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微波热声成像技术的研究进展及展望

激光与光电子学进展 2022年第6期59卷 67-89页

作者：张善翔唐晓渝覃欢华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室广东广州510631 广东省激光生命科学重点实验室广东广州510631 广州市光谱分析与功能探针重点实验室广东广州510631 华南师范大学生物光子学研究院广东广州510631

微波热声成像(MTAI)结合微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,是一项新型的无损物理医学成像方法。MTAI利用微波作为激发源,超声作为信息载体,通过微波到超声能量传递形式的变换,实现生物组织无损、厘米深度的高分辨率成像。MTAI... 详细信息

微波热声成像(MTAI)结合微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,是一项新型的无损物理医学成像方法。MTAI利用微波作为激发源,超声作为信息载体,通过微波到超声能量传递形式的变换,实现生物组织无损、厘米深度的高分辨率成像。MTAI对比度取决于微波吸收差异,在生物组织中主要以水分子等极性分子(分子极化损耗)和离子(离子极化损耗)作为信号来源,从而获得生物组织的结构和功能图像,在生物医学成像领域具有独特的优势,得到了众多科研工作者的广泛关注。本综述从MTAI技术的原理、微波辐射组件、数据采集组件和数据处理组件、MTAI技术在生物医学领域的应用以及MTAI探针等方面进行描述,并结合当前MTAI技术面临的挑战对未来的发展方向进行了展望。

关键词：生物技术微波热声成像微波源热声采集热声造影剂

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生物医学微波热声成像

物理学报 2023年第20期72卷 286-297页

作者：王雨张慧敏覃欢华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室广州510631 华南师范大学广东省激光生命科学重点实验室广州510631 华南师范大学广州市光谱分析与功能探针重点实验室广州510631 华南师范大学生物光子学研究院广州510631

微波热声成像是一种以生物组织电特性差异为原理基础的多物理场耦合成像方法.其采用脉冲微波作为激发源,通过热弹性效应产生的超声波呈递深层生物组织的结构与功能信息,融合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点.目前已在无损脑... 详细信息

微波热声成像是一种以生物组织电特性差异为原理基础的多物理场耦合成像方法.其采用脉冲微波作为激发源,通过热弹性效应产生的超声波呈递深层生物组织的结构与功能信息,融合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点.目前已在无损脑结构成像、乳腺肿瘤筛查、人体关节炎成像、肝脂肪含量检测等方面展现出了广阔的医学应用前景,有望成为新的物理医学影像方法.本文对微波热声成像技术的物理原理、系统装置以及近来的代表性研究进展进行了系统性的介绍,并分析探讨了微波热声成像技术值得关注的发展方向以及面临的挑战.

关键词：微波热声成像生物组织电特性微波源脑成像技术

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乳腺癌检测的三维微波热声成像技术

物理学报 2011年第7期60卷 444-450页

作者：刘广东张业荣南京邮电大学电子科学与工程学院南京210003

提出了三维微波热声成像技术检测早期乳腺肿瘤,成像同时具有高对比度和高分辨率的特点.该技术利用自适应的鲁棒Capon波束成形(RCB)算法进行信号处理和图像重建.基于电磁学和声学时域有限差分(FDTD)法,进行微波热声成像仿真,算例结果证... 详细信息

提出了三维微波热声成像技术检测早期乳腺肿瘤,成像同时具有高对比度和高分辨率的特点.该技术利用自适应的鲁棒Capon波束成形(RCB)算法进行信号处理和图像重建.基于电磁学和声学时域有限差分(FDTD)法,进行微波热声成像仿真,算例结果证实了该技术用于诊断早期乳腺肿瘤的可行性.

关键词：乳腺癌检测微波热声成像鲁棒的Capon波束成形时域有限差分

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基于深度学习的微波热声成像重建算法研究

基于深度学习的微波热声成像重建算法研究

作者：徐启文电子科技大学

学位级别：硕士

微波热声成像是一种非侵入式,非电离的生物医学成像技术,在近几年内得到快速发展。它结合了微波成像技术和超声成像技术的优势,提供高对比度、高分辨率和高穿透的成像能力,在乳腺癌、血管成像和脑成像领域均有广泛涉及。在微波热声成像... 详细信息

