基于超宽带电磁脉冲源的热声成像技术研究

摘要

微波热声成像(Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging，MITI)技术拥有较大穿透深度、高图像分辨率和对比度，联合了微波成像和超声成像二者的优点。因此，该技术拥有很好的发展前景和广阔的应用潜能，是一种新型无损医学检测方式。首先，微波热声成像技术使用脉冲微波为激发源照射成像组织；然后，成像组织吸收辐射出的微波能量，产生热膨胀效应并激发出超声波；最后，以超声波信号为重建信息，借助图像重建算法重建出反映受辐射部位组织吸收微波特性的热声图像。微波热声成像技术可应用于组织介电特性分布成像研究中，依据生物组织在不同生理及病理条件下微波吸收特性差异，该技术可以进行非入侵式、分辨率和对比度高的医学无损检查。
　　尽管微波热声成像技术的穿透深度、图像对比度和分辨率已经较高，但仍要继续提高；目前，热-声之间的转换效率依旧很低，热声成像的激发源功率却很大，存在对成像组织造成热损伤的潜在风险。传统热声成像激励源脉宽一般在0.1-1?s之间，激励微波能量密度约几2mJ cm，成像分辨率在0.1-1 mm之间。伴随微波热声成像技术向医学临床领域的应用推进，热-声转换效率和图像分辨率有效地提高、微波辐射剂量有效的降低是决定发展该技术的重要因素。研究发现：压缩激励源脉冲宽度可以将成像系统分辨率和热-声转换效率提高，同时改善成像存在的热损伤危害。
　　通过上述分析，本文提出基于超宽带电磁脉冲源的热声成像技术研究，该研究使用的脉冲功率源可产生10 ns超短脉冲微波信号。按照热声成像理论基础，讲述了几类热声成像中常用的重建算法。本文以设计和搭建基于超宽带电磁脉冲源的热声成像系统为主，并通过仿体和生物组织成像实验来研究该系统的成像能力；通过不同层面marker阵列实验来研究该系统的成像范围；通过开门关门实验来研究环境因素对成像质量的影响；通过铜板反射实验来探索提高微波热声成像中能量耦合效率的方法；通过对比不同放大器和不同类型超声探头实验来研究硬件设备对系统性能的影响。开展本文内容研究使得基于超宽带电磁脉冲源的热声成像技术面向临床应用迈出关键一步，同时给予了有力的技术支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 微波热声成像技术

1.3 本论文研究的主要内容

第二章 热声成像技术的理论基础

2.1 前言

2.2 热声信号产生原理

2.3 热声成像对比度来源

2.4 热声成像中微波脉宽的影响

2.5 本章小结

第三章 基于超宽带电磁脉冲源的热声成像系统

3.1 引言

3.2 热声成像系统总体简介

3.3 热声激励源系统

3.4 热声成像超声信号探测

3.5 数据采集系统

3.6 热声成像重建算法

3.7 本章总结

第四章 基于超宽带电磁脉冲源的热声成像实验研究与探索

4.1 前言

4.2 热声成像系统成像范围实验研究

4.3 仿体与生物组织热声成像实验研究

4.4 热声成像质量改进探索实验研究

4.5 提高热声成像总体系统性能实验探究

4.6 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果