（生物物理学专业论文）生物组织微波热声断层成像技术研究.pdf

穗辚犍毒嘲 ￥6 1 5 2 6 6 秉承学较严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是载 个八在导师指导下进行的研究工作殁取得韵研究成果。尽我所知，除了文 中特别加以标注和致谢的地方，p ，论文中不包含其他八已经发表或撰写过 韵研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确酌说明 并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本八承担一切相关责任。 论文作者签名：塑! 鞋日期：! 递! z ： 壤掺媾谖旁禳南嘴 本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位餍第四军医大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文t 作成果时署名单位仍然为第四军医大学。学 校可以公布论文的全部或部分内容( 含电子暇，保密内容除， ) ，可以采 用影印，缩印或其他复制手段保存论文。学校有权允许论文被查阏和借 阏，并在较园网上提供论文内容的浏览和下载服务。 论文作者始继辽导师签名握础笙佻缝! 笙：丝 第四军医大学博士学位论文 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 m i c r o w a v e - i n d u c e dt h e r m o a c o u s t i c 微波热声 c o m p u t e dt o m o g r a p h y计算机断层成像 s i n g l ep o s i t r o ne m i s s i o n单光子发射 c o m p u t e dt o m o g r a p h y断层成像 p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y正电子发射 断层成像 c o m p u t e dt o m o g r a p h y计算机辅助 断层成象 p h o t o a c o u s t i cu l t r a s o u n d 光声超声 t h e r m o a c o u s t i cc o m p u t e d 热声计算机 t o m o g r a p h y断层成像 s i g n a l t o n o i s er a t i o信噪比 f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e有限冲击响应 凹 盼 t 峪叩 0 r 肿 汀 阻 凹 队n 洲h 生物组织微波热声断层成像技术研究 博士研究生：李洪义 导师：杨国胜教授 第四军医大学生物医学工程系，西安7 1 0 0 3 2 中文摘要 微波热声断层成像( m i c r o w a v e i n d u c e dt h e r m o a c o u s t i c c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，m t c t ) 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 波交叉耦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。 关键词：微波，超声，微波热声，成像，断层成像 苎婴呈堕查堂竖主兰垡笙兰 t e c h n i c a lr e s e a r c ho n m i c r o w a v e - i n d u c e d t h e r m o a c o u s t i c c o m p u t e dt o m o g r a p h y c a n d i d a t ef o rd o c t o r ：l ih o n g y i s u p e r v i s o r ：y a n gg u o s h e n g d e p a r t m e n t o f b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ，f o u r t hm i l i t a r ym e d i c a lu n i v e r s i t y , x i a n 7 1 0 0 3 2 ，c h i n a a b s t r a e t m t c t ( m i c r o w a v e i n d u c e d t h e r m o a c o u s t i c c o m p u t e d t o m o g r a p h y ) i s ak i n do f t o m o g m p h yt e c h n o l o g y t h a tu s e s p u l s e m o d u l a t e d m i c r o w a v et oe x c i t et h e r m o a c o u s t i c s i g n a l sb y i r r a d i a t i n gb i o l o g i c a lt i s s u e s ，a n d ak i n do ff u n c t i o n a l i m a g i n g t e c h n o l o g yw h o s es p a t i a lr e s o l u t i o nr a t i oi sm u c hh i g h e r m i c r o w a v e e n e r g yw i l lc o n v e r ti n t oh e a tw h e nb i o l o g i c a lt i s s u e sa b s o r bi t ，w h i c h t h e r e f o r el e a d st ot h e r m a ld i l a t i o no fb i o l o g i c a l t i s s u e s ，a n dt h e n t h e r m a ld i l a t