入门生物医学电磁成像，从COMSOL Multiphysics 开始！

路漫学术

2018-10-28

引言

     生物医学成像是一门涉及电磁场、声场、力场以及热场等其他物理场的多物理场的新兴交叉学科。电磁场耦合其他物理场的多物理场成像的在生物医学领域有着良好的应用前景。进行生物医学电磁成像往往涉及多个物理过程的分析与应用，这包括电磁场的产生与测量，多物理场耦合分析，多物理场耦合测量以及生物在外加物理刺激的响应等多个复杂的非线性物理过程。理解这些物理场产生以及相互作用机理是应用生物医学成像的关键。由于生物材料的制备往往需要耗费大量的时间进行准备与制作，而生物医学成像实验过程往往受环境影响因素较大，因此需要花费大量的时间精力保证生物医学成像实验的环境稳定性。因此，在进行生物医学成像实验之前，通过理论建模仿真分析优化实验设计方案是提高生物医学成像科研效率的重要途径，同时也是提高科研效率降低科研成本的有效手段。

      COMSOLMultiphysics 是一款非常强大的多物理场有限元分析软件，能够非常灵活方便的对多物理场问题进行分析和仿真计算，模拟生物医学成像的物理过程，对其中的物理问题进行模拟分析。目前几乎所有生物医学成像领域热点研究方向都能通过COMSOL Multiphysics进行仿真模拟。

本文将以Journal of Applied Physics上生物医学成像领域最新一个研究成果为例，说明COMSOL Multiphysics在生物成像领域的一些应用。本文选取生物医学成像领域研究成果来自如下

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5045510

1. 成像目标体不均匀导致电磁场分布发生改变

在生物医学成像领域，当目标体物理或者化学性质改变时，通常会造成测量的物理场分布，如电磁场分布，发生改变。目标体物理或者化学性质差别越大，物理场分布特征越明显，而明显的物理场分布特征对于生物医学图像的识别和分析是非常有利的。通过对物理场分布特征的分析，通常可以得到目标体物质结构分布的有价值的信息，例如下面这篇论文计算了不同物理结构分布，目标体中焦耳热场的分布，可以明显的看出在外加物理场刺激的情况下，右图中存在5个特征明显的发热体。

2. 成像目标体差异的大小影响物理场分布

在生物医学成像领域，图像的对比度是衡量生物医学图像质量的一个重要因素，电磁场由于其物理场性质的原因，图像对比度较高，因此在进行生物医学图像时加入电磁场成像参数将有效提高图像的对比度。当然，生物医学图像的对比度与目标体本身物理结构分布是有非常紧密的关系的，当目标体内部物理结构差异减小时，图像对比度通常会下降，在比较下面右图和上面右图时会发现，明显上面右图图像对比度要高一些，这是因为在进行仿真模拟时，下面右图5和异常体与周围背景介质的差异设置的要比上面右图的小。

3. 成像目标体背景环境影响物理场分布

在生物医学成像领域，图像能否在苛刻的环境下得到清晰的图像是衡量一种生物医学图像成像方法的一个重要标准。通常非均匀成像背景要比均匀成像背景对成像方法要求的苛刻，而分层结构是一种典型的非均匀成像背景。由于成像北京的变化，图像的清晰度也会产生变化。比较下图中结果图与上面结果图，发现成像清晰度在下降，这是由于背景介质将会影响物理场的分布情况，但COMSOL Multiphysics 仍可以对改背景环境下的物理场进行准确的计算，为该生物医学图像的方法研究带来便利，提高研究效率。

4. 图像分辨率的分析

在生物医学成像领域，图像的分辨率是生物医学图像必须要考虑的因素，多物理场成像由于能够吸收各个物理场的优势，能够加入图像分辨率高的物理场参数，如声场。电磁场和声场的结合将会使图像的对比度和分辨率都得到提高，使图像反应更多有价值的信息。图像的分辨率指图像能够看到最小的物体的尺寸，当能看到的成像目标体尺寸越小，图像的分辨率越高。COMSOL Multiphysics对于图像分辨率的分析也是强大的。当复杂的多物理场问题得到在COMSOL Multiphysics中建模分析完成时，就可以研究成像方法的分辨率问题。如下图所示，左边图像的分辨率是高于右图的。

总结

在生物医学成像领域，许多过程都可以使用COMSOL Multiphysics进行模拟，通过仿真模拟，有助于提高对生物医学成像各个物理过程的理解和认识，节省时间和材料成本，提高科研效率，创造优质的科研成果。