本文關(guān)鍵詞：微波致熱超聲成像關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：乳腺癌是女性癌癥中發(fā)病率最高的一種,嚴(yán)重威脅著人類健康。乳腺癌的早期診斷對(duì)病患的治療和康復(fù)起著至關(guān)重要的作用。因此,對(duì)可用于乳腺癌早期檢測的新型成像技術(shù)的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。微波致熱超聲成像(Microwave Induced Thermo-acoustic Tomography,MITAT)作為新興成像技術(shù),兼具了微波成像和超聲成像的雙重優(yōu)勢,在生物醫(yī)學(xué)檢測尤其是早期乳腺癌檢測上有重大的應(yīng)用前景。本文針對(duì)MITAT技術(shù)的機(jī)理和系統(tǒng)研制中的關(guān)鍵問題,采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)路線,對(duì)MITAT技術(shù)展開了深入而廣泛的研究,主要研究內(nèi)容包括:MITAT系統(tǒng)涉及到微波工程、陣列信號(hào)處理、超聲成像和生物醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及到強(qiáng)電磁輻射對(duì)微弱熱聲信號(hào)檢測形成干擾,微波輻射天線受聲學(xué)器件干擾及天線近場功率密度分布不均勻等諸多問題,針對(duì)這些問題通過優(yōu)化超聲探頭布局及微波輻射子系統(tǒng)等手段使之得到解決。通過采用仿體材料的熱聲成像實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所搭建MITAT系統(tǒng)的性能。根據(jù)MITAT的系統(tǒng)特性,提出了MITAT系統(tǒng)一體化仿真框架。在MITAT一體化仿真中,由于MITAT技術(shù)的多物理場特性,分別采用時(shí)域有限積分(Finite Integration Time Domain,FITD)和k-space偽譜(Pseudo-spectral,PS)方法對(duì)一體化仿真中的微波問題和聲波問題進(jìn)行仿真,確保了一體化仿真的效率。通過仿真與相對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,一體化仿真的正確性得到驗(yàn)證。在MITAT一體化仿真的基礎(chǔ)上,提出了基于一體化仿真的熱聲圖像修正方法。該方法針對(duì)熱聲成像中微波輻射不均勻及天線近場測量比較困難的問題,利用一體化仿真得出系統(tǒng)中成像層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礎(chǔ)上對(duì)熱聲圖像進(jìn)行修正,解決了因微波輻射不均勻造成的MITAT系統(tǒng)的“漏檢”和“錯(cuò)檢”的問題。針對(duì)乳癌腫瘤組織和正常腺體組織介電參數(shù)差異不大而導(dǎo)致的熱聲圖像對(duì)比度不足的問題,研究了以碳納米管作為熱聲成像對(duì)比劑的可行性。在研究過程中制作了不同CNTs含量的仿體材料并分別測量了這些仿體材料的等效電導(dǎo)率和聲速,根據(jù)測量結(jié)果討論CNTs對(duì)仿體材料介電特性和聲參數(shù)的影響。同時(shí),通過研究不同CNTs含量的仿體樣品的熱聲響應(yīng)強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)CNTs含量為1%(質(zhì)量比)時(shí),樣品熱聲響應(yīng)強(qiáng)度將增加一倍以上。結(jié)合碳納米管在其他成像領(lǐng)域的應(yīng)用及本文研究內(nèi)容,碳納米管作為MITAT的成像對(duì)比劑,可以有效解決乳腺腫瘤組織和正常腺體組織對(duì)比度不足的問題,為MITAT技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了保證。利用搭建的MITAT系統(tǒng),進(jìn)行了真實(shí)乳腺組織的熱聲成像實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,采用了不同的乳腺組織,包括正常脂肪組織、良性纖維瘤組織和不同臨床分期腫瘤組織進(jìn)行了熱聲成像。通過實(shí)驗(yàn)得出了不同組織的熱聲響應(yīng)強(qiáng)度和熱聲成像效果。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)中分別采用了單個(gè)樣品、多個(gè)樣品、混合組織樣品及正常組織包裹腫瘤樣品等多種實(shí)驗(yàn)形式驗(yàn)證了所搭建MITAT系統(tǒng)的成像能力,為MITAT技術(shù)的臨床應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。此外,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)所重構(gòu)熱聲圖像的分辨率,研究了高功率短微波脈沖為激勵(lì)源的熱聲成像體制,對(duì)比了納秒級(jí)短脈沖與目前所用微波脈沖(微秒級(jí)脈寬)所產(chǎn)生熱聲信號(hào)的特性。實(shí)驗(yàn)研究證明高功率短脈沖可以有效克服生物組織內(nèi)能量積累和圖像分辨率之間的矛盾,在保證熱聲信號(hào)信噪比的前體下,提高了熱聲信號(hào)的頻域帶寬,從而提高熱聲圖像分辨率。本文研究了MITAT技術(shù)在成像系統(tǒng)研制改進(jìn)、一體化仿真、圖像對(duì)比度增強(qiáng)方法等方面的內(nèi)容,提出了基于一體化仿真的圖像修正方法,驗(yàn)證了以CNTs作為成像對(duì)比劑的可行性;同時(shí),通過真實(shí)人體離體組織樣品實(shí)驗(yàn)證明了MITAT在乳腺癌檢測上潛力;最后,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以高功率短脈沖為激勵(lì)源的熱聲成像體制在熱聲信號(hào)頻譜寬度上具有優(yōu)勢,為MITAT系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了方向。