i o nw i l lc a u s ei n s t a n t a n e o u sp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n t h i s k i n do fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc a u s e d b y m i c r o w a v e p u l s e c r e a t e s a c o u s t i cw a v e ，c a l l e dt h e r m o a c o u s t i cw a v e ，w h i c ht r a n s m i t st ot i s s u e s u r f a c ea td i f f e r e n t s p e e d u l t r a s o u n dd e t e c t o r a r o u n dt i s s u e sc a n r e c o r dt h e r m o a c o u s t i cw a v e ，a n dt h e no r i g i n a ld i s t r i b u t i o no fs o u n d s o u r c eo re l e c t r o m a g n e t i s ma b s o r p t i o no ft i s s u e sc a nb ef i g u r e do u t c o n v e r s e l y w h i c hi s c o n c e r n e dw i t l ls o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft i s s u e s t i s s u e s s p a t i a l d i s t r i b u t i o nw o u l db e g o t a s l o n g a sd i s t r i b u t i o n 6 苎婴兰垦查主堕主鲎堡垒兰 p r e c i s i o no fs o u n d s o u r c eo re l e c t r o m a g n e t i s ma b s o r p t i o n i s h i 出 e n o u g h , a n d t h a ti sc a l l e dt i s s u e sf u n c t i o n a li m a g i n g m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt ot i s s u e si sak i n do fn o n i o n i z i n gr a d i a t i o n ， w h i c hw o u l dn o tc a u s ei r r e v e r s i b l el e s i o no ft i s s u e si fm i c r o w a v e i r r a d i a t i o np o w e ra n dt i m ew e r ec o n t r o l l e dp r o p e r l y m i c r o w a v ea c t e d a s i m a g i n gt o o l s c a ne a s i l yd i s t i n g u i s hd i f f e r e n tt i s s u e s ，e s p e c i a l l y n o r i n a it i s s u e sa n dc a n c e rw h o s er a t eo fw a t e rc o n t e n ta n dm e t a b o l i s m d i f f e r sr e m a r k a b l y t h i sc h a r a c t e r i s t i cs h o w st h a tm i c r o w a v ei m a g i n g h a sb e t t e ri m a g ec o n t r a s t h o w e v e r , m i c r o w a v ew a v e l e n g t hi sm u c h l o n g e r w h i c hb r i n g sa b o u tl o w e rs p a t i a lr e s o l u t i o nr a t i oo fp u r e m i c r o w a v ei m a g i n g a sw e l la sm i c r o w a v ei n t e r c o u p l i n gd i s t u r b a n c e c a nn o tb es o l v e da n dd e s i g nr e q u i r e m e n to fm i c r o w a v er e c e i v i n g a n t e n n a e a r r a y i s r i g i de x t r a o r d i n a r i l y ，s oh i g h q u a l i t y m i c r o w a v e i m a g i n go fb i o l o g i c a lt i s s u e sh a sm o r ed i f f i c u l t i e si ni m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e m t c t s y s t e mc a r lb es e e m e d a su l t r a s o u n di m a g i n gi n d u c e db y m i c r o w a v e l o w e ru l t r a s o u n d w a v e l e n g t hb r i n g sh i g h e rs p a t i a l r e s o l u t i o nr a t i oo fu l t r a s o u n d i m a g