面向医学应用的热声层析成像研究

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1、面向医学应用的热声层析成像研究-->第一章绪论1.1研究背景在临床医学当中，大夫的主要事情便是对就诊者的康健状态或疾病作出准确的评价和诊断，其条件是大夫获取生物信息的科学水平和容量巨细，从信息量的角度来说，一幅图像所包罗的信息远比数据、曲线所含的信息越发富厚，并且越发直观，不但可以展示出人体内部某一特定部位或层面的剖解布局，并且还可以提供人体脏器的功效信息，这越发有利于大夫快速且准确的对病人的病情举行诊断，因而对付医学成像的研究具有紧张的实用代价。下面将介绍现今使用的几种医学成像手段，分析各自的局限性，并对微波热声层析成像进行简单的阐述。1.1.1常用的医学检测手段1.1.1.1

2、X射线成像X射线是在1895年发现的一种电磁波，其波长很短，对于临床医学成像领域而言，具有以下特点[1]：（1）穿透性，能够穿透可见光不能穿透的物体，在穿透相应媒质的时候会有一定的吸收和衰减，X射线对于人体不同组织结构具有不同的穿透能力，这也是利用X射线进行成像的基础。如骨骼密度大，对X射线吸收强，成像后为白色，皮肤、肌肉、体液、内脏等软组织为中等密度，成像后为灰白色，脂肪、气体等密度低，对X射线吸收少，为黑色；（2）荧光特性，荧光物质受到X射线激发后能够产生可见荧光，该特性是利用X射线进行透视的基础；（3）感光特性，用X射线照射涂有溴化银的胶片后会感光进而显影，这是X射线摄影的

3、基础；（4）电离作用，X射线通过任何物体后被吸收都可产生电离作用，电离程度正比于物体对X射线的吸收程度；（5）生物效应，人体经X射线照射后，X射线将会与体内物质相互作用，令人体细胞结构发生生理或生物学改变，此即为X射线的生物效应。............................................1.2微波热声成像领域的理论及实验成果近年来国内外医学成像领域的专家学者在微波热声成像方向取得了大量的理论及实验成果，理论成果主要集中在图像重建算法、图像失真的矫正算法方面，在实验上，建立了多种实验系统，并且进行了大量的活体动物实验以及人体器官的成像实验，本节将先后针

4、对国内外在热声成像的算法、实验系统和应用方面近年来取得的部分成果进行阐述。1.2.1理论算法成果微波热声层析成像最早的研究始于1977年，J.C.Lin研究小组发现了这一现象，并建立了由电磁波激励产生超声波的理论模型[3]。而后，于1984年由T.C.Guo研究小组对脉冲微波产生超声信号的过程进行了理论分析，并获得微波热声层析成像的通用理论公式[4]。G.J.Diebold于1990年给出了各种模型下的超声信号的解析解[5]，至此微波热声层析成像基本理论基础已经建立，这为此后的研究奠定了坚实的基础。近年来，随着国内外专家学者的广泛关注，微波热声层析成像在理论上也有了更多的研究成果

5、。目前，美国德克萨斯AM大学的LihongV.）和逆时偏移（Reverse-timeMigration—RTM），且相较而言RTM可以降噪并提高图像质量。..........................................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在电磁波谱中，紫外和亚波长紫外具有高光子能量，这将使生物分子产生电离，因此不宜应用到生物医学成像中，此外在射频段，照射生物组织的电磁波频率越低，生物组织的吸收将会随之降低，进而产生的声信号减弱，这将造成最终探测结果的信噪比随之降低。所以在生物医学成像中，激励源通常选择射频、微波、可见光以

6、及近红外波段的电磁波。电磁波与生物组织相互作用的另一方面就是电磁波在组织中的传播，可以由穿透深度来表示，其定义为有效衰减系数的倒数。射频、微波、可见光照射到样品上将会具有不同的穿透深度，这也决定了各自的应用领域。生物组织的射频特性与其电特性相关，在生物组织内部有大量的表现为电偶极子特性的无机离子、阴阳离子和一些分子，如水、一些氨基酸、蛋白质等。影响生物组织对射频能量吸收的因素主要包括两个方面，即离子导电性和极性分子（水和蛋白质）的能级振动。组织的吸收由其分子结构决定，同时也依赖于电磁波的频率。在射频和微波波段，组织中微弱的离子导电性或水含量的升高将会令组织的吸收明显增大。相对于正

7、常组织而言，癌变组织中血液和蛋白质含量更高，这使得癌变组织的离子电导率和水含量都明显偏高，其主要原因是在快速生长的肿瘤中血管密集。.................................2.2生物组织的超声特性2.2.1超声的反射与透射当超声传输到两中媒质的交界面时，需要满足的边界条件是：（1）在交界面的两边总的声压是等值的；（2）质点入和出交界面的速度等值。由图2-2可见[63]：式中,,irtPPP依次为入射声波、反射声波和透射声波的声压瞬时值；,,irtvvv依次