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光声技术在生物医学成像中的应用基础研究

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第一章绪论

1.1引言

1.2医学成像技术的历史和现状

1.3光声成像的特点

1.4光声成像的研究现状

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.5论文的意义

1.6论文的内容与结构

第二章生物组织的光学和声学特性

2.1激光与生物组织的相互作用

2.1.1组织光学基本参数

2.1.2光与组织的热相互作用

2.2超声波与生物组织的相互作用

2.2.1常用声学参量的定义

2.2.2波动方程

2.2.3声波在介质中的衰减

2.2.4生物组织的声学特性

2.3本章小结

第三章光声信号的产生与图像重建

3.1光声信号的产生

3.2光声图像的重建

3.2.1时域延迟叠加算法

3.2.2基于Radon变换的滤波反投影算法

3.2.3基于解析解的时域后向投影算法

3.2.4基于Fourier变换的后向投影算法

3.3本章小结

第四章光声成像的空间分辨率与信号处理

4.1点扩展函数

4.2光声信号的数值模拟方法

4.3信号滤波函数

4.4数值模拟成像

4.5滤波器带宽对成像空间分辨率的影响

4.6探测器探测面孔径大小对成像空间分辨率的影响

4.7探测器的频率响应

4.8基于小波变换的信号处理

4.8.1小波基

4.8.2光声信号的小波消噪

4.9基于维纳滤波的点源逆卷积

4.10本章小结

第五章基于阵列探测方式的光声成像系统

5.1 B超的基本结构原理

5.2电子聚焦

5.3光声信号的相控聚焦接收原理

5.4基于线性扫描采集的光声成像系统

5.5实验结果与分析

5.6本章小结

第六章生物组织光声成像的实验研究

6.1模拟组织样品的成像

6.1.1模拟生物软组织样品成像

6.1.2激光能量密度对成像的影响

6.1.3探头空间位置对成像的影响

6.1.4模拟微血管网络样品成像

6.1.5模拟样品成像小结

6.2光声脑成像

6.2.1目前脑成像技术

6.2.2离体白鼠的脑成像

6.2.3活体白鼠的脑成像

6.2.4 讨论

6.2.5脑成像小结

6.3光声眼睛成像

6.3.1眼睛的结构与目前眼科成像技术

6.3.2眼睛的光声成像

6.3.3讨论

6.4本章小结

第七章总结与展望

参考文献

博士期间发表的论文

致 谢

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摘要

光声成像(Photoacoustic Tomography/PAT)利用短脉冲激光照射生物组织所产生的超声波进行成像,反映生物组织对特定波长激光吸收特性的空间分布,可得到高分辨率和对比度的组织断层图像。本文首先对生物组织的光学和声学特性、光声信号的产生机理以及图像重建算法进行了总结。在此基础上,用数值模拟的方法研究了影响成像空间分辨率的若干因素。用数值模拟与实验相结合的方法研究了超声探头的频率响应特性对光声图像对比度的影响并提出了相应的信号处理方法。完成了基于线性阵列超声探头的光声成像系统,提高了光声成像的速度。完成了基于非聚焦针状超声探头的光声成像系统,得到了活体白鼠脑皮层血管和离体动物眼球的高对比度光声图像。主要内容包括: 1.以点扩展函数(Point Spread Function/PSF)为依据,用数值模拟的方法计算了滤波器上限截止频率与带宽、探头探测面孔径大小以及探头的探测距离与光声成像空间分辨率的关系。结果表明:点扩展函数的半峰全宽(FWHM)随着滤波器带宽和上限截止频率的增加呈指数的关系减小;在相同的探头扫描半径情况下,点扩展函数的扩散范围随着探头有效探测面直径的增加而线性地扩大;在相同的探测面直径下,点扩展函数的扩散程度随着探头的扫描半径的减小而增加。模拟计算的结果为实验中成像空间分辨率的提高提供了理论依据。 2.提出了基于维纳滤波的点源逆卷积的信号处理方法,避免了逆卷积过程中对宽带光声信号进行带通滤波时对滤波器带宽和截止频率的人为限制,宽带光声信号的幅频特性得到了很好地恢复,显著提高了光声图像的对比度。 3.在国内率先对光声技术在眼科成像中的应用进行了试探性的研究,得到了高对比度的离体猪眼睛整体生理结构的光声图像。 4.研究了探头的空间扫描位置对成像质量的影响,发现了图像中像素点空间位置坐标的累积误差是造成图像边缘变形的重要因素,可以通过适当增大探头的扫描半径来消除这一因素的影响。

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