i n g m t c t n o t o n l y h a st h e c a p a b i l i t yt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n tt i s s u e st h a tm i c r o w a v ei m a g i n gh a s ， b u ta l s oh i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o nr a t i ot h a tu l t r a s o u n di m a g i n gh a s a n dm t c t s y s t e mc a n b ep o r t a b l ea n dl o w - c o s te a s i l yu s i n gm o d e m e l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dc u s t o m i z e dm i c r o w a v es o u r c e m t c tp r o v i d e sa n a t o m i c a ls t r u c t u r a l i n f o r m a t i o n ，a sw e l l a s c e r t a i np h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st i s s u e p e r m i t t i v i t y ，c o n d u c t i v i t y ，w a v e s o u n dc o n d u c t i v er u l e sa n d 7 苎粤呈墨查兰竖主兰堡丝兰一 m i c m 、v a v ea b s o r b e d d o s e c o m b i n e d w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t so f b i o l o g i c a ls p e c t r o s c o p y i ti se x p e c t e d t ob eal o w - p r i c ea n de f f c c t i v c w a y a sf u n c t i o n a li m a g i n g a b s o r b e d d o s ed i f f e r sg r e a t l yb e c a u s eo f d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t i n t i s s u e s ，e s p e c i a l l y b e t w e e nn o d a lt i s s u e s a n dc a n c e ri nw h i c h w a r e rc o n t e n ta n dm e t a b o l i s mi sd i f f e r e n ts p e c i a l l y ，s om t c ti m a g e s h a v eb e t t e ri m a g ec o n t r a s t ，a n di t si m a g er e s o l u t i o nr a t i oc a n r e a c ht o m i l l i m c t e rl e v e ls oa st ob eu s e df o re a r l yp r e d i c t i o nf o rm a l i g n a n t t u m o r t h i sa r t i c l es t u d i e so t h e rb i o l o g i c a lt i s s u e sm t c tt e c h n o l o g yi n t h ew o r l d ，a n dr e s e a r c h e s o ni tw h e n i n t r o d u c i n g m o d e m m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，c o m p u t e r a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h i ss t u d yh a sd o n es e v e r a lr e s e a r c hw o r k s b e l o w 1 s u m m a r i z et h er e s e a r c hp r o g r e s sa b o u t m t c ta r o u n dt h e w o r l d 2 r e s e a r c ho ni m p l e m e n t a t i o np l a no fm t c te x p e r i m e n t a l s y s t e m ，a n db r i n g f o r w a r dt h er e s e a r c hm e t h o d t oi m p l e m e n ti t 3 d e s i g nf o r m t c te x p e r i m e n t a l p l a n , a n d d os o m e r e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s 4 p r e l i m i n a r i l y d e a lw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y z et h e f a c t o r s a f f e c t i n gi m a g eq u a l i t y ，m o r e o v e r , p u t f o r w a r dr e l e v a n t s t e d s i m p r o v e d t h e f o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e