非均匀环境中的微波致热超声成像算法研究

发布时间：2020-05-24 16:09

【摘要】：微波致热超声成像技术(Microwave induced thermo-acoustic tomography,MITAT)结合了微波成像和超声成像的二者优势,具有着高对比度和高分辨力的优点,因此成为了一种极其具有应用前景的生物医学检测技术。由于其多物理特性导致对应的反演成像过程十分复杂,反演过程不仅涉及到了声参数也涉及到了电参数,且该过程是一个逆散射过程,其中涉及到的参数非均匀分布均会对反演成像结果造成影响。目前对于很多参数的相关性研究还在进行中,很难控制变量将各个参数对反演结果的影响归咎到某一个或某两个参数上。本文通过对现有的微波热致超声理论进行分析,发现声速分布对反演目标的大小、位置、形状有非常重要的影响,而其他参数非均匀分布的影响大多体现在目标的对比度上,由于本文所针对的是目标的定性反演,所以在环境参数的选取上做了一定的取舍,选取了声速作为主要研究对象,主要研究了声速非均匀分布下的微波热致超声成像算法。本文的主要研究内容如下:1.针对微波致热超声成像过程中低信噪比(signal to noise ratio,SNR)下热声信号难以提取问题,本文在微波热致超声中使用了基于小波变换与奇异值分解的降噪滤波算法。该方法从热声信号及本课题组现有的微波热声系统噪声信号的时频特性出发,对含噪信号在小波域和奇异值空间进行了双域滤波处理,提取出了淹没在环境噪声中的微弱热声信号,较好的解决了微波热致超声成像过程中,低信噪比下提取热声信号困难的问题,为后续反演成像的准确性提供了重要前提。2.针对非均匀环境中的声速分布估计问题,本文提出了基于先验的声速自聚焦算法,该方法结合了基于先验声速方法的准确性和基于声速自聚焦算法的稳定性,在不增加实验系统的复杂度和计算复杂度的前提下,获得了更为准确的声速分布估计,为反演成像质量提供了重要的保障。3.针对由环境中的非均匀参数导致的反演结果成像质量低问题,若不对反演图像特征进行增强处理,将会对目标性质的诊断造成影响,对此本文提出了反演图像特征的差值增强方法。该方法通过结合对反演结果时间维度和空间维度处理的同时引入了声速差异项,在增强目标特征的同时对环境背景噪声及伪影进行了抑制。减小了疾病诊断中误判的可能性。4.针对如何减小声速非均匀及热声衰减带来的影响问题,本文提出了基于声速非均匀的字典重建方法。其中使用的压缩感知微波热声成像算法是基于模型的重构方法,该类方法在热声衰减抑制上具有非常显著的优势。该方法需要先建立一个热声字典,而现有的相关算法中都是基于单一均匀声速模型建立的,经过求解优化过程,最终会造成图像失真。通过对现有的字典建立方法引入声速非均匀分布,使模型矩阵更加精确,起到了减小声速非均匀及热声衰减影响的作用,对目标进行了更好地重构。
【图文】：

示意图,乳房,人体,纵向

应用场景有限ａ该方法在环境介质参数分布差异不是十分明盛（即弱非均匀分布）逡逑且目标与周边组织的参数对比度大的时候会有较好的效果，但在其他分布特性的逡逑情况下该方法效果不明显。图１－１给出了人体乳房的等效电导率及声速分布模型，逡逑其中数据来源于威斯康辛大学［３］，展示的为其中最致密模型的纵切面图。可以从其逡逑中看出人体乳房组织的相关参数分布并不是高斯分布的，最为明显的是有些区域逡逑的分布具有聚集性０逡逑ｎｎ逦ｒ邋＇逦ｉｎ１６00逡逑１．５邋２０邋■逡逑Ｉｓ邋８0Ｂ｜＾｜｜１４５0逡逑■０逦１００Ｌ逦逦逦Ｊｌ逡逑－５０逦０逦５０逦－５０逦０逦５０逡逑ｘ邋［ｍｍ］逦ｘ邋［ｍｍ］逡逑⑷逦（ｂ）逡逑图１－１人体乳房腺体最致密模型二分之一处纵向剖而示意图。（ａ）电导率分布；（ｂ）声逡逑速分布逡逑针对前面方法中假设的局限性及其中的不合理性，Ｚ．邋Ｊｉｎ等人提出利用现有的逡逑２逡逑

频率变化曲线,生物组织,频率变化曲线,电参数

由式（２－７）可以看出生物组织是一个色散介质，其电导率等电参数随着微波频逡逑率的变化而变化，，生物组织总电导率（等效电导率）及乳房中肿瘤组织与正常组织逡逑的总电导率比例随频率变化曲线如图２－１所示。在关于乳腺肿瘤组织和其周边逡逑的正常组织的相关研宄ｔ２１＿Ｍ中一致表明乳腺肿瘤组织总的电导率及介电常数与周逡逑边正常组织的相关参数存在着近一个数量级的差异，且生物组织的电导率与频率逡逑成正相关，而介电常数与频率体现出了相反的趋势。该变化趋势与式0７）相符合。逡逑从图２－１中可以发现虽然在乳房中肿瘤和周边的正常组织的总电导率都在随逡逑频率的增加而增加，但两者的比例却在随频率的增加而减小，这给成像系统的微波逡逑９逡逑
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN015

【参考文献】