引言
生物醫學成像是一門涉及電磁場、聲場、力場以及熱場等其他物理場的多物理場的新興交叉學科。電磁場耦合其他物理場的多物理場成像的在生物醫學領域有著良好的應用前景。進行生物醫學電磁成像往往涉及多個物理過程的分析與應用，這包括電磁場的產生與測量，多物理場耦合分析，多物理場耦合測量以及生物在外加物理刺激的響應等多個復雜的非線性物理過程。理解這些物理場產生以及相互作用機理是應用生物醫學成像的關鍵。由于生物材料的制備往往需要耗費大量的時間進行準備與制作，而生物醫學成像實驗過程往往受環境影響因素較大，因此需要花費大量的時間精力保證生物醫學成像實驗的環境穩定性。因此，在進行生物醫學成像實驗之前，通過理論建模仿真分析優化實驗設計方案是提高生物醫學成像科研效率的重要途徑，同時也是提高科研效率降低科研成本的有效手段。
COMSOLMultiphysics 是一款非常強大的多物理場有限元分析軟件，能夠非常靈活方便的對多物理場問題進行分析和仿真計算，模擬生物醫學成像的物理過程，對其中的物理問題進行模擬分析。目前幾乎所有生物醫學成像領域熱點研究方向都能通過COMSOL Multiphysics進行仿真模擬。
本文將以Journal of Applied Physics上生物醫學成像領域最新一個研究成果為例，說明COMSOL Multiphysics在生物成像領域的一些應用。本文選取生物醫學成像領域研究成果來自如下
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5045510
1. 成像目標體不均勻導致電磁場分布發生改變
在生物醫學成像領域，當目標體物理或者化學性質改變時，通常會造成測量的物理場分布，如電磁場分布，發生改變。目標體物理或者化學性質差別越大，物理場分布特征越明顯，而明顯的物理場分布特征對于生物醫學圖像的識別和分析是非常有利的。通過對物理場分布特征的分析，通常可以得到目標體物質結構分布的有價值的信息，例如下面這篇論文計算了不同物理結構分布，目標體中焦耳熱場的分布，可以明顯的看出在外加物理場刺激的情況下，右圖中存在5個特征明顯的發熱體。
2. 成像目標體差異的大小影響物理場分布
在生物醫學成像領域，圖像的對比度是衡量生物醫學圖像質量的一個重要因素，電磁場由于其物理場性質的原因，圖像對比度較高，因此在進行生物醫學圖像時加入電磁場成像參數將有效提高圖像的對比度。當然，生物醫學圖像的對比度與目標體本身物理結構分布是有非常緊密的關系的，當目標體內部物理結構差異減小時，圖像對比度通常會下降，在比較下面右圖和上面右圖時會發現，明顯上面右圖圖像對比度要高一些，這是因為在進行仿真模擬時，下面右圖5和異常體與周圍背景介質的差異設置的要比上面右圖的小。
3. 成像目標體背景環境影響物理場分布
在生物醫學成像領域，圖像能否在苛刻的環境下得到清晰的圖像是衡量一種生物醫學圖像成像方法的一個重要標準。通常非均勻成像背景要比均勻成像背景對成像方法要求的苛刻，而分層結構是一種典型的非均勻成像背景。由于成像北京的變化，圖像的清晰度也會產生變化。比較下圖中結果圖與上面結果圖，發現成像清晰度在下降，這是由于背景介質將會影響物理場的分布情況，但COMSOL Multiphysics 仍可以對改背景環境下的物理場進行準確的計算，為該生物醫學圖像的方法研究帶來便利，提高研究效率。
4. 圖像分辨率的分析
在生物醫學成像領域，圖像的分辨率是生物醫學圖像必須要考慮的因素，多物理場成像由于能夠吸收各個物理場的優勢，能夠加入圖像分辨率高的物理場參數，如聲場。電磁場和聲場的結合將會使圖像的對比度和分辨率都得到提高，使圖像反應更多有價值的信息。圖像的分辨率指圖像能夠看到最小的物體的尺寸，當能看到的成像目標體尺寸越小，圖像的分辨率越高。COMSOL Multiphysics對于圖像分辨率的分析也是強大的。當復雜的多物理場問題得到在COMSOL Multiphysics中建模分析完成時，就可以研究成像方法的分辨率問題。如下圖所示，左邊圖像的分辨率是高于右圖的。
總結
在生物醫學成像領域，許多過程都可以使用COMSOL Multiphysics進行模擬，通過仿真模擬，有助于提高對生物醫學成像各個物理過程的理解和認識，節省時間和材料成本，提高科研效率，創造優質的科研成果。