微波热声成像是一种非侵入式,非电离的生物医学成像技术,在近几年内得到快速发展。它结合了微波成像技术和超声成像技术的优势,提供高对比度、高分辨率和高穿透的成像能力,在乳腺癌、血管成像和脑成像领域均有广泛涉及。在微波热声成像技术中,图像重建算法是极其重要的一环,它直接影响了成像的效率及其结果的质量和可靠性。现有的经典重建算法往往需要在计算效率和重建质量之间进行权衡,并受到硬件设备和数据完整性的影响,产生严重的伪影干扰,得到一些令人不满意的结果。随着深度学习技术的发展,越来越多的领域受到其深刻影响,包括生物医学成像领域。在最近几年中,多种基于深度学习的图像重建方法已被应用于计算层析成像,核磁共振和光声成像等领域。受到这些领域成功应用的启发,本文首次提出将深度学习技术引入到微波热声成像图像重建中。然而,基于深度学习的方法往往需要大量的数据支撑,在微波热声成像中往往很难大量生产和获取这些数据。除此之外,现有的基于深度学习的直接重建算法所使用的模型仍不成熟,存在着训练困难,网络模型表达能力弱,重建质量低,过拟合等问题。本文主要针对深度学习的直接重建算法提出了一套适用于微波热声成像的技术方案,实现了从信号正弦图到初始能量损失密度分布的直接重建,并在仿真和微波热声仿体实验上进行验证。本文的主要包含以下三方面内容:1.对于微波热声成像数据稀缺和实验数据标签无法获取的问题,本文提出了一种基于有限元仿真的数据合成方法,通过仿真合成训练集对深度学习模型进行训练,使模型具备微波热声成像图像重建能力。2.针对仿真数据和实际实验数据的数据分布不一致所带来域差异问题,本文提出一套仿真和实验数据预处理方案,解决了使用仿真数据训练的模型在迁移到实际热声实验数据上的域间隔问题。3.针对现有基于深度学习的直接重建算法进行分析讨论,提出一系列改进措施,并设计了一个新的TAT-Net模型架构。该模型在仿真和微波热声仿体实验中被验证,并在重建质量和鲁棒性上取得了优异的表现。此外,本文还研究了TAT-Net的定量重建能力,并在仿真和热声仿体实验上得到证明。与经典重建算法和现有的基于深度学习的SOTA算法相比,本文提出的算法在重建图像上将均方根误差降至0.0143,结构相似性和峰值信噪比指标分别提高到0.988和38.64。结果表明,本文提出的算法在提高图像重建质量和快速定量重建方面具有极大的潜力。

关键词：微波热声成像图像重建深度学习有限元

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微波热声成像技术及其临床诊断应用探索

生命科学仪器 2023年第2期21卷 26-36页

作者：吴竹君邓玉林王志敏北京理工大学前沿交叉科学研究院北京100081 北京理工大学生命学院北京100081

微波热声成像(Microwave excited thermoacoustic imaging,MTAI)作为一种新型非电离以及非侵入性的医学成像技术,结合了深层组织穿透、微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点,因而在生物医学领域具有广阔的应用前景。MTAI以脉冲微... 详细信息

微波热声成像(Microwave excited thermoacoustic imaging,MTAI)作为一种新型非电离以及非侵入性的医学成像技术,结合了深层组织穿透、微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点,因而在生物医学领域具有广阔的应用前景。MTAI以脉冲微波作为激发源,超声作为信息载体,基于生物组织内部的微波吸收差异,通过热膨胀效应实现能量从微波到超声的转换,获得被照生物组织内部的结构、功能性信息。本文不仅介绍了MTAI技术的基本原理、检测装置和成像算法,且梳理了MTAI技术在医学诊断中的应用现状,并针对MTAI技术面临的挑战以及未来发展趋势进行了展望。

关键词：微波热声成像生物医学超声临床诊断

用于乳腺癌微波热声成像的多物理场仿真技术研究

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用于乳腺癌微波热声成像的多物理场仿真技术研究

作者：梁正电子科技大学

学位级别：硕士

乳腺癌具有较高的发病率和高致死率,但早期检测可明显降低其致死率。近年来,新兴的微波热声成像技术在乳腺癌早期筛查领域受到了较多的关注,因其高分辨率和高对比度的成像优势,被认为是一种在乳腺癌早期检测领域有着良好应用前景的无损... 详细信息