【關(guān)鍵詞】：微波致熱超聲成像 乳腺癌檢測 一體化仿真 成像對(duì)比劑 熱聲實(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R737.9;TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 研究背景與意義12-13
• 1.2 研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 本文的研究內(nèi)容16-22
• 1.3.1 MITAT機(jī)理數(shù)值仿真17-18
• 1.3.2 MITAT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)18-22
• 1.3.3 MITAT實(shí)驗(yàn)研究22
• 1.4 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)22-23
• 1.5 本文的組織結(jié)構(gòu)23-25
• 第二章 微波致熱超聲成像原理及系統(tǒng)25-47
• 2.1 熱聲效應(yīng)基本原理25-27
• 2.2 MITAT系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)框架27-29
• 2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的問題27-28
• 2.2.2 MITAT系統(tǒng)框架28-29
• 2.3 MITAT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)29-33
• 2.3.1 超聲探頭布局及成像陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)29-31
• 2.3.2 微波輻射系統(tǒng)研制31-33
• 2.4 MITAT系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果33-46
• 2.4.1 TRM簡介34-39
• 2.4.2 成像結(jié)果39-46
• 2.5 本章小結(jié)46-47
• 第三章 微波致熱超聲成像一體化仿真研究47-71
• 3.1 MITAT中的多物理場過程47-50
• 3.1.1 生物組織介電特性47-48
• 3.1.2 生物組織熱量積累過程48-49
• 3.1.3 生物組織熱彈性膨脹過程49-50
• 3.2 MITAT系統(tǒng)一體化仿真50-55
• 3.2.1 仿真數(shù)值方法介紹50-53
• 3.2.2 仿真流程及建模53-55
• 3.3 MITAT系統(tǒng)一體化仿真結(jié)果55-62
• 3.3.1 仿真熱聲信號(hào)分析55-56
• 3.3.2 仿真熱聲圖像分析56-59
• 3.3.3 三維層析成像59-62
• 3.4 基于一體化仿真的圖像修正方法62-69
• 3.4.1 原理介紹62-64
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果64-69
• 3.5 本章小結(jié)69-71
• 第四章 熱聲圖像對(duì)比度增強(qiáng)方法71-88
• 4.1 乳腺組織介電參數(shù)71-76
• 4.2 碳納米管對(duì)仿體材料電聲參數(shù)影響76-80
• 4.2.1 含碳納米管仿體材料電導(dǎo)率測量76-78
• 4.2.2 含碳納米管仿體材料聲速測量78-79
• 4.2.3 含碳納米管仿體材料熱聲響應(yīng)79-80
• 4.3 MITAT對(duì)比度增強(qiáng)成像80-86
• 4.4 本章小結(jié)86-88
• 第五章 微波致熱超聲成像實(shí)驗(yàn)研究88-105
• 5.1 不同乳腺組織熱聲響應(yīng)研究88-89
• 5.2 真實(shí)乳腺組織樣品熱聲成像89-100
• 5.2.1 腫瘤組織熱聲成像90-93
• 5.2.2 腫瘤組織與正常組織對(duì)比熱聲成像93-95
• 5.2.3 混合組織熱聲成像95-97
• 5.2.4 復(fù)雜環(huán)境下腫瘤樣品熱聲成像97-98
• 5.2.5 不同分期腫瘤樣品熱聲成像98-100
• 5.3 高功率短脈沖熱聲效應(yīng)研究100-104
• 5.4 本章小結(jié)104-105
• 第六章 總結(jié)與展望105-110
• 6.1 全文工作總結(jié)105-107
• 6.2 進(jìn)一步工作展望107-110
• 致謝110-111
• 參考文獻(xiàn)111-124
• 攻博期間取得的研究成果124-126

  本文關(guān)鍵詞：微波致熱超聲成像關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：272078