db y t h er e s e a r c h 8 整璺呈堕奎兰壁主堂堡堡壅 o f m t c t t e c h n o l o g y 1 d e s i g n f o rt h er e s e a r c h p l a n o fm t c te x p e r i m e n t a l s y s t e ma n dp u tf o r w a r d t h er e s e a r c hm e t h o dt oi m p l e m e n ti t i ti s f o rt h ef i r s tt i m et os e t u pm t c te x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i n d o m e s t i cr e s e a r c ha r e a 2 d e s i g nf o rh i g h f r e q u e n c yw i d e b a n da m p l i f i e rc i r c u i tt o r e a l i z er e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o no fb r o a d b a n dm i c r o w a v e i n d u c e d t h e r m o a c o u s t i cs i g n a l so f b i o l o g i c a lt i s s u e s 3 c o m b i n el i n e a r d i s p l a c e m e n t s e n s o r s w i t h r o l l i n g d i s p l a c e m e n ts e n s o r st o a c c o b n tf o rh i g hd e f i n i t i o nl o c a l i z a t i o n ， d e s i g na n di m p l e m e n tl i n e a rs w e e p o fu l t r a s o u n ds e n s o ra n dh i g h d e f i n i t i o nl o c a l i z a t i o ns y s t e m 4 m a k e i m a g i n ge x p e r i m e n t so ne x s o m a t i z e dp o r kf a ta n d m u s c l e ，a n dg e ti n i t i a li m a g i n gr e s u l t s c o m p a r ei m a g i n gr e s u l t s w i t ha c t u a le x p e r i m e n ts a m p l e sa n dp r o v et h a td e s i g np r o j e c to f m t c te x p e r i m e n t a l s y s t e mp l a t f o r m o fb i o l o g i c a lt i s s u e si s f e a s i b l e m t c to f b i o l o g i c a lt i s s u e si sa k i n do fn e w b i o l o g i c a ld e t e c t i n g i m a g i n gm e t h o d ，w h i c hh a s b e t t e r i m a g e c o n t r a s tt o d i s t i n g u i s h d i f f e r e n tt i s s u e st h a tm i c r o w a v ei m a g i n gh a s ，b u ta l s oh i g h e ri m a g e r e s o l u t i o nr a t i ot ov i e wa n d a n a l y z et i s s u es t r u c t u r et h a tu l t r a s o u n d h a s t h er e s e a r c ho nm t c tw i l lb r i n gas o r to fn e w s i m p l ea n dl o w - c o s t e x a m i n a t i o nm e a n sf o rt h ef u n c t i o n a li m a g i n go f b i o l o g i c a lt i s s u e sa n d e a r l yp r e d i c t i o no fm a l i g n a n t t u m o r s t h ef o u n d a t i o no fm t c t e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fb i o l o g i c a l 9 第四军医大学博士学位论文 t i s s u e sh a sp r o v i d et h ew a yf o rt h er e s e a r c h e rt oe n g a g ei nt h ef u r t h e r r e s e a r c h ，a n a l y z ea l lf a c t o r st h a ta f f e c ti m a g i n gq u a l i t y ，i m p r o v et h e i m a g i n gs y s t e mc o n t i n u o u s l ya n df i n a l l ya p p l y i tt oc l i n i ca p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m i c r o w a v e ，u l t r a s o u n d ，m i c r o w a v et h e r m o a c o u s t i c ， i m a g i n g ，c o m p u t e dt o m o g r a p h y 1 0 第四军医大学博士学位论文 前言和文献回顾 前言 生物医学成像研究人员正在追求一个梦想，即在不久将来的 某天，他们将开发出一种基于微波和超声相结合的非侵入成像方 法，使医生能“探入”人体，诊察疾病。 