本文選題：熱聲成像　切入點：高分辨率和定量　出處：《電子科技大學》2015年博士論文

【摘要】：微波熱聲成像技術能對生物組織介電特性分布進行高分辨率,高對比度成像,是一種具有廣泛應用潛力和良好發(fā)展前景的新型無損醫(yī)學影像方法。該技術以非電離輻射脈沖微波輻照生物組織,通過生物組織焦耳損耗和極化損耗吸收微波能量并引起熱致伸縮產生超聲波,以熱致超聲波作為信息載體反應受輻照部位對微波的吸收特性;因此,該技術不僅具有微波成像的高對比度特征,還具備超聲成像的高分辨率能力。根據不同生理和病理狀態(tài)組織的微波吸收差異特性,熱聲成像技術能夠實現高分辨率、高對比度、非侵入式的無損醫(yī)學檢測。一方面乳腺癌腫瘤惡性增殖,導致乳腺癌組織水含量及粒子濃度比正常乳房組織高出許多,進而使得兩者微波吸收差異較大(可以高達10:1),利于高對比度熱聲成像;另一方面,微波波長較長可輕易穿透整個乳房,具有較大熱聲成像深度;所以微波熱聲成像技術適合開展乳腺癌檢測應用研究。同時,基于微波成像技術在手指關節(jié)以及多種腦血管和腫瘤疾病檢測方面的研究進展,表明該類疾病也具有高微波熱聲響應特性,適宜開展微波熱聲成像檢測技術的應用研究。基于以上分析,本論文以微波熱聲成像技術的乳腺癌檢測為主要研究對象,從微波熱聲成像基本理論出發(fā),重點介紹了定量微波熱聲成像重建算法;設計并搭建了微波熱聲層析成像和基于超短脈沖激勵的高分辨率熱聲成像兩套實驗系統(tǒng),構建了可用于MRI、光聲和熱聲三模態(tài)成像的技術平臺;開展了乳腺癌臨床前(仿體、人體乳腺癌離體切片、乳腺癌動物模型)定量微波熱聲成像實驗研究,三模態(tài)腫瘤活體成像實驗研究,高分辨率熱聲成像以及手指關節(jié)、腦血管病和腦腫瘤疾病的熱聲成像可行性實驗研究。主要內容為:1.設計并搭建了微波熱聲層析成像和基于超短脈沖的高分辨率熱聲成像兩套系統(tǒng);提出并構建了融合MRI,光聲和熱聲成像的三模態(tài)腫瘤成像檢測平臺;2.提出了一種能模擬真實乳腺癌和腦組織介電特性分布的仿體制作方法,并利用理論擬合和實驗測試對該方法模擬組織介電特性分布的準確性進行了驗證;同時,利用仿體,人體乳腺癌離體切片和乳腺癌動物模型活體實驗,首次對微波熱聲成像技術定量檢測乳腺癌的可行性進行了驗證;3.設計并制作了可與MRI進行融合的多模態(tài)成像老鼠支架系統(tǒng),成功實現了對腫瘤動物模型的三模態(tài)成像和圖像融合,實驗結果表明:同時將腫瘤MRI揭示的局部形態(tài)學信息與腫瘤對光和微波吸收的功能性信息整合到一張圖像上,更有利于對腫瘤的精確診斷;4.設計并搭建了基于傳動軸帶動超聲探測器旋轉的超短脈沖高分辨率熱聲成像數據采集模塊,以及避免超短脈沖功率源干擾數據采集和控制模塊電子學設備的電磁屏蔽系統(tǒng)。通過高頻熱聲信號產生和成像實驗對搭建的超短脈沖高分辨率熱聲成像系統(tǒng)性能進行了初步探索和驗證;5.構建了用于手指關節(jié)成像的熱聲成像系統(tǒng),通過將志愿者手指熱聲成像與MRI成像結果對比,驗證了手指關節(jié)熱聲成像的可行性,開辟了熱聲手指成像研究新領域;同時,首次利用真實人頭蓋骨,對熱聲成像技術用于腦血管和腫瘤疾病成像檢測的應用潛力進行了評估,通過腦出血,腦腫瘤仿體模型,以及分辨率實驗驗證了開展高分辨率熱聲腦成像研究的可行性,為開展多種腦疾病的診療和防治研究提供了一種新的技術手段。通過本文開展的實驗和理論研究,充分驗證了乳腺癌定量微波熱聲成像的臨床可行性,為其臨床實驗開展及推廣奠定了堅實的基礎。針對早期乳腺癌檢測對成像技術的高需求,本文提出融合MRI,光聲和熱聲的三模態(tài)成像技術來提高乳腺癌熱聲成像檢測靈敏度和特異性;同時提出基于超短脈沖激勵的高分辨率熱聲成像技術來提升乳腺癌熱聲成像分辨率和能量轉換效率,更具臨床實用價值。鑒于微波熱聲成像技術的優(yōu)勢,本文對其在手指關節(jié)和腦疾病方面的應用潛力進行了探索,驗證了開展手指關節(jié)和腦疾病熱聲成像研究的可行性,開辟了熱聲成像應用研究的嶄新領域。
[Abstract]:Microwave thermal acoustic imaging of biological tissue dielectric properties of the distribution of high resolution, high contrast imaging, is a new nondestructive medical imaging method has wide application potential and good prospects for development. The technology uses non ionizing radiation pulse microwave irradiation of biological tissue, absorb microwave energy and cause thermal expansion generated by ultrasonic biological tissue Joule loss and polarization loss, the thermal reaction of irradiated ultrasound as an information carrier position on the microwave absorption properties; therefore, the microwave imaging technology not only has high contrast features, also has high resolution ability by ultrasound imaging. According to the different physiological and pathological state of microwave tissue absorption difference characteristic, thermoacoustic imaging technique can achieve high resolution, high contrast, non-invasive medical examination and nondestructive. On the one hand breast tumor malignant proliferation of breast cancer, resulting in water The content and the particle concentration is much higher than in normal breast tissue, which makes both the microwave absorption differences (up to 10:1), the high contrast of thermoacoustic imaging; on the other hand, the microwave wavelength longer can easily penetrate the entire breast, with large thermal acoustic imaging depth; so the microwave thermal acoustic imaging technology is suitable to carry out applied research the detection of breast cancer. At the same time, the research progress of microwave imaging technique in the detection of multiple finger joints and cerebral vascular disease and cancer based on the show that this kind of disease has high microwave thermoacoustic response characteristics, application of suitable for microwave thermoacoustic imaging detection technology. Based on the above analysis, this paper takes microwave thermoacoustic imaging technology breast cancer detection is the main research object, starting from the basic theory of microwave thermoacoustic imaging, emphatically introduces the quantitative microwave thermoacoustic imaging reconstruction algorithm; design and built a microwave thermoacoustic Tomography based on ultrashort pulse excitation and high resolution thermal acoustic imaging of two sets of experimental system was built for MRI, technology platform and thermoacoustic photoacoustic