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《第四军医大学》 2004年 博士论文
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生物组织微波热声断层成像技术研究

李洪义  
【摘要】:微波热声断层成像(Microwave-induced thermoacoustic computed tomography,MTCT)是一种利用脉冲调制的微波照射生物组织来激发热声信号的断层成像技术,它也是一种空间分辨率较高的功能成像技术。当生物组织吸收微波能量后,微波能量转换为热能,从而引起生物组织热膨胀,这种膨胀会引起瞬时的压力分布。微波脉冲引起的压力分布在组织内部产生不同速度的传向组织表面的声波,称其为热声波。利用放置在组织周围的超声探测器来记录热声波,由热声波可逆向计算出最初声源或组织电磁吸收的分布。这些分布与组织的一些特性相关,只要计算出声源或电磁吸收的分布精度足够高,就可以得到声学特征和电磁吸收特征不同的组织的空间分布,即组织功能成像。 微波对组织的辐射是一种非电离辐射,适当控制微波发射功率和照射时间,不会对组织造成不可逆损害。由于不同的生物组 第四军医大学博士学位论文 织对微波的吸收剂量会因组织含水量的不同而差异显著,所以利 用微波作为成像工具可以很方便的区分不同组织,特别是区分含 水量和代谢差异较为显著的正常组织和癌变组织。这个特点反映 在图像上则为微波成像具有较好的图像对比度。但是,由于微波 成像波长较长,造成单纯的微波成像空间分辨率较低;又由于微 波交叉祸合干扰技术上难以克服,且系统对微波接收天线(阵列) 的设计要求极高,使得对生物组织实现高质量微波成像在实现技 术上难度极高。 微波热声断层成像系统可看作是微波激励的超声成像。由于 超声信号波长很短,使得超声成像的图像具有较高的空间分辨率。 微波热声断层成像既具有微波成像对不同组织的区分能力(特别 是肿瘤组织和正常组织的区分),又结合了超声成像较高的空间分 辨率的优点。利用现代微电子技术和定制的微波源,微波热声断 层成像系统很容易做到小型便携化和低成本化。 微波热声断层成像既能提供组织的解剖结构信息,也能够反 映一定的生理生化特性,如组织介电常数、电导率、声波传导规 律以及微波吸收剂量等。恰当地结合生物光谱学的实验结果,将 来可望用来作为功能成像的一个廉价、有效的方法。 由于生物组织对微波的吸收剂量会因组织含水量的不同而差 异显著,特别是在含水量和代谢差异较为显著的正常组织与癌变 组织之间更为显著,所以微波热声断层成像的图像拥有较好的图 像对比度,且其图像分辨率可以达到毫米级水平,可以用于癌肿 瘤早期预报。 本文在深入研究了国内外关于生物组织微波热声断层成像技 术的基础上,结合实际情况,采用现代微电子技术、计算机技术 和数字信号处理技术,对生物组织微波热声断层成像技术进行了 系统研究。 第四军医大学博士学位论文 本论文主要进行了以下几方面的研究工作: 1.综述了国内外关于微波热声断层成像技术研究工作 的进展。 2.研究了微波热声断层成像实验系统的实施方案,提出 了实现该方案的研究方法。 3.设计了微波热声断层成像实验方案,进行了相应的实 验研究。 4.对实验中得到数据进行了初步的处理,分析了影响成 像质量的因素,提出了相应改进措施。 通过对微波热声断层成像技术的研究,本文取得了以下研究 成果: 1.设计了微波热声断层成像实验系统的研究方案,提出了实 现该方案的研究方法,在国内首次建立了生物组织微波热 声断层成像实验平台,填补了该研究方向国内空白。 2.设计了高频宽带放大电路和高速数据采集方案,实现了宽 频生物组织微波热声信号的实时数据采集。 3.采用直线位移传感器和旋转位移传感器相结合的方法,以 简单、可靠、低成本的方法解决了高精度定位问题。设计 并实现了超声传感器线性扫描和高精度定位系统。 4.对离体猪脂肪和离体猪肌肉进行了成像实验,得到了初步 的成像结果。将成像结果和实际实验样本对比,证明生物 组织微波热声断层成像实验系统平台设计方案可行,研究 方法正确。 生物组织微波热声断层成像技术是一种新颖的生物检测成像 方法,既具有微波成像对不同组织的良好图像对比度,有利于不 同组织的区分,又具有超声成像图像分辨率较高的优势,有利于 组织结构的细致观察和分析。微波热声断层成像技术的研究将使 人们对生物组织功能成像和癌肿瘤早期预报拥有一种全新的、简 4 第四军医大学博士学位论文 单的、廉价的检测手段。 生物组织微波热声断层成像实验平台的建立,可以使研究人 员做进一步的深入研究,分析影响成像质量的各种因素,不断改 进成像系统,直至达到临床应用。


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