随着科学技术的发展，医学影像成为临床诊断中不可缺少的 重要组成部分，而医学影像技术也逐渐成为医学诊断中最活跃的 研究领域之一，成为现代生物医学工程的一个重要分支。 目前在l 临床医学领域内并存着四大成熟的医学影像技术，分 别是代表了器官解剖结构的结构成像技术一x 线断层扫描( c t ) 与 磁共振成像：体现了生理生化功能的功能成像技术一核医学成像 ( s p e c t 与p e t ) ；以及兼具一定结构和功能成像技术的超声成像。 此外采用光学成像方式的红外影像技术与医用内窥镜技术也在临 床中占据了一席之地。现在电阻抗成像、微波成像等一些其他的 新型成像方式也在逐渐发展，并将临床应用作为其最终的研究目 标。 微波的热效应是其对生物组织造成的一种主要物理效应。生 物组织在受到一定强度和时间的微波辐射之后，生物组织吸收微 波能量，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。在微波脉冲照射之后组织内部的声 波压力会自然松弛，这样，它们成为组织内部的瞬时声源而引起 声波的传导。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。声波的频率范围从极低 频率到射频脉冲持续时间导数的高频。声波压力的数值在m b a r 数 l l 第四军医大学博士学位论文 量级，因此不会造成组织损害。基于安全原因，人体接收的射频 能量辐射必须在一定限度以内，在强制性的安全标准之下，每个 约1 微秒的短脉冲在软组织中引起的温升很小，约为千分之一度 数量级。这种细微的温度升高也会引起组织的线性膨胀，在吸收 最多能量的组织区域中加热和膨胀也最为显著。 软组织中声波传播速度的差异几乎可以忽略不计，在大多数 软组织中声波速度为1 5 m m p s ，其变化不会超过5 。软组织中 总的声波衰减是由吸收和散射共同引起的损耗造成，在m h z 频率 的较低范围内，软组织中声波散射造成的衰减仅占总声波衰减的 1 0 ，而声波能量衰减的平均值为0 6 d b - c m m h z 。通常一个 1 m h z 的信号在经过5 a m 的传播之后，总的能量衰减约为3 d b ，相 应的幅度约衰减到原来的7 0 ，这样的衰减对于声波成像应用是 可以接受的。 生物组织微波热声成像就是针对生物组织的微波热效应和声 波在组织中传播的特点，利用脉冲微波辐射源发出的微波照射组 织，引起组织受热膨胀而产生超声波，超声波传感器检测到信号 之后，送至计算机进行数据处理和图像重构。它结合了微波成像 和超声成像的优点，形成了一种新的医学成像方式。 微波热声成像研究具有以下几方面的意义 1 微波热声成像是一种新型的高质量无损成像技术。 现有成像技术的优缺点： 目前现有的成像系统中，结构成像技术的图像质量最好，但x 线c t 成像时的x 线辐射会对患者和操作人员造成放射线损伤；核 医学成像技术需要使用标记化合物，且患者也必须接受射线照射， 会造成一定剂量的放射线损伤。另外它们往往要求患者服用一定 1 2 第四军医大学博士学位论文 的造影剂，这可能会给患者带来生理上的不适。此外对放射性物 质的保存要求以及昂贵的价格，也使这种技术难以普及。 超声成像系统价格低廉、对人体无损伤、分辨率较高，但由 于不同组织对声波的传导差异不明显，因而组织之间的图像对比 度较差，对不同组织的区分度较低；而且在组织内部空腔和骨骼 与软组织分界面上易产生超声波的波型转换，因而会造成伪影和 成像不清。 红外成像与医用内窥镜技术属于光学成像技术，在不侵入组 织的情况下很难得到解剖结构信息，一般只适用于手术中的影像 引导系统，适用范围较窄。 电阻抗断层成像是对人体施加微弱电信号，通过体表测得的 响应信号得到组织的内部阻抗或其变化分布，属于一种功能成像， 对组织无损害、成本低，具有一定的临床意义。微波成像则是利 用无损的低功率微波照射被成像组织，由于不同组织的介电常数 不同。因而它们对微波的吸收剂量也不同，测量其透射或反射出 的微波信号就可以进行重构成像，属于一种功能与结构结合的成 像技术。目前这两种成像技术还处于研究阶段。 微波热声成像的特点和优势： 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，所以利用微波作为 成像工具拥有较好的图像对比度，特别是在含水量和代谢差异较 为显著的正常与癌变组织之间。但是，单纯的微波成像空间分辨 率较低( 微波的波长较长) ，交叉耦合干扰也难以克服，且系统对 微波接收天线( 阵列) 的设计要求极高。 微波热声成像系统可看作是微波激励的超声成像，它既具有 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 1 3 第四军医大学博士学位论文 区分) ，又结合了超声成像价格低廉、分辨率较高等优势，利用超 声探头和定制的微波源，很容易做到小型便携化和低成本化。微 波热声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、声波传导规律阻及微波 吸收剂量等) 。所以微波热声成像将成为一种新型的高质量无损医 学成像技术。 系统小型便携化和低成本化，对超声成像中组织区分能力的 改进，以及对生物组织不具有电离损害，成像分辨率高，携带了 结构和功能信息，这些都使微波热声成像系统具有了广阔的应用 前景。 2 扩展微波在医学领域内应用的范围 目前微波在医学领域内主要用于微波热疗、微波灭活和微波 成像等方面。微波热疗是利用微波对生物组织的加热特性，完成 对某些疾病的加热理疗。微波灭活同样利用了微波加热效应，完 成对病变组织的灭活，如肿瘤灭活等。微波成像主要是利用不同 组织吸收、透射和反射的微波剂量不同，使用微波天线检出这些 透射或反射的微波，采用一定的重构算法来成像。 微波热声成像则开创了微波在医学成像领域的一片新天地。 