微波热致超声波扫描成像系统关键技术研究

论文摘要

大量医学统计数据表明各种癌症发生率和死亡率均在逐年增加，然而癌症从确诊到治疗的各种技术发展却并不乐观。一种得到共识的观点是肿瘤或癌的早期发现对治疗效果将存在显著的影响，本文所关注的乳腺肿瘤（癌）的检测也具有这一特点。微波热致超声波扫描成像（Microwave-Induced Thermo-Acoustic Tomography，MITAT）技术是一种新兴的检测技术，它使用微波脉冲激励组织，组织将吸收的微波能转化为热能，然后生物组织受热不均匀而产生可检测的超声波信号。特别是恶性肿瘤，其介电常数和电导率均远高于周围正常组织，因此，它们可以产生高幅度的微波热致超声波（Microwave-Induced Thermo-Acoustic，MITA）信号。由于微波热致超声扫描成像技术应用微波激励、超声成像，可产生高分辨率和高对比度的成像结果，使它成为一种非常有潜力的生物医学成像技术。然而，微波热致超声波扫描成像系统也存在许多难点。首先，微波热致超声波涉及多物理场过程，它包括电磁波在非均匀介质中的传播过程、电磁能转换为热能过程、热致膨胀产生机械波（超声波）过程。基于动力学和热扩散、传导方程的微波热致超声波机制解析解的分析，将上述三类物理场有机地结合在了一起，与基于热平衡的状态解析分析相比，这一方法更少地对三物理场所涉及的参数进行近似，能更准确地反映微波热致超声波机制。其次，激励所用的高功率微波脉冲会产生很宽频带的强电磁干扰，这对于微弱的微波热致超声波的检测形成巨大的挑战。如何在减小激励微波功率的前提下，尽量提高热致超声波的信噪比是这一系统的成败关键。为了达到激励微波功率与信噪比的更优化，在对系统的电磁噪声来源进行了研究的基础上，新的具有高电磁兼容能力的超声波检测探头被设计和应用到微波热致超声波扫描系统中。从信号处理的角度，基于小波分析的噪声抑制技术也被应用到对测量的微波热致超声波信号进行处理。另外，为获得辐射微波能在生物组织中尽量均匀的分布和辐射效能，对现有的矩形波导辐射器的优化通过设计低驻波比的圆喇叭天线进行了仿真讨论。最后，非均匀介质（生物组织）中的目标成像也是微波热致超声波扫描成像系统的重点和难点。由于生物组织的非均匀性和成像目标处于微波和超声波的近场，波的衍射和散射不可忽略，一些成像算法，如后向投影算法等无法克服这些因素所产生的多径效应，成像分辨率和对比度均会受到影响；而基于伪谱时域方法（Pseudo-Spectral Time Domain，PSTD）的时间反转镜像（Time Reversal Mirror，TRM）技术在微波热致超声波扫描成像系统中的应用，能充分地利用目标信号通过生物组织的非均匀性带来的多径信息，对目标形成准确的聚集成像。另外，伪谱时域方法作为时间反转镜像技术的计算核的应用可以方便地实现时间反转镜像技术所需的系统格林函数和大尺度生物器官如乳房的快速计算。本文的研究内容主要包括微波热致超声成像软、硬件系统中的一些关键技术，主要内容概括如下：1．在讨论了生物组织的微波吸收特点的基础上，基于动力学和热扩散、传导定理推导了生物组织的微波热致超声理论，得到微波能在生物组织中的吸收分布与微波热致超声波源分布等效的结论。2．从系统的角度讨论了微波热致超声波扫描成像系统的各部分构成，深入讨论了激励微波脉冲源的设计准则、检测子系统的技术细节及电磁兼容考虑。搭建的实验原型机，微波脉冲源中心频率2．45 GHz，脉冲宽度0．5-2．0μs，峰值功率0．8-40kW。3．对实验数据所反映的超声信号时频域特征进行了研究。对时域微波热致超声波信号的时延误差随样品探头距离增加而减小的现象，通过考虑实际样品的截面积尺寸和样品上不同位置的热声源的叠加过程进行了研究，并对相应的修正方法进行了讨论；由激励源、样品几何尺寸、超声波传感器响应的级联在频域上的关系，讨论了生物组织的几何尺度信息如何在测量信号中通过微波热致超声信号频谱分布反映出来的，同时也揭示了微波热致超声波信号的频率范围特征。4．研究了基于小波分析的噪声抑制方法在微波热致超声波信号中降噪和多分辨率应用。5．基于所搭建的微波热致超声成像系统所测得的实验数据，研究了相应的重建算法：反投影成像（Back-Projection，BP）算法和基于PSTD的TRM技术，成像分辨率＜3mm，成像对比度＞25dB。6．在均匀媒质（变压器油或炼猪油）中的简单目标（单纯高含水量生物组织，如猪肌肉）进行了一维线阵和环阵的微波热致超声波成像实验；对复杂目标（具有皮肤、脂肪和肌肉结构）进行了一维线阵微波热致超声波成像实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 乳腺癌的分类
