微波热致超声成像技术研究

论文摘要

医学方面的统计数据表明癌症患者的数量在逐年增加,癌症的早期发现对治疗效果有根本性的影响;因此,癌症的早期检测技术的研究有很重要的意义。目前的检测方法主要有X射线技术、超声波成像技术、核磁共振成像技术等。但上述检测方法由于其自身检测机理的限制,都有各自的不足。X射线技术本身对人体有一定的伤害,另外它对弱吸收物体的成像效果不佳,因此不易检测出早期的肿瘤;超声成像技术虽然有良好的分辨率,但是其成像机理决定了它的对比度不会太好;核磁共振技术不能够很好的区分良性肿瘤和恶性肿瘤。微波热致超声成像技术是一种新兴的检测技术,它用微波脉冲激励组织,组织将吸收的微波能转化为热能,由于组织的非均匀性导致受热不均匀,利用不同热膨胀产生的信号对目标成像。由于微波热致超声成像技术用微波激励、超声成像,因此具有很好的分辨率和对比度,它是一种非常有潜力的生物医学成像技术。本文的研究内容主要包括微波热致超声成像系统的理论和实验研究,主要内容概括如下:1.研究了早期乳腺癌的微波热致超声理论,分析了影响热超声信号产生、传播的各个因素;从理论上估算了组织受激产生的超声信号的强度,评估了系统的安全性;2.研究并设计搭建了完整的微波热致超声成像系统,包括对系统进行了分阶段的改进,在一定程度上解决了电磁屏蔽的问题;研究了耦合媒质、实验容器、放大器等组成部分的选择对系统整体性能的影响;3.针对实验数据所反映的超声信号频谱的特征,从系统级联的角度给出了解释:超声信号频谱中能量的分布会受生物组织自身几何特性的调制;利用仿真数据对影响系统分辨率的因素进行了讨论;首次将小波软阈值滤波方法用于分析热超声信号,结果表明该方法可以较好地改善信噪比;4.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:滤波反投影成像算法和频域成像算法;为了提高成像质量和成像效率,研究了非均匀快速傅立叶变换(NUFFT),并首次成功将其应用到微波热超声的频域成像算法中。成像结果表明目前系统可以实现mm量级的分辨率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 早期乳腺癌检测
• 1.1.1 早期乳腺癌
• 1.1.2 早期乳腺癌检测的主要方法
• 1.1.3 微波热致超声成像技术
• 1.2 微波热声成像技术的发展
• 1.2.1 热声成像技术的分类
• 1.2.2 微波热致超声成像技术的研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 生物组织的微波热声理论基础
• 2.1 生物组织的电磁特性
• 2.2 早期乳腺癌的微波效应
• 2.3 早期癌变组织的微波热声信号激发
• 2.4 生物组织中的热传导
• 2.5 热声信号在生物组织中的传播
• 2.6 微波热声效应的数学模型
• 2.7 本章小结
• 第三章 微波热致超声成像系统的研究与实现
• 3.1 微波热致超声成像系统研究、设计的三个阶段
• 3.2 微波热致超声成像系统中各个部分的研究设计
• 3.2.1 耦合液的选取
• 3.2.2 实验容器的选择
• 3.2.3 放大器的传输特性
• 3.2.4 超声传感器的选择
• 3.2.5 扫描平台
• 3.3 系统噪声
• 3.4 系统的安全指标分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 微波热致超声成像技术中的信号处理
• 4.1 微波热致超声信号的识别与确认
• 4.2 超声信号频谱的分析
• 4.2.1 实验及数据分析方法
• 4.2.2 实验及数据分析结果
• 4.2.3 数据分析结果的解释
• 4.3 微波热致超声成像系统分辨率的分析
• 4.4 超声信号信噪比的改善
• 4.4.1 小波去噪的基本原理
• 4.4.2 小波阈值去噪算法在微波热致超声成像系统中的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 微波热致超声成像系统中的重建算法研究
• 5.1 滤波反投影重建算法（FBP：Filtered Back-projection）
• 5.1.1 滤波反投影重建算法的基本原理
• 5.1.2 实验数据的处理结果
• 5.2 频域成像算法（又名波数域成像算法）
• 5.2.1 频域成像算法的理论描述
• 5.2.2 基于非均匀傅立叶变换（NUFFT）的频域成像算法
• 5.2.3 实验数据的成像结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 研究前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果