【摘要】：生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)是近年來興起的一種將傳統(tǒng)聲學(xué)成像和傳統(tǒng)光學(xué)成像進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的一種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。這種技術(shù)利用生物組織的光吸收系數(shù)作為主要成像參數(shù),因而具有高對(duì)比度的成像特性,可以在特異性成像、功能性成像領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；同時(shí),相關(guān)生物信息的物理載體是超聲波,因此,這種成像技術(shù)與現(xiàn)有的超聲成像技術(shù)類似,可以在深層組織中獲得高分辨率的影像；在安全性方面,這種技術(shù)采用了低功率激光作為信號(hào)激發(fā)源,不會(huì)產(chǎn)生電離輻射,對(duì)生物體具有可靠的安全性。基于上述因素,光聲成像技術(shù)在光學(xué)、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛而持久的關(guān)注。目前生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)在于：現(xiàn)有的圖像重構(gòu)方法是建立在被測(cè)物體為聲參數(shù)均勻介質(zhì)這一假設(shè)前提上的,然而實(shí)際應(yīng)用中,生物組織均為聲參數(shù)不均勻介質(zhì)。對(duì)聲波在不均勻介質(zhì)中傳播特性的研究,尤其是對(duì)隨機(jī)散射介質(zhì)中聲波傳播特性的研究,在聲學(xué)諸多領(lǐng)域具有重要的參考價(jià)值,因此一直是聲學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。為了解決上述問題,本文圍繞光聲成像基本機(jī)制和聲波的傳播特性,利用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、樣品實(shí)驗(yàn)等研究手段,對(duì)隨機(jī)散射介質(zhì)中的光聲成像和聲波在隨機(jī)散射介質(zhì)中的傳播特性進(jìn)行了詳細(xì)研究和深入討論。研究?jī)?nèi)容主要涉及散射介質(zhì)中光聲成像質(zhì)量的改善和散射介質(zhì)中的聲波調(diào)控傳輸兩大方面。本文的具體安排如下：第一章概述了當(dāng)前主流的生物醫(yī)學(xué)成像方法,討論了光聲成像相比于這些成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),綜述了生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢(shì)；隨后,綜述了隨機(jī)散射介質(zhì)中的光波、聲波調(diào)控與聚焦技術(shù)。第二章首先分析了光聲成像的理論基礎(chǔ),包括光聲信號(hào)的激發(fā)機(jī)制和生物組織光吸收系數(shù)分布的重構(gòu)方法,并介紹了目前主要的幾種光聲成像系統(tǒng),對(duì)其各自的技術(shù)特點(diǎn)展開了討論。第三章在前人研究的基礎(chǔ)上,提出了一種聲學(xué)隨機(jī)散射介質(zhì)中的格林函數(shù)重構(gòu)方法�，F(xiàn)有的隨機(jī)散射介質(zhì)中的格林函數(shù)重構(gòu)方法具有其局限性：首先,未討論兩個(gè)重構(gòu)點(diǎn)分別位于散射層兩側(cè)的情形；其次,現(xiàn)有的方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要在兩個(gè)重構(gòu)點(diǎn)同時(shí)放置實(shí)際的聲學(xué)換能器。本文從聲學(xué)互易定理出發(fā),提出了一種基于“虛擬聲源”的格林函數(shù)重構(gòu)方法,所提出方法有效克服了現(xiàn)有方法的局限性。第四章將聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)法和本文提出的格林函數(shù)重構(gòu)法相結(jié)合,有效改善了隨機(jī)散射介質(zhì)中的光聲成像效果�，F(xiàn)有的針對(duì)不均勻介質(zhì)中的光聲成像方法大多需要介質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí),并且對(duì)于隨機(jī)散射情況無法適用。本文首先利用所提出的格林函數(shù)重構(gòu)法獲取成像區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)至探測(cè)器的格林函數(shù),隨后基于時(shí)間反轉(zhuǎn)法重構(gòu)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的初始聲壓。通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和仿體實(shí)驗(yàn)證明,與現(xiàn)有的成像方法相比,本文提出的方法能有效改善由于隨機(jī)散射造成的目標(biāo)位置偏移、對(duì)比度失真、噪聲嚴(yán)重等問題。第五章基于隨機(jī)散射介質(zhì)對(duì)聲波的聚焦效應(yīng),提出了一種隨機(jī)散射聲透鏡,并通過時(shí)間反轉(zhuǎn)操作實(shí)現(xiàn)了單個(gè)換能器對(duì)聲波的動(dòng)態(tài)調(diào)控聚焦。理論分析表明,隨機(jī)散射的多路聚焦效應(yīng)可以增加換能器陣列的等效孔徑尺寸,基于這一原理,首先利用第三章所提出的方法獲取隨機(jī)散射聲透鏡的格林函數(shù),隨后,利用已知的格林函數(shù),得到時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)并利用換能器發(fā)射,便可實(shí)現(xiàn)聲波在空間任意點(diǎn)的動(dòng)態(tài)聚焦。相比于現(xiàn)有的各種方法,本文所提方法無需對(duì)透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),無需在聚焦點(diǎn)事先放置實(shí)際的聲源,此外在改變聚焦位置時(shí)也無需改變透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。第六章將隨機(jī)散射聲透鏡應(yīng)用于光聲成像,實(shí)現(xiàn)了基于聲透鏡的單換能器光聲成像。理論分析表明,若能確定隨機(jī)散射層的格林函數(shù),散射層在聲學(xué)成像過程中具有超分辨效應(yīng),此時(shí)成像等效孔徑由換能器陣列孔徑和散射層特性共同決定,即便只有單個(gè)換能器接收光聲信號(hào),理論上也可以實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)�；谶@一原理,本文通過數(shù)值模擬和樣品實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了單個(gè)換能器的光聲成像。第七章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié),并在本文工作的基礎(chǔ)上,對(duì)未來計(jì)劃開展的工作進(jìn)行了展望。綜上所述,本文圍繞光聲成像基本機(jī)制和聲波在隨機(jī)散射介質(zhì)中的傳播特性展開具體研究,提出了一種隨機(jī)散射介質(zhì)中的格林函數(shù)重構(gòu)方法,將其與時(shí)間反轉(zhuǎn)相結(jié)合,有效改善了散射介質(zhì)中的光聲成像效果,提出了一種隨機(jī)散射聲透鏡,基于該透鏡實(shí)現(xiàn)了聲波的動(dòng)態(tài)聚焦和單換能器光聲成像。本文的研究?jī)?nèi)容,從理論探索和實(shí)踐應(yīng)用的角度來看均具有一定的意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：2468404