微波致热超声成像关键技术及实验研究

发布时间：2017-03-28 10:14

  本文关键词：微波致热超声成像关键技术及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：乳腺癌是女性癌症中发病率最高的一种,严重威胁着人类健康。乳腺癌的早期诊断对病患的治疗和康复起着至关重要的作用。因此,对可用于乳腺癌早期检测的新型成像技术的研究已引起国内外学者的广泛关注。微波致热超声成像(Microwave Induced Thermo-acoustic Tomography,MITAT)作为新兴成像技术,兼具了微波成像和超声成像的双重优势,在生物医学检测尤其是早期乳腺癌检测上有重大的应用前景。本文针对MITAT技术的机理和系统研制中的关键问题,采用数值仿真和实验验证相结合的技术路线,对MITAT技术展开了深入而广泛的研究,主要研究内容包括:MITAT系统涉及到微波工程、阵列信号处理、超声成像和生物医学等诸多学科,在系统设计中涉及到强电磁辐射对微弱热声信号检测形成干扰,微波辐射天线受声学器件干扰及天线近场功率密度分布不均匀等诸多问题,针对这些问题通过优化超声探头布局及微波辐射子系统等手段使之得到解决。通过采用仿体材料的热声成像实验,验证了所搭建MITAT系统的性能。根据MITAT的系统特性,提出了MITAT系统一体化仿真框架。在MITAT一体化仿真中,由于MITAT技术的多物理场特性,分别采用时域有限积分(Finite Integration Time Domain,FITD)和k-space伪谱(Pseudo-spectral,PS)方法对一体化仿真中的微波问题和声波问题进行仿真,确保了一体化仿真的效率。通过仿真与相对应实验的结果对比,一体化仿真的正确性得到验证。在MITAT一体化仿真的基础上,提出了基于一体化仿真的热声图像修正方法。该方法针对热声成像中微波辐射不均匀及天线近场测量比较困难的问题,利用一体化仿真得出系统中成像层析面的微波功率密度分布。在仿真得到的微波功率密度分布的基础上对热声图像进行修正,解决了因微波辐射不均匀造成的MITAT系统的“漏检”和“错检”的问题。针对乳癌肿瘤组织和正常腺体组织介电参数差异不大而导致的热声图像对比度不足的问题,研究了以碳纳米管作为热声成像对比剂的可行性。在研究过程中制作了不同CNTs含量的仿体材料并分别测量了这些仿体材料的等效电导率和声速,根据测量结果讨论CNTs对仿体材料介电特性和声参数的影响。同时,通过研究不同CNTs含量的仿体样品的热声响应强度,发现CNTs含量为1%(质量比)时,样品热声响应强度将增加一倍以上。结合碳纳米管在其他成像领域的应用及本文研究内容,碳纳米管作为MITAT的成像对比剂,可以有效解决乳腺肿瘤组织和正常腺体组织对比度不足的问题,为MITAT技术的进一步发展提供了保证。利用搭建的MITAT系统,进行了真实乳腺组织的热声成像实验。在实验中,采用了不同的乳腺组织,包括正常脂肪组织、良性纤维瘤组织和不同临床分期肿瘤组织进行了热声成像。通过实验得出了不同组织的热声响应强度和热声成像效果。同时,在实验中分别采用了单个样品、多个样品、混合组织样品及正常组织包裹肿瘤样品等多种实验形式验证了所搭建MITAT系统的成像能力,为MITAT技术的临床应用打下了基础。此外,为了进一步提高系统所重构热声图像的分辨率,研究了高功率短微波脉冲为激励源的热声成像体制,对比了纳秒级短脉冲与目前所用微波脉冲(微秒级脉宽)所产生热声信号的特性。实验研究证明高功率短脉冲可以有效克服生物组织内能量积累和图像分辨率之间的矛盾,在保证热声信号信噪比的前体下,提高了热声信号的频域带宽,从而提高热声图像分辨率。本文研究了MITAT技术在成像系统研制改进、一体化仿真、图像对比度增强方法等方面的内容,提出了基于一体化仿真的图像修正方法,验证了以CNTs作为成像对比剂的可行性;同时,通过真实人体离体组织样品实验证明了MITAT在乳腺癌检测上潜力;最后,实验验证了以高功率短脉冲为激励源的热声成像体制在热声信号频谱宽度上具有优势,为MITAT系统的进一步发展提供了方向。
【关键词】：微波致热超声成像 乳腺癌检测 一体化仿真 成像对比剂 热声实验
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R737.9;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 研究现状13-16
• 1.3 本文的研究内容16-22
• 1.3.1 MITAT机理数值仿真17-18
• 1.3.2 MITAT系统关键技术18-22
• 1.3.3 MITAT实验研究22
• 1.4 本文的主要创新点22-23
• 1.5 本文的组织结构23-25
• 第二章 微波致热超声成像原理及系统25-47
• 2.1 热声效应基本原理25-27
• 2.2 MITAT系统原理及结构框架27-29
• 2.2.1 系统设计需要解决的问题27-28
• 2.2.2 MITAT系统框架28-29
• 2.3 MITAT系统关键技术29-33
• 2.3.1 超声探头布局及成像阵列优化设计29-31
• 2.3.2 微波辐射系统研制31-33
• 2.4 MITAT系统及实验结果33-46
• 2.4.1 TRM简介34-39
• 2.4.2 成像结果39-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 微波致热超声成像一体化仿真研究47-71
• 3.1 MITAT中的多物理场过程47-50
• 3.1.1 生物组织介电特性47-48
• 3.1.2 生物组织热量积累过程48-49
• 3.1.3 生物组织热弹性膨胀过程49-50
• 3.2 MITAT系统一体化仿真50-55
• 3.2.1 仿真数值方法介绍50-53
• 3.2.2 仿真流程及建模53-55
• 3.3 MITAT系统一体化仿真结果55-62
• 3.3.1 仿真热声信号分析55-56
• 3.3.2 仿真热声图像分析56-59
• 3.3.3 三维层析成像59-62
• 3.4 基于一体化仿真的图像修正方法62-69
• 3.4.1 原理介绍62-64
• 3.4.2 实验结果64-69
• 3.5 本章小结69-71
• 第四章 热声图像对比度增强方法71-88
• 4.1 乳腺组织介电参数71-76
• 4.2 碳纳米管对仿体材料电声参数影响76-80
• 4.2.1 含碳纳米管仿体材料电导率测量76-78
• 4.2.2 含碳纳米管仿体材料声速测量78-79
• 4.2.3 含碳纳米管仿体材料热声响应79-80
• 4.3 MITAT对比度增强成像80-86
• 4.4 本章小结86-88
• 第五章 微波致热超声成像实验研究88-105
• 5.1 不同乳腺组织热声响应研究88-89
• 5.2 真实乳腺组织样品热声成像89-100
• 5.2.1 肿瘤组织热声成像90-93
• 5.2.2 肿瘤组织与正常组织对比热声成像93-95
• 5.2.3 混合组织热声成像95-97
• 5.2.4 复杂环境下肿瘤样品热声成像97-98
• 5.2.5 不同分期肿瘤样品热声成像98-100
• 5.3 高功率短脉冲热声效应研究100-104
• 5.4 本章小结104-105
• 第六章 总结与展望105-110
• 6.1 全文工作总结105-107
• 6.2 进一步工作展望107-110
• 致谢110-111
• 参考文献111-124
• 攻博期间取得的研究成果124-126

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本文编号：272078