脉冲微波辐射场空间分布的热声成像研究

微波热声成像技术具有非侵入式、高对比度、高分辨率和低成本等优点而日益受到重视, 基于以上特点该技术有望发展成为早期乳腺癌常规或者辅助筛查手段. 本文基于脉冲微波热声成像系统, 利用软件仿真和对装有饱和盐水的塑料管阵列进行三维热声成像, 对脉冲微波辐射场的空间分布进行了理论和实验研究, 其中: 塑料管阵列为直径3 mm, 间隔8 mm的9×9方形结构. 仿真和实验结果表明距离天线越远脉冲能量覆盖范围越大, 能被有效成像的塑料管数目越多; 塑料管阵列的热声成像结果为3.1 mm直径, 7.7 mm间距. 本文验证了微波热声成像技术对脉冲微波辐射场空间分布的成像能力, 对解决定量热声成像技术中微波场能量分布不均匀问题的研究具有重要意义.     

乳腺癌检测的三维微波热声成像技术

提出了三维微波热声成像技术检测早期乳腺肿瘤,成像同时具有高对比度和高分辨率的特点.该技术利用自适应的鲁棒Capon波束成形(RCB)算法进行信号处理和图像重建.基于电磁学和声学时域有限差分(FDTD)法,进行微波热声成像仿真,算例结果证实了该技术用于诊断早期乳腺肿瘤的可行性. 关键词： 乳腺癌检测 微波热声成像 鲁棒的Capon波束成形 时域有限差分     

超宽带微波检测早期乳腺肿瘤三维仿真

超宽带微波成像技术可作为有效的方法用于乳房早期乳腺肿瘤的检测. 该方法基于乳房组织和肿瘤之间较大的电学特性差异的特点进行成像, 能提供足够的分辨率以及足够的穿透深度. 本文采用时域有限差分方法建立超宽带微波信号在三维乳房组织中传播的模型, 并采用单极德拜模型完成了生物组织色散特性的模拟. 利用8发9收的天线阵列实现微波肿瘤探测, 利用共焦成像算法对乳房组织进行图像重构并进行肿瘤定位. 仿真结果显示共焦成像算法能够实现最小直径3 mm的肿瘤的检测, 同时证实了超宽带微波成像技术应用于早期乳腺肿瘤检测的有效性. 关键词： 微波成像 肿瘤检测 时域有限差分 共焦成像算法     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。      

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。     

基于镂空阵列探头的反射式光声/热声双模态组织成像

光声和热声成像技术除激发源不同外,可共用一套数据采集和处理系统,具有天然的融合优势.本文提出了一种基于镂空阵列的反射式光声/热声双模态成像技术,该技术利用光纤与天线,通过镂空阵列的开孔进行光声/热声信号激发,使得激发光、微波和接收超声信号共轴,构成明场光声/热声双模态成像模式.通过对探头镂空部分晶元相位和幅值的补偿校准,成功实现了3 mm直径塑料管、人体手臂、手背和脚背的双模态成像.实验结果表明:系统空间分辨率为0.33 mm,双模态成像技术可同时提供组织的光学和微波吸收分布,有助于肿瘤、糖尿病足等疾病的精准检测,具有极广泛的临床应用前景.     

基于柱弥散光源体内辐照的前列腺扫描光声成像仿体实验

光声成像技术是一种非常有前景的前列腺早期检测与成像的新技术. 在现有前列腺光声成像技术中, 通常采用的腺体外光源辐照方式由于受外围组织的影响, 容易减弱深部前列腺组织的光能量吸收, 导致辐照范围减小, 引起光声成像深度不足, 难以实现无损前列腺癌的检测. 本文基于前列腺组织的结构特征, 依据一种以柱状弥散光纤在尿道对前列腺实施光辐照、并利用外置于直肠内的长焦区聚焦式超声换能器检测光声信号的前列腺光声扫描成像技术, 构建了光声成像实验系统, 开展了仿体实验. 测试结果表明, 系统能够实现样品中吸收体的定位和成像, 结合柱弥散光源体内辐照可使成像深度提高, 同时侧向成像范围也较大. 初步结果表明, 借助柱弥散光源进行体内光辐照的光声信号新激发方式结合长焦区超声探头在前列腺癌早期无创诊断上具有潜在的应用前景.     

早期乳腺肿瘤的超宽带微波稳健波束形成成像检测系统

提出了一种基于自主设计小型超宽带天线的微波稳健波束形成(RCB)成像肿瘤检测系统.仿真结果表明,该检测系统对肿瘤反射信号有很高的敏感度.在简单平面模型和核磁共振成像图(MRI)导出模型中进行仿真检测实验,并将天线阵列接收信号用RCB算法进行成像处理.从乳房重构图像中能够得到正确的肿瘤位置及大小信息,实现了平面模型中最小直径3 mm和MRI导出模型中最小直径4 mm的肿瘤检测,证实了该检测系统用于早期乳腺肿瘤检测的可行性.     

