面向医学应用的热声层析成像研究

摘要

现阶段在临床医学中，X射线成像、核磁共振成像、超声成像以及放射性核素成像已成为四大常用检测手段，但是在临床应用中，也都具有各自的局限性，因而新型医学成像技术的研究受到了广泛的关注。
　　微波热声成像就是近年来发展起来的一种成像方法，以微波脉冲辐射待成像的样品，样品吸收微波脉冲的能量，受热膨胀，进而产生超声波，通过对采集超声信号（即热声信号），利用算法处理可以重建出样品对微波的吸收图像，这就是微波热声成像的主要原理。其结合了超声成像的高分辨率和微波成像的高对比度的优势，且微波在人体的穿透深度较深，更适合于深层成像，因而在医学成像领域，尤其是乳腺癌的早期检测、脑功能成像等方面具有极大的发展潜力。
　　本文专注于微波热声成像的理论算法和实验研究，主要研究内容包括以下几个方面：
　　1、微波热声成像的研究背景及发展现状，首先介绍了目前临床医学上常用的四种检测手段，并分析各自的利弊及应用范围，并简单论述了微波热声成像的优势和特点，然后分成理论算法和实验系统两方面来介绍了国内外的专家学者在微波热声成像领域所取得的研究成果。
　　2、微波热声成像的理论研究，从三个方面对微波热声成像的过程进行了论述，即电磁波在组织样品中的传播、超声波在组织中的传输与衰减以及热声信号产生的具体过程。
　　3、图像重建算法研究，先后介绍了延迟叠加算法、时间反转算法和有限元图像重建算法的理论和实现方法，并通过对同组实验数据进行图像重建来比较这三种算法的成像结果，而后提出了基于遗传算法的图像重建，且给出了算法实现的具体过程，并通过仿真分析证明了该算法的可行性。
　　4、实验系统研究，搭建了3GHz旋转扫描式的微波热声成像系统，并对系统各部分元件的性能和参数进行了详细的介绍。
　　5、在实验方面对微波热声层析成像进行的研究，首先在实验中以控制单一变量的方法来分析各种因素对成像结果的影响，主要论述了成像深度、样品尺寸、扫描的步长和区域、样品中含盐量的影响。而后针对离体癌变的乳房组织进行成像，最后对活体的裸鼠（体内含有肿瘤）进行了成像实验，并与光声成像结果进行对比。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 微波热声成像领域的理论及实验成果

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 微波热声成像的理论

2.1电磁波在生物组织中的传播与吸收

2.2 生物组织的超声特性

2.3 热声信号的产生过程

2.4 本章小结

第三章 图像重建算法

3.1 延迟叠加算法

3.2 时间反转重建算法

3.3 基于有限元的图像重建法

3.4 三种算法成像特点的对比分析

3.5 基于遗传算法的图像重建法

3.6 本章小结

第四章 微波热声成像系统及实验

4.1 实验系统描述

4.2 实验的影响因素分析

4.3 生物组织成像实验

4.4 光声成像与微波热声成像的对比

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 研究前景展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果