光声技术在生物医学成像中的应用基础研究

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1、天津大学博士学位论文光声技术在生物医学成像中的应用基础研究姓名：卢涛申请学位级别：博士专业：物理电子学指导教师：王瑞康20070601中文摘要光声成像(PhotoacousticTomography／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问分布，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

2、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(PointSpreadFunction／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

3、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．研究了探头的空问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

4、消除这一因素的影响。关键词：生物光学，光声成像，超声波，超声传感器，空问分辨率，信号处理ABSTRACTInphotoacoustictomography(PAT)，ashort-pulsedlaserisusedtoirradiatebiologicaltissuesamplestOgenerateacousticwave．Photoacousticimagereconstructedfromthephotoacoustic(PA)signalrevealsthespatialopticalabsorptiondistributionatacertainwaveleng

5、thandhastheadvantageofbothhighimagingresolutionandcontrast．Inthisdissertation，theopticalandacousticpropertiesofbiologicaltissueisfirstlysummarized．Then，severalfactorsthatinfluencesthespatialresolutionisresearchedbynumericalsimulation．Therelationshipbetweenthetransducerfrequencyresponseand

6、imagingcontrastisresearchedbothbynumericalsimulationandexperiment．Thecorrespondingsignalprocessingmethodisalsoproposed．Aphotoacousticimagingsystembasedonthelinearacoustictransducerarrayisdevelopedandtheimagingspeedhadbeenimproved．Aphotoacousticimagingsystembasedonunfocusedneedleacoustictr

7、ansduceriSdevelopedandthephotoacousticimagewithhighcontrastandresolutionofthebloodvesselnetworkinsidemousebrainin—vivoandtheporcineeyeballex—vivoisacquired．ThemaincontentsinthisdissertationiSasfollows：1，TakingthePoint—Spread-Function(PSF)asthecriteria，therelationshi