、注入电流式热声成像、磁热声成像和磁热声粒子成像，论述了声场和电磁场的正逆问题、系统平台及相关实验。

前言
第一篇 电磁热声成像概述
第1章 绪论 3
1.1 背景概述 3
1.2 电磁热声成像概述 6
1.2.1 注入电流式热声成像方法 6
1.2.2 磁热声成像方法 6
1.2.3 磁热声粒子成像方法 7
1.3 电磁热声成像方法发展 8
1.3.1 注入电流式热声成像的发展 8
1.3.2 磁热声成像的发展 9
1.3.3 磁热声粒子成像的发展 10
1.3.4 小结 11
1.4 本书的主要研究内容 12
参考文献 13
第2章 声场正问题研究 18
2.1 固体中的运动方程 19
2.2 流体中的声压波动方程 23
2.3 生物组织流体模型的声场正问题 24
2.3.1 流体模型的声场正问题 24
2.3.2 格林函数法求解声场 26
2.3.3 简单模型的解析解 28
2.4 流固耦合模型声场正问题 33
2.5 生物组织声学特性与超声生物效应 34
参考文献 36
第3章 声场逆问题研究 38
3.1 基于维纳滤波反卷积的热声信号到声压信号的求解 38
3.2 时间反演法 39
3.3 压缩感知重建法 43
3.4 合成孔径法 45
3.5 基于声学互易定理的系统矩阵重建算法 47
参考文献 52
第4章 电磁热声成像系统 53
4.1 电磁热声成像总体系统 53
4.2 激励源系统 54
4.2.1 单脉冲激励源系统 54
4.2.2 短时交变脉冲磁场激励源系统 57
4.2.3 激励源系统特性测试 58
4.3 热声信号检测系统 60
4.3.1 超声换能器特性 60
4.3.2 多通道热声信号检测系统 63
4.4 控制及采集系统 65
4.4.1 同步控制及采集系统 65
4.4.2 热声信号扫描检测控制 68
4.5 成像与显示单元 70
参考文献 72
第二篇 注入电流式热声成像
第5章 注入电流式热声成像正问题研究 75
5.1 热函数 75
5.2 注入电流式热声成像电磁场正问题 77
5.2.1 全波电磁场法 77
5.2.2 标量电位法 78
5.2.3 矢量电位法 79
5.3 注入电流式热声成像电磁场正问题仿真分析 81
5.3.1 含电导率异常模型仿真分析 81
5.3.2 含骨质目标模型仿真分析 84
5.3.3 图像电参数分布性能评估 87
5.4 注入电流式热声成像声场正问题仿真分析 88
5.4.1 含电导率异常流体模型仿真分析 88
5.4.2 流固耦合模型仿真分析 90
5.5 注入电流式热声成像安全性评估 94
5.5.1 安全电流 94
5.5.2 安全热 95
参考文献 97
第6章 注入电流式热声成像逆问题研究 99
6.1 注入电流式热声成像声场逆问题仿真分析 99
6.2 注入电流式热声成像电磁场逆问题 100
6.2.1 基于标量电位的电导率迭代重建方法 100
6.2.2 基于矢量电位的电阻率迭代重建方法 104
6.2.3 基于标量电位的电导率顺序重建方法 105
6.2.4 基于矢量电位的电阻率顺序重建方法 106
6.3 注入电流式热声成像电磁场逆问题仿真分析 106
6.3.1 基于顺序求解的电导率重建 106
6.3.2 基于迭代求解的电导率重建 108
参考文献 109
第7章 注入电流式热声成像实验研究 110
7.1 注入电流式热声成像实验平台 110
7.2 注入电流式热声成像基础实验 112
7.2.1 注入电流式热声信号验证性实验 112
7.2.2 线性扫描成像实验 113
7.2.3 分辨能力验证实验 116
7.3 注入电流式热声成像骨质影响实验研究 118
7.3.1 骨质影响实验模型 118
7.3.2 骨质影响实验结果分析 119
7.4 离体生物组织实验 125
7.4.1 离体猪肝组织实验 125
7.4.2 猪肉组织实验 127
7.5 本章小结 128
参考文献 129
第三篇 磁热声成像
第8章 磁热声成像正问题研究 133
8.1 磁热声成像电磁场正问题 133