imaging mode three; to carry out clinical breast cancer before (phantom, human breast cancer in vitro slices, animal models of breast cancer) the study of microwave heat study on modal acoustic imaging, three tumor imaging experiments, high resolution thermal acoustic imaging and finger joint, experimental study on thermoacoustic imaging feasibility of cerebrovascular disease and brain tumor diseases. The main contents are as follows: 1. to design and build the thermoacoustic tomography and high resolution thermal acoustic imaging system two set based on ultrashort pulses is proposed; and the construction of the integration of MRI, the three mode of tumor imaging detection platform for photoacoustic and thermal acoustic imaging; the 2. presents a can simulate real breast cancer and brain tissue dielectric properties of the distribution of phantom production methods, and using the theory of fitting and The experimental tests were carried out to verify the simulation accuracy of the dielectric properties of tissue distribution; at the same time, the use of imitation, human breast cancer in vitro slices and animal models of breast cancer in vivo, for the first time on quantitative microwave induced thermo acoustic imaging for detection of breast cancer, the feasibility was verified; 3. designed and made multimodalimaging mouse support system integration with MRI, the successful implementation of the three mode imaging and image fusion on tumor animal model, the experimental results show that while the local morphological information and tumor MRI reveals the functional information of light absorption and microwave integrated into an image, more conducive to the accurate diagnosis of tumor; 4. design and set up the drive shaft drives the rotation of the ultrashort pulse ultrasonic detector imaging data acquisition module based on high resolution thermal acoustic ultrashort pulsed power source, and to avoid the interference of data gathering and Electromagnetic shielding system control module electronics equipment. The performance of pulsed high resolution thermal acoustic imaging system to build ultra short was explored and verified by high frequency thermoacoustic signal and imaging experiments; 5. were constructed for thermoacoustic imaging system of finger joint imaging, by comparing volunteers thermoacoustic imaging and MRI finger imaging results, validation the feasibility of finger joint thermoacoustic imaging, has opened up a new field of study on thermoacoustic imaging at the same time, the first use of fingers; real skulls, the thermoacoustic imaging for potential imaging of brain vascular disease and cancer detection were assessed by cerebral hemorrhage, brain tumor phantom model, and the resolution of the experiment to verify the feasibility of high resolution study of thermoacoustic brain imaging development, provides a new technical means for the treatment and prevention of the various brain diseases. Through this exhibition opening Experimental and theoretical study has verified the feasibility of clinical breast cancer quantitative microwave thermoacoustic imaging, which laid a solid foundation for the development and promotion of the clinical trials for early detection of breast cancer. The high demand for imaging technology, this paper presents the integration of MRI, three mode imaging technology of photoacoustic and thermal acoustic heat to improve breast cancer acoustic imaging sensitivity and specificity of the test; at the same time the ultrashort pulse high resolution thermal acoustic imaging technology based on the incentive to improve breast cancer thermoacoustic imaging resolution and energy conversion efficiency, more clinical practical value. In view of the microwave thermoacoustic imaging technology, this paper discusses its application potential in the finger joints and brain diseases the feasibility study of finger joints and brain diseases thermoacoustic imaging, opens up a new field of research on thermoacoustic imaging applications.

【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R737.9;R443

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本文編號：1674601