微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大量醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明各種癌癥發(fā)生率和死亡率均在逐年增加，然而癌癥從確診到治療的各種技術(shù)發(fā)展卻并不樂(lè)觀。一種得到共識(shí)的觀點(diǎn)是腫瘤或癌的早期發(fā)現(xiàn)對(duì)治療效果將存在顯著的影響，本文所關(guān)注的乳腺腫瘤(癌)的檢測(cè)也具有這一特點(diǎn)。 微波熱致超聲波掃描成像(Microwave-InducedThermo-AcousticTomography，MITAT)技術(shù)是一種新興的檢測(cè)技術(shù)，它使用微波脈沖激勵(lì)組織，組織將吸收的微波能轉(zhuǎn)化為熱能，然后生物組織

2、受熱不均勻而產(chǎn)生可檢測(cè)的超聲波信號(hào)。特別是惡性腫瘤，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率均遠(yuǎn)高于周圍正常組織，因此，它們可以產(chǎn)生高幅度的微波熱致超聲波(Microwave-InducedThermo-Acoustic，MITA)信號(hào)。由于微波熱致超聲掃描成像技術(shù)應(yīng)用微波激勵(lì)、超聲成像，可產(chǎn)生高分辨率和高對(duì)比度的成像結(jié)果，使它成為一種非常有潛力的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。 然而，微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)也存在許多難點(diǎn)。首先，微波熱致超聲波涉及多物理場(chǎng)過(guò)程

3、，它包括電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳播過(guò)程、電磁能轉(zhuǎn)換為熱能過(guò)程、熱致膨脹產(chǎn)生機(jī)械波(超聲波)過(guò)程?；趧?dòng)力學(xué)和熱擴(kuò)散、傳導(dǎo)方程的微波熱致超聲波機(jī)制解析解的分析，將上述三類物理場(chǎng)有機(jī)地結(jié)合在了一起，與基于熱平衡的狀態(tài)解析分析相比，這一方法更少地對(duì)三物理場(chǎng)所涉及的參數(shù)進(jìn)行近似，能更準(zhǔn)確地反映微波熱致超聲波機(jī)制。其次，激勵(lì)所用的高功率微波脈沖會(huì)產(chǎn)生很寬頻帶的強(qiáng)電磁干擾，這對(duì)于微弱的微波熱致超聲波的檢測(cè)形成巨大的挑戰(zhàn)。如何在減小激勵(lì)微波功率的前提

4、下，盡量提高熱致超聲波的信噪比是這一系統(tǒng)的成敗關(guān)鍵。為了達(dá)到激勵(lì)微波功率與信噪比的更優(yōu)化，在對(duì)系統(tǒng)的電磁噪聲來(lái)源進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，新的具有高電磁兼容能力的超聲波檢測(cè)探頭被設(shè)計(jì)和應(yīng)用到微波熱致超聲波掃描系統(tǒng)中。從信號(hào)處理的角度，基于小波分析的噪聲抑制技術(shù)也被應(yīng)用到對(duì)測(cè)量的微波熱致超聲波信號(hào)進(jìn)行處理。另外，為獲得輻射微波能在生物組織中盡量均勻的分布和輻射效能，對(duì)現(xiàn)有的矩形波導(dǎo)輻射器的優(yōu)化通過(guò)設(shè)計(jì)低駐波比的圓喇叭天線進(jìn)行了仿真討論。最后，非

5、均勻介質(zhì)(生物組織)中的目標(biāo)成像也是微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于生物組織的非均勻性和成像目標(biāo)處于微波和超聲波的近場(chǎng)，波的衍射和散射不可忽略，一些成像算法，如后向投影算法等無(wú)法克服這些因素所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，成像分辨率和對(duì)比度均會(huì)受到影響；而基于偽譜時(shí)域方法(Pseudo-SpectralTimeDomain，PSTD)的時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡像(TimeReversalMirror，TRM)技術(shù)在微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)中的應(yīng)用，能

6、充分地利用目標(biāo)信號(hào)通過(guò)生物組織的非均勻性帶來(lái)的多徑信息，對(duì)目標(biāo)形成準(zhǔn)確的聚集成像。另外，偽譜時(shí)域方法作為時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡像技術(shù)的計(jì)算核的應(yīng)用可以方便地實(shí)現(xiàn)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡像技術(shù)所需的系統(tǒng)格林函數(shù)和大尺度生物器官如乳房的快速計(jì)算。 本文的研究?jī)?nèi)容主要包括微波熱致超聲成像軟、硬件系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要內(nèi)容概括如下： 1．在討論了生物組織的微波吸收特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于動(dòng)力學(xué)和熱擴(kuò)散、傳導(dǎo)定理推導(dǎo)了生物組織的微波熱致超聲理論，得到微波能在

7、生物組織中的吸收分布與微波熱致超聲波源分布等效的結(jié)論。 2．從系統(tǒng)的角度討論了微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)的各部分構(gòu)成，深入討論了激勵(lì)微波脈沖源的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、檢測(cè)子系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)及電磁兼容考慮。搭建的實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，微波脈沖源中心頻率2.45GHz，脈沖寬度0.5-2.0μs，峰值功率0.8-40kW。 3．對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所反映的超聲信號(hào)時(shí)頻域特征進(jìn)行了研究。對(duì)時(shí)域微波熱致超聲波信號(hào)的時(shí)延誤差隨樣品探頭距離增加而減小的現(xiàn)象，通過(guò)考慮

8、實(shí)際樣品的截面積尺寸和樣品上不同位置的熱聲源的疊加過(guò)程進(jìn)行了研究，并對(duì)相應(yīng)的修正方法進(jìn)行了討論；由激勵(lì)源、樣品幾何尺寸、超聲波傳感器響應(yīng)的級(jí)聯(lián)在頻域上的關(guān)系，討論了生物組織的幾何尺度信息如何在測(cè)量信號(hào)中通過(guò)微波熱致超聲信號(hào)頻譜分布反映出來(lái)的，同時(shí)也揭示了微波熱致超聲波信號(hào)的頻率范圍特征。 4．研究了基于小波分析的噪聲抑制方法在微波熱致超聲波信號(hào)中降噪和多分辨率應(yīng)用。 5．基于所搭建的微波熱致超聲成像系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，