利用近红外光激发的光声血管造影成像

利用近红外光结合对应波长的光吸收增强对照剂来实现在体小鼠脑皮层血管的光声成像.近红外光在生物组织上有较深的穿透能力;而作为光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后则增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度.实验在不破坏脑头皮和头盖骨的前提下,通过静脉注射吲哚菁绿,获得小鼠脑皮层血管的光声造影成像.光声重建的血管网络与小鼠脑部解剖照片相当符合.实验结果证明近红外光结合光吸收增强剂的光声血管造影技术对于开展光声脑功能成像,光声分子成像提供了潜在的可行性. 关键词： 光声成像 光吸收增强剂 血管造影 光声信号     

Photorefractive detection of tissue optical and mechanical properties by ultrasound modulated optical tomography

Ultrasound-modulated optical tomography is a developing hybrid imaging modality that combines high optical contrast and good ultrasonic resolution for imaging soft biological tissue. We developed a photorefractive-crystal-based, time-resolved detection scheme with the use of a millisecond long ultrasound burst to image both the optical and the mechanical properties of biological tissues, with improved detection efficiency of ultrasound-tagged photons.     

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

Intense acoustic bursts as a signal-enhancement mechanism in ultrasound-modulated optical tomography

Biophotonic imaging with ultrasound-modulated optical tomography (UOT) promises ultrasonically resolved imaging in biological tissues. A key challenge in this imaging technique is a low signal-to-noise ratio (SNR). We show significant UOT signal enhancement by using intense time-gated acoustic bursts. A CCD camera captured the speckle pattern from a laser-illuminated tissue phantom. Differences in speckle contrast were observed when ultrasonic bursts were applied, compared with when no ultrasound was applied. When CCD triggering was synchronized with burst initiation, acoustic-radiation-force-induced displacements were detected. To avoid mechanical contrast in UOT images, the CCD camera acquisition was delayed several milliseconds until transient effects of acoustic radiation force attenuated to a satisfactory level. The SNR of our system was sufficiently high to provide an image pixel per acoustic burst without signal averaging. Because of the substantially improved SNR, the use of intense acoustic bursts is a promising signal enhancement strategy for UOT.     

一种基于非衍射波的高帧率超声成像发射系统的研究

基于非衍射波的高帧率(high frame rate,HFR)超声成像的前提是发射阵列波(array beam)声场,但由于阵列波的正弦函数特征使对超声发射信号加权处理变得比较困难,导致了发射系统复杂.针对这一问题,本文提出一种有效的解决方案.基于傅里叶变换理论,从方波的能量成分主要集中在基波这一特性出发,采用单值方波对超声传感器发射信号进行加权,用一个功率信号源和简单的电子开关网络实现了HFR系统中所需要的发射电路.实验表明,这种方案对HFR的成像质量几乎没有什么影响,但大大简化了HFR成像系统,这为HFR超声成像方法在现有B超声系统上的实现提供了一个可行的方法.     

Contrast-enhanced microwave imaging of breast tumors: a computational study using 3-D realistic numerical phantoms

The detection of early-stage tumors in the breast by microwave imaging is challenged by both the moderate endogenous dielectric contrast between healthy and malignant glandular tissues and the spatial resolution available from illumination at microwave frequencies. The high endogenous dielectric contrast between adipose and fibroglandular tissue structures increases the difficulty of tumor detection due to the high dynamic range of the contrast function to be imaged and the low level of signal scattered from a tumor relative to the clutter scattered by normal tissue structures. Microwave inverse scattering techniques, used to estimate the complete spatial profile of the dielectric properties within the breast, have the potential to reconstruct both normal and cancerous tissue structures. However, the ill-posedness of the associated inverse problem often limits the frequency of microwave illumination to the UHF band within which early-stage cancers have sub-wavelength dimensions. In this computational study, we examine the reconstruction of small, compact tumors in three-dimensional numerical breast phantoms by a multiple-frequency inverse scattering solution. Computer models are also employed to investigate the use of exogenous contrast agents for enhancing tumor detection. Simulated array measurements are acquired before and after the introduction of the assumed contrast effects for two specific agents currently under consideration for breast imaging: microbubbles and carbon nanotubes. Differential images of the applied contrast demonstrate the potential of the approach for detecting the preferential uptake of contrast agents by malignant tissues.     

Influence of the organism interface on the breast cancer detection by UWB

Ultra-wide band (UWB) imaging technique is very attractive for the early breast cancer detection based on the obvious contrast in the electrical properties of malignant tumor to the normal fatty breast tissue. The tumor can be detected by analyzing the reflecting and scattering behavior of the UWB microwaves propagating in the breast. In this study, the influence of the organism interfaces is investigated from different cases of breast configuration involving different gland shapes as well as the tumor locations. Results show that the gland structure and tumor status have large influences on the reconstructed images generated from the detected signals due to the interface varieties. The tumor information in the proposed configurations can be obtained by series signal processing including eliminating the early time response of the detected signals caused by the direct wave and the reflection from the interface between the skin and the breast fat, and compensating the path loss of the propagating signal due to the radial spreading and the attenuation in the lossy breast. The location and the number of emitters and detectors affect the quality of the reconstructed image.