通过对该成像方式原理、成像硬件系统和重构算法的研究，不仅 可以构成一种具有可能广阔市场前景的新型医学成像系统，而且 可以利用微波对生物组织的生物、物理效应方面得到的有益经验， 应用于声波生物效应、在组织内的传播以及生物物理方面，对超 声成像新方式的研究将具有一定的借鉴和实际意义。 微波热声成像技术的应用前景 1 微波热声效应机理的深入研究 通过对微波热声成像的研究，可以定量分析微波对生物组织 1 4 第四军医大学博士学位论文 的作用，进一步揭示微波热声效应的机理。微波热声效应的机理 的详细研究反过来对成像研究具有指导意义。 2 功能成像 微波热声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。 3 癌肿瘤早期预报 由于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。 本论文主要研究工作和成果： 通过文献检索，查阅了大量国内外有关文献，详细研究了国 内外关于微波热声断层成像技术研究工作和进展：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： 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；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 15 第四军医大学博士学位论文 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。 1 6 第四军医大学博士学位论文 文献回顾 微波热声效应广义上属于光声效应。光声效应最早在1 8 8 0 年 由a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 发现“。，当时b e l l 向美国科学进展学会 报告了有关他的光电话机的工作，实际当时他的光电话机实现的 是光一电( 电阻) 一声这一调制过程。这之后他又发现固体物质在 快速调制的太阳光下可以产生能听见的声信号，后来他发现液体 和气体也有此效应。1 9 3 8 年，在列宁格勒国家光学研究所工作的 m l - v i e n g e r o v 重新研究了这一效应“1 。这一效应描述了经幅度调 制的光对物质的作用，物质吸收光能而被激发，并通过非辐射跃 迁把这种能量转换为热能而引起局部迅速膨胀和压力增大。强度 随时间变化的光辐射引起的热膨胀能产生声波，物质对光的吸收 能力反映在声波或声信号的强度上。所以通过接收声信号可以反 映出该物质的光学特征一光谱特征。v i e n g e r o v 就是利用了调制热 辐射源和共振光声池研制成了世界上第1 台光声光谱装置，成功 地测量了混合气体各成分的浓度。从此，光声效应得到广泛研究， 并主要应用在气体、液体和固体的光谱分析上”1 1 。 关于不同生物组织与包括从可见光到微波段的电磁辐射有 明显不同的相互作用，已有多篇文献报道“1 “。这方面的离体实 验已经对相互作用做了较好的定量研究，但要在活体中研究一小 块组织的这种作用，则困难重重。因此，利用这些能量段的相互 作用来对生物进行活体成像并没有发展起来。对于属于高能量区 域的x 线，由于其众所周知的穿透力，差不多在它刚被发现不久就 被应用于医学临床的成像。对于可见光和近红外段的电磁波，由 于其易在组织内被散射和吸收，因此不能深入到人体内部，成像 1 7 第四军医大学博士学位论文 范围被限制在几厘米以内。对于远红外段和射频段的电磁波，虽 然能深入到人体内部，但由于其波长较长，而分辨本领约为波长 的1 2 ，如典型的远红外波的波长为l c m ，则分辨率不可能好于 0 5 c m ( 在核磁共振中，由于采用了梯度磁场进行空间频率和相位 编码，所以不受此限制) 。另一方面，超声波在人体内传播的波长 则一般在毫米的量级，如常用的3 删z 超声波，其波长就为0 5 m m 。 因此可以利用光声效应把生物组织的电磁作用存在差异这一特点 与超声波的传播特性结合起来，这就是光声生物成像。光声成像 的另一优点是，超声波波速与频率无关，即没有色散的问题。习 惯上如果电磁辐射为可见光或近红外光，则被称作光声效应，而 如果在远红外或微波波段则被称为热声效应。 二十世纪八十年代，有几个研究小组利用微波热声效应对生 物组织进行了成像研究“”2 ，但受限于当时的技术条件，这些早 期的工作没有产生断层成像或较高分辨率的图像。此后，这方面 的研究工作一度陷入低潮。 1 9 9 5 年，r o b e r ta k r u g e r 等人发表了一篇关于光声超声断 层成像重构算法的论文“，研究工作重新开展起来。这时，主要 有两个研究小组在做微波热声成像方面的研究：i n d i a n a u n i v e r s i t ys c h o o lo fm e d i c i n e 的r o b e r ta k r u g e r 、k e n y o n k k o p e c k y 和a l e xm a i s e n 等人以及t e x a sa mu n i v e r s i t y 的 g e n gg u 、m i n g h u ax u 和l i h o n gv w a n g 等人。 1 9 9 9 年，r o b e r ta k r u g e r 等人首次提出了“热声计算机断 层成像”的概念( t h e r m o a c o u s ti cc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，t a c t ) l 3 t l j ，并研制了一套成像设备，如图o 1 所示。该研究小组使用这套 设备对猪肾脏进行了成像研究。研究中使用的微波频率为4 3 4 m h z ， 功率为2 5 k w ，脉宽调制，脉宽为0 5 u s ，重复频率为4 k h z ，这样可 以提供5 0 w 的平均功率。6 4 个超声传感器组成一个阵列，安装在一 个半球型不锈钢容器内。一个直径1 5 0 m m 的猪肾脏被安置在容器 1 r 第四军医大学博士学位论文 内。成像结果显示：肾表质和肾髓质图像有明显不同，内部的脂 肪成象为明亮的。 l m a o i n gd 型i 篮： 艿7 专彳e 咀 一了一 。且 争| | 丌_ 口 丌 i r f n 脯 酉 m 弋k-_ | w l ”l m i