随机散射介质中的声波调控与光声成像研究

发布时间：2019-04-29 17:45

【摘要】：生物医学光声成像技术是近年来兴起的一种将传统声学成像和传统光学成像进行有机结合的一种医学成像技术。这种技术利用生物组织的光吸收系数作为主要成像参数,因而具有高对比度的成像特性,可以在特异性成像、功能性成像领域发挥重要作用；同时,相关生物信息的物理载体是超声波,因此,这种成像技术与现有的超声成像技术类似,可以在深层组织中获得高分辨率的影像；在安全性方面,这种技术采用了低功率激光作为信号激发源,不会产生电离辐射,对生物体具有可靠的安全性。基于上述因素,光声成像技术在光学、声学、生物医学工程等多个领域得到了广泛而持久的关注。目前生物医学光声成像技术面临的一大挑战在于：现有的图像重构方法是建立在被测物体为声参数均匀介质这一假设前提上的,然而实际应用中,生物组织均为声参数不均匀介质。对声波在不均匀介质中传播特性的研究,尤其是对随机散射介质中声波传播特性的研究,在声学诸多领域具有重要的参考价值,因此一直是声学领域关注的重点和热点。为了解决上述问题,本文围绕光声成像基本机制和声波的传播特性,利用理论推导、数值模拟、样品实验等研究手段,对随机散射介质中的光声成像和声波在随机散射介质中的传播特性进行了详细研究和深入讨论。研究内容主要涉及散射介质中光声成像质量的改善和散射介质中的声波调控传输两大方面。本文的具体安排如下：第一章概述了当前主流的生物医学成像方法,讨论了光声成像相比于这些成像技术的优点,综述了生物医学光声成像技术的发展历程以及发展趋势；随后,综述了随机散射介质中的光波、声波调控与聚焦技术。第二章首先分析了光声成像的理论基础,包括光声信号的激发机制和生物组织光吸收系数分布的重构方法,并介绍了目前主要的几种光声成像系统,对其各自的技术特点展开了讨论。第三章在前人研究的基础上,提出了一种声学随机散射介质中的格林函数重构方法。现有的随机散射介质中的格林函数重构方法具有其局限性：首先,未讨论两个重构点分别位于散射层两侧的情形；其次,现有的方法在实现时需要在两个重构点同时放置实际的声学换能器。本文从声学互易定理出发,提出了一种基于“虚拟声源”的格林函数重构方法,所提出方法有效克服了现有方法的局限性。第四章将声波时间反转法和本文提出的格林函数重构法相结合,有效改善了随机散射介质中的光声成像效果。现有的针对不均匀介质中的光声成像方法大多需要介质的先验知识,并且对于随机散射情况无法适用。本文首先利用所提出的格林函数重构法获取成像区域内各点至探测器的格林函数,随后基于时间反转法重构区域内各点的初始声压。通过数值模拟实验和仿体实验证明,与现有的成像方法相比,本文提出的方法能有效改善由于随机散射造成的目标位置偏移、对比度失真、噪声严重等问题。第五章基于随机散射介质对声波的聚焦效应,提出了一种随机散射声透镜,并通过时间反转操作实现了单个换能器对声波的动态调控聚焦。理论分析表明,随机散射的多路聚焦效应可以增加换能器阵列的等效孔径尺寸,基于这一原理,首先利用第三章所提出的方法获取随机散射声透镜的格林函数,随后,利用已知的格林函数,得到时间反转信号并利用换能器发射,便可实现声波在空间任意点的动态聚焦。相比于现有的各种方法,本文所提方法无需对透镜结构进行特殊设计,无需在聚焦点事先放置实际的声源,此外在改变聚焦位置时也无需改变透镜的结构参数。第六章将随机散射声透镜应用于光声成像,实现了基于声透镜的单换能器光声成像。理论分析表明,若能确定随机散射层的格林函数,散射层在声学成像过程中具有超分辨效应,此时成像等效孔径由换能器阵列孔径和散射层特性共同决定,即便只有单个换能器接收光声信号,理论上也可以实现图像的重构。基于这一原理,本文通过数值模拟和样品实验,实现了单个换能器的光声成像。第七章对本文的工作进行了总结,并在本文工作的基础上,对未来计划开展的工作进行了展望。综上所述,本文围绕光声成像基本机制和声波在随机散射介质中的传播特性展开具体研究,提出了一种随机散射介质中的格林函数重构方法,将其与时间反转相结合,有效改善了散射介质中的光声成像效果,提出了一种随机散射声透镜,基于该透镜实现了声波的动态聚焦和单换能器光声成像。本文的研究内容,从理论探索和实践应用的角度来看均具有一定的意义。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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