8.2 基于亥姆霍兹线圈激励的仿真分析 135
8.3 基于单线圈激励的仿真分析 138
8.4 安全性评估 142
参考文献 144
第9章 磁热声成像逆问题研究 146
9.1 磁热声成像声场逆问题仿真分析 146
9.1.1 基于亥姆霍兹线圈激励的声场逆问题仿真分析 146
9.1.2 基于单线圈激励的声场逆问题仿真分析 147
9.2 磁热声成像电磁场逆问题理论分析 148
9.2.1 磁热声电导率重建方法 148
9.2.2 基于迭代算法的磁热声成像电阻率重建方法 149
9.3 磁热声成像电磁场逆问题仿真分析 150
9.3.1 基于亥姆霍兹线圈激励的电磁场逆问题仿真分析 150
9.3.2 基于单线圈激励的电磁场逆问题仿真分析 151
参考文献 152
第10章 磁热声成像实验研究 153
10.1 磁热声成像实验平台 153
10.2 磁热声信号验证实验 154
10.3 磁热声成像实验 158
10.3.1 线性扫描成像实验 158
10.3.2 环形扫描成像实验 159
10.4 本章小结 161
参考文献 162
第四篇 磁热声粒子成像
第11章 磁热声粒子成像正问题研究 165
11.1 磁性纳米粒子特性及应用 165
11.2 短时交变脉冲磁场激励的热声源机制 166
11.2.1 基于磁滞损耗的热效应产生机制 166
11.2.2 基于弛豫损耗的热效应产生机制 167
11.3 单脉冲磁场激励的热声源产生机制 169
11.3.1 基于磁化能量积累的热函数求解 169
11.3.2 磁性纳米粒子的磁化过程 171
11.4 电磁场正问题求解 172
11.5 短时交变脉冲磁场激励的正问题仿真分析 175
11.5.1 磁性纳米粒子三维分布仿真模型 175
11.5.2 仿真结果分析 176
11.6 单脉冲磁场激励的正问题仿真分析 178
11.6.1 磁场特性仿真分析 178
11.6.2 磁性纳米粒子三维分布仿真分析 180
11.6.3 多目标分布磁性纳米粒子磁热声仿真分析 183
11.6.4 磁性纳米粒子随机分布磁热声仿真分析 183
参考文献 184
第12章 磁热声粒子成像逆问题研究 186
12.1 声场逆问题的仿真分析 186
12.1.1 热声信号到声压信号的求解 186
12.1.2 B扫成像方法 186
12.1.3 时间反演法成像方法 189
12.1.4 基于声学互易定理的系统矩阵图像重建方法 193
12.2 电磁场逆问题的理论分析 196
12.2.1 迭代求解法 196
12.2.2 标定求解法 196
12.3 电磁场逆问题的仿真分析 198
12.3.1 基于迭代求解法的图像重建 198
12.3.2 基于标定求解法的图像重建 199
12.4 磁热声粒子成像和超声双模成像 202
参考文献 204
第13章 磁热声粒子成像实验研究 206
13.1 成像系统 206
13.1.1 基于短时交变脉冲磁场激励的成像系统 206
13.1.2 基于单脉冲磁场激励的成像系统 207
13.2 磁性纳米粒子磁热声信号的实验研究 208
13.2.1 基于短时交变脉冲磁场激励热声信号实验验证 208
13.2.2 基于单脉冲磁场激励磁热声信号实验验证 209
13.3 声场逆问题的实验研究 212
13.3.1 B扫成像实验研究 212
13.3.2 时间反演法实验研究 214
13.3.3 基于声学互易定理的系统矩阵图像重建方法实验研究 215
13.4 电磁场逆问题的实验验证 216
13.4.1 标定方法 216
13.4.2 磁性纳米粒子浓度分布重建实验研究 217
13.5 性能指标实验 217
13.5.1 分辨能力验证实验 217
13.5.2 成像深度验证实验 219
13.5.3 磁性纳米粒子性能对磁热声信号的影响 220
13.5.4 检测灵敏度实验验证 222
13.6 双模成像实验 224
13.7 本章小结 225
参考文献 226
结束语 227
“现代声学科学与技术丛书”已出版书目 229