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)展卻并不樂觀。一種得到共識的觀點是腫瘤或癌的早期發(fā)現(xiàn)對治療效果將存在顯著的影響，本文所關(guān)注的乳腺腫瘤(癌)的檢測也具有這一特點。 微波熱致超聲波掃描成像(Microwave-InducedThermo-AcousticTomography，MITAT)技術(shù)是一種新興的檢測技術(shù)，它使用微波脈沖激勵組織，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)生可檢測的超聲波信號。特別是惡性腫瘤，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率均遠高于周圍正常組織，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。由于微波熱致超聲掃描成像技術(shù)應(yīng)用微波激勵、超聲成像，可產(chǎn)生高分辨率和高對比度的成像結(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。首先，微波熱致超聲波涉及多物理場過程

3、，它包括電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳播過程、電磁能轉(zhuǎn)換為熱能過程、熱致膨脹產(chǎn)生機械波(超聲波)過程。基于動力學(xué)和熱擴散、傳導(dǎo)方程的微波熱致超聲波機制解析解的分析，將上述三類物理場有機地結(jié)合在了一起，與基于熱平衡的狀態(tài)解析分析相比，這一方法更少地對三物理場所涉及的參數(shù)進行近似，能更準確地反映微波熱致超聲波機制。其次，激勵所用的高功率微波脈沖會產(chǎn)生很寬頻帶的強電磁干擾，這對于微弱的微波熱致超聲波的檢測形成巨大的挑戰(zhàn)。如何在減小激勵微波功率的前提

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。為了達到激勵微波功率與信噪比的更優(yōu)化，在對系統(tǒng)的電磁噪聲來源進行了研究的基礎(chǔ)上，新的具有高電磁兼容能力的超聲波檢測探頭被設(shè)計和應(yīng)用到微波熱致超聲波掃描系統(tǒng)中。從信號處理的角度，基于小波分析的噪聲抑制技術(shù)也被應(yīng)用到對測量的微波熱致超聲波信號進行處理。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，對現(xiàn)有的矩形波導(dǎo)輻射器的優(yōu)化通過設(shè)計低駐波比的圓喇叭天線進行了仿真討論。最后，非

5、均勻介質(zhì)(生物組織)中的目標成像也是微波熱致超聲波掃描成像系統(tǒng)的重點和難點。由于生物組織的非均勻性和成像目標處于微波和超聲波的近場，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法克服這些因素所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，成像分辨率和對比度均會受到影響；而基于偽譜時域方法(Pseudo-SpectralTimeDomain，PSTD)的時間反轉(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、充分地利用目標信號通過生物組織的非均勻性帶來的多徑信息，對目標形成準確的聚集成像。另外，偽譜時域方法作為時間反轉(zhuǎn)鏡像技術(shù)的計算核的應(yīng)用可以方便地實現(xiàn)時間反轉(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算。 本文的研究內(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的基礎(chǔ)上，基于動力學(xué)和熱擴散、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，深入討論了激勵微波脈沖源的設(shè)計準則、檢測子系統(tǒng)的技術(shù)細節(jié)及電磁兼容考慮。搭建的實驗原型機，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．對實驗數(shù)據(jù)所反映的超聲信號時頻域特征進行了研究。對時域微波熱致超聲波信號的時延誤差隨樣品探頭距離增加而減小的現(xiàn)象，通過考慮

8、實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程進行了研究，并對相應(yīng)的修正方法進行了討論；由激勵源、樣品幾何尺寸、超聲波傳感器響應(yīng)的級聯(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量信號中通過微波熱致超聲信號頻譜分布反映出來的，同時也揭示了微波熱致超聲波信號的頻率范圍特征。 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)所測得的實驗數(shù)據(jù)，