• 1.2 乳腺癌检测的主要方法
• 1.2.1 X线CT技术（X-ray computed tomography）
• 1.2.2 电阻抗断层成像技术（EIT,Electrical Impedance Tomography）
• 1.2.3 超声成像技术（Ultrasonic Imaging）
• 1.2.4 核磁共振成像（NMR,Nuclear Magnetic Resonance Imaging）
• 1.2.5 微波成像技术（Microwave Imaging）
• 1.3 微波热致超声成像技术
• 1.4 微波热致超声波成像技术的发展
• 1.4.1 热声成像技术的分类
• 1.4.2 微波热致超声成像技术的研究历史
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 微波热致超声波基本原理
• 2.1 不同生物组织对微波的吸收差异
• 2.2 微波热致超声波原理
• 2.2.1 动力学模型和广义胡克定理
• 2.2.2 正应力解
• 2.4 超声波在生物组织中的传播
• 2.4.1 齐次波动方程
• 2.4.2 非齐次波动方程
• 2.4.3 非齐次波动方程的解
• 2.4.4 波动方程的近似
• 2.5 声波与生物组织的作用机理
• 2.5.1 常用的声学参数的定义
• 2.5.2 生物组织的声学特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 硬件系统设计
• 3.1 MITAT系统设计
• 3.2 微波脉冲功率源设计
• 3.3 微波馈源（天线）的设计
• 3.4 屏蔽式带前置放大器的超声波传感器
• 3.4.1 系统噪声分析
• 3.4.2 超声波压电传感器的电磁特点和选择原则
• 3.4.3 具有屏蔽体的带前置放大器的超声波传感器设计方案
• 3.4.3.1 总体方案
• 3.4.3.2 电路方案
• 3.4.3.3 加工和装配结果
• 3.4.3.4 无微波脉冲电磁干扰时对连续超声波测量结果
• 3.4.3.5 仅屏蔽体对微波热致超声波信号检测时,信噪比的改善
• 3.4.3.6 一体化内置放大器探头在微波脉冲下检测信号的结果
• 3.5 扫描平台和控制系统软件
• 3.5.1 二维步进扫描系统的组成
• 3.5.2 系统控制软件
• 3.6 本章小节
• 第四章 微波热致超声波信号的时频域特点
• 4.1 微波热致超声信号的检测标准
• 4.2 微波热致超声信号的时域分析
• 4.3 微波热致超声信号的频域分析
• 4.3.1 不同微波脉冲宽度激励对MITA信号的影响
• 4.3.2 生物组织样品不同几何尺寸的MITA信号特点
• 4.4 多次测量的平均对MITA信号信噪比的提高
• 4.5 小波在测量信号的噪声抑制和提高MITA信号SNR方面的应用
• 4.6 本章小节
• 第五章 成像算法
• 5.1 算法综述
• 5.1.1 超声折射层析成像
• 5.1.2 超声衰减层析成像
• 5.1.3 射线跟踪方法
• 5.1.4 透射式衍射层析成像及反射式衍射层析成像
• 5.1.5 基于精确场描述的层析成像技术
• 5.2 后向投影算法
• 5.3 TRM技术
• 5.3.1 TRM技术原理
• 5.3.2 TRM的噪声抑制和统计稳定性
• 5.4 PSTD方法
• 5.4.1 PSTD背景
• 5.4.2 PSTD的实现
• 5.4 基于PSTD的TRM仿真分析
• 5.5 MITAT成像实例
• 5.5.1 线阵扫描MITAT成像与纯超声波成像的对比
• 5.5.2 环阵扫描MITAT成像
• 5.5.3 复杂生物组织MITA信号分析和MITAT成像结果
• 5.5.3.1 具有皮肤、脂肪和肌肉的生物组织MITA信号分析实验
• 5.5.3.2 具有纹理的脂肪和肌肉生物组织样品MITAT成像
• 5.6 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 研究前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻博期间取得的成果
• 个人简历