光聲成像中的微型壓電超聲傳感特性與圖像重建算法研究.pdf

1、光聲成像（PAI）是一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的高分辨率，適用于乳腺癌成像、腦功能成像和血氧含量檢測等。為了滿足臨床上對組織和器官不同的成像要求，迄今光聲成像已經(jīng)發(fā)展形成了三種成像模態(tài)：光聲斷層掃描成像（PAT）、光聲顯微成像（PAM）和光聲內(nèi)窺鏡成像（PAE）。
　　超聲傳感器和圖像重建算法是光聲成像系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵部分。一方面，對于超聲傳感器，盡管現(xiàn)有的光聲成像系統(tǒng)通常采用的是基于壓電傳感的

2、超聲傳感器，且可以很好地用于光聲斷層掃描成像系統(tǒng)中去；然而，對于光聲顯微成像，其所采用的激光和超聲傳感器均需要通過聚焦實(shí)現(xiàn)微米甚至納米級的橫向分辨率，以此獲得100MHz左右的超聲波頻率，這對于傳統(tǒng)的壓電式超聲傳感器其制造成本將會很高；同時(shí)，對于光聲內(nèi)窺鏡成像，為了在臨床應(yīng)用中縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)地成像，則必須在內(nèi)窺鏡探頭中集成多傳感器的陣列，而這在結(jié)構(gòu)上是傳統(tǒng)的超聲傳感器較難實(shí)現(xiàn)的。另一方面，對于光聲成像的圖像重建算法，雖然經(jīng)過十

3、多年的發(fā)展，已經(jīng)有多種圖像重建算法相繼被報(bào)道，但這些算法大多還是建立在成像組織內(nèi)聲速均勻的理想條件下，實(shí)際情況中不同組織的聲速均存在較大的差異；此外，這些算法設(shè)定的掃描方式大多局限于某一種特定的模式，在實(shí)際中較難靈活應(yīng)用和推廣。綜上所述，本論文針對光聲成像中的幾個(gè)科學(xué)問題和技術(shù)難題，重點(diǎn)圍繞超聲傳感器和圖像重建算法這兩種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入地探討和研究，主要工作及貢獻(xiàn)如下：
　　1、基于有限元分析軟件COMSOL，搭建了一套用于微型

4、壓電超聲傳感性能分析的計(jì)算機(jī)建模與仿真平臺。首先，分別建立了平面形、凸形和凹形三種結(jié)構(gòu)的微型壓電超聲傳感器數(shù)值模型，通過有限元仿真求解，對各自傳感性能進(jìn)行了系統(tǒng)地對比分析；其次，開展了傳感器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的建模和仿真分析，獲得了與之密切相關(guān)的傳感特性曲線；在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化和設(shè)計(jì)了一種基于微型壓電超聲傳感器的光聲/超聲雙模內(nèi)窺鏡。該項(xiàng)研究及初步結(jié)果可為后續(xù)微型壓電超聲傳感器的設(shè)計(jì)和試制提供必要的理論參考。
　　2、提出了一種基于時(shí)域有

5、限差分的時(shí)間反演光聲圖像重建新方法，即利用時(shí)間反演法的聚焦特性重建聲源的三維分布，同時(shí)建立起了相應(yīng)的數(shù)理模型和開展了相應(yīng)的算法測試。初步仿體實(shí)驗(yàn)和動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法實(shí)現(xiàn)了任意掃描成像模式，不僅突破了現(xiàn)有方法的固定掃描模式局限，而且還可用于聲速均勻和非均勻介質(zhì)的圖像重建，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)成像算法在介質(zhì)特性方面的理想假設(shè)與實(shí)際情況不服的不足。
　　3、探討和研究了光聲信號預(yù)處理及圖像后處理方法以提高圖像重建效果。即選擇了兩種不同

6、的低通濾波器和小波變換等三種方法分別用于去除光聲信號中的高頻噪聲，設(shè)計(jì)和開發(fā)了相應(yīng)算法，初步測試結(jié)果顯示小波變換的高頻去噪性能優(yōu)于另外兩種方法。同時(shí)，初步探討了用于圖像后處理的奇異值分解法和二維傅里葉變換法，算法測試結(jié)果表明，這兩種方法在一定程度上均可用于消除圖像的偽影，進(jìn)一步提高圖像重建的質(zhì)量。
　　4、最后，初步地探討了將光聲成像技術(shù)用于心臟射頻消融過程中的生物組織消融程度的評估，驗(yàn)證本文提出和建立的圖像重建新方法的可行性。即

7、搭建了一套光聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在動物心臟上初步開展了正常心臟組織和消融組織的光聲成像對比實(shí)驗(yàn)。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，已消融心肌的光聲信號強(qiáng)度明顯高于正常心肌的光聲信號（約3-4倍）；重建的光聲圖像清晰的顯示出消融組織與未消融的心肌的邊界。上述結(jié)果亦顯示光聲成像作為一種新的成像技術(shù)，在心臟射頻消融手術(shù)中，具有一定的組織區(qū)分和檢測能力，或可用于評估組織的損傷范圍。
　　本文的研究工作分別從數(shù)值建模、算法設(shè)計(jì)、生物組織實(shí)驗(yàn)等層面，對光聲成像