1.1.1.1 X 射线 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)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)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)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)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。
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。目前,美国德克萨斯 A&M 大学的 Lihong V. Wang 领导的研究小组在该领域处于较为领先的地位,该小组于 2001 年将合成孔径法引入到微波热声成像领域,在该方法中不同位置探测得到的热声信号通过采用延迟叠加算法重建得到样品对微波的吸收图像[6]。而后于 2002 年先后给出了平面域[7]、柱面域[8]的精确频域重建法、球面域的时域重建法[9],于 2003 年又进一步分析了各种空间域内的时域重建法[10],并进一步通过仿真结果证实了算法的性能,以上的算法也成为了热声成像领域的经典算法。2005 年提出半时间图像重建(Half-Time ImageReconstruction)算法,该方法可以减小图像畸变,降低由样品的声非均匀特性产生的伪迹的影响[11]。2007 至 2008 年,在热声层析领域应用了自适应鲁棒技术(Adaptive and Robust Techniques—ART),通过包容一些不确定性因素来缓解热声成像中的幅度和相位失真的问题,并通过仿真和实验证实了 ART 的这一特性[12-14]。2013 年该小组针对颅脑热声层析提出了两种不同方法[15],即基尔霍夫偏移(Kirchhoff migration—KM)和逆时偏移(Reverse-time Migration—RTM),且相较而言 RTM 可以降噪并提高图像质量。
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 , ,i r tP P P 依次为入射声波、反射声波和透射声波的声压瞬时值; , ,i r tv v v 依次为界面的质点在入射、反射和透射方向的速度瞬时值。
式(2-7)和式(2-8)分别为正向投射的声压强反射率和透射率,2 1R Z Z是两介质界面的特征阻抗比。
超声强度 I 可以表示为2PI C,为介质的平均密度,C 为声波在空气或液体中的传播速度。由Z=pC可以证明,在两介质界面超声强度 I 的反射率Ir 和透射率It 分别是[63]:
近年来在医学成像领域,许多专家学者将研究的重点放在了新型成像方法的探索上,而微波热声成像就是其中的一种。传统的医学成像方法都具有各自的局限性,比如说 X 射线成像技术有电离辐射,不适合频繁使用或一次性大量照射,核磁共振成像方法费用较高、速度慢,而且对于装有心脏起搏器或植入有铁磁性物质的患者不能使用,超声成像对于声阻抗差异不大的组织成像效果不佳,且不适合对胃肠道、骨骼等进行成像,而放射性核素成像分辨率又较低,且费用也较高,限制了其广泛应用。而相对与这些传统的成像方法来说,微波热声成像结合了微波的高对比度和超声的高分辨率,且具有深层成像能力,因而在乳腺癌早期检测、脑血管成像等方面有着较大的应用前景。
本文主要针对微波热声成像的系统搭建、图像重建算法和实验进行了研究,主要工作内容和成果如下:
a) 从三个方面对微波热声成像的过程进行了论述,即电磁波在组织样品中的传播、超声波在组织中的传输与衰减以及热声信号产生的具体过程。
b) 先后介绍了延迟叠加算法、时间反转算法和有限元图像重建算法的理论和实现方法,并通过对同组实验数据进行图像重建来比较这三种算法的成像结果,分析了三种算法各自的优势和局限性,在定性试验中延迟叠加算法更为简便、快捷、实用,而三种算法中有限元法能够实现定量的图像重建。
c) 基于具有较强的并行性和鲁棒性的遗传算法提出了一种新型的图像重建法,给出了其实现的具体过程,并通过仿真分析证明了该算法的性能。