乳腺癌具有较高的发病率和高致死率,但早期检测可明显降低其致死率。近年来,新兴的微波热声成像技术在乳腺癌早期筛查领域受到了较多的关注,因其高分辨率和高对比度的成像优势,被认为是一种在乳腺癌早期检测领域有着良好应用前景的无损成像技术。在乳腺癌微波热声成像中,不同组织介电和声学特性的差异是微波热声图像对比度的根源。外部的激励微波场和内部的微波热声场,这两者则是影响图像质量的关键。微波和超声多物理场的联立分析,有助于获得高分辨率和高对比度的微波热声图像,是获得所需的最优微波参数以及超声检测方法的有效途径。现有实验研究表明,微波热声成像也有助于乳腺癌穿刺活检中针尖的准确定位。本文基于电磁仿真技术详细研究了穿刺针长度与定位精度之间的对应关系,为实现更加精准的微波热声穿刺针针尖定位提供了理论依据和参考。针对上述问题,本文的主要研究内容包括:1.基于乳腺癌微波热声成像理论,分析了微波热声信号的产生和传播过程,利用有限元分析软件COMSOL构建了乳腺癌微波热声成像的三维仿真模型,分别模拟实现了电磁热、热膨胀和压力波传播这三种物理场的耦合与转化。2.利用上述乳腺癌微波热声成像模型,仿真研究了不同组织的电场、温度场、位移场及声场的空间分布特性,确定了肿瘤的各物理场参数的幅值分布都较强,在75 k W功率和1μs脉宽的矩形脉冲激励下,其最大温升为0.023 m K,最大位移为1.65×10 mm,最大压升为3.22×10 Pa。此外,仿真研究了不同组织产生和传播微波热声信号的过程,对时域和频域仿真结果进行了分析,发现了:组织位移变化要滞后于温度、压强变化,并且肿瘤处微波热声响应较快,产生的微波热声信号频率最高,为24 k Hz。同时,还研究了肿瘤的电场、温度场、位移场及声场的能量转换关系。3.研究了外部微波激励对乳腺癌微波热声成像过程的影响,利用COMSOL软件,使用了不同类型、不同脉宽的微波脉冲来激励乳腺癌组织,通过仿真研究发现了:矩形脉冲的能量效率最高,高斯、正弦及三角脉冲的能量效率分别是它的0.39倍、0.61倍、0.48倍。此外,矩形脉冲的脉宽越大,组织最大温升也越大,导致产生的微波热声信号幅值也越强。4.研究了肿瘤声学特性对乳腺癌微波热声成像过程影响,利用COMSOL软件构建了不同尺寸、不同杨氏模量的乳腺癌模型,仿真发现:肿瘤的微波热声信号幅值与其杨氏模量的关系为正相关,肿瘤的微波热声信号频率随着杨氏模量的增加而线性变大,比例系数约为1.4。5.提出了穿刺针的微波热声响应特性等同于一种半波偶极子天线,通过时域有限积分软件CST进行仿真验证。建立了不同工作频率的微波天线辐照不同长度穿刺针的模型,获得了穿刺针的表面比吸收率分布以及能量耦合效率与其长度的关系。最终确定了在最佳针尖可视化情况下,穿刺针长度应为激励微波波长的一半。本文不仅从理论上模拟实现了三维乳腺癌微波热声成像过程,也进一步研究了微波及生物特性多物理参数对于微波热声图像的影响,为实现临床上微波热声成像进行乳腺癌早期检测提供更多的可能性。此外,本文也解决了乳腺癌穿刺活检中的针尖微波热声可视化问题,有助于提高临床上乳腺癌穿刺活检的准确度和效率。

关键词：乳腺癌多物理场仿真微波热声成像针尖可视化

微波热声三维成像系统及早期乳腺肿瘤检测的研究

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微波热声三维成像系统及早期乳腺肿瘤检测的研究

广东省生物物理学会2013年学术研讨会

作者：计钟娄存广杨思华邢达华南师范大学激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室

本文利用微波热声成像的方法检测正常乳房组织与肿瘤组织的微波吸收差异,讨论了微波热声成像技术检测乳腺肿瘤的可能性;建立了一套三维热声扫描系统,并利用此系统对模拟肿瘤和真实离体肿瘤进行成像实验。实验结果表明,三维微波热声成像... 详细信息

本文利用微波热声成像的方法检测正常乳房组织与肿瘤组织的微波吸收差异,讨论了微波热声成像技术检测乳腺肿瘤的可能性;建立了一套三维热声扫描系统,并利用此系统对模拟肿瘤和真实离体肿瘤进行成像实验。实验结果表明,三维微波热声成像系统能对乳腺肿瘤高分辨率高对比度高穿透深度成像,有希望应用于早期乳腺肿瘤检测。

关键词：微波热声成像乳腺肿瘤三维高对比度

来源： cnki会议评论

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用于脑功能研究的生物光子学技术研究进展

电子科技大学学报 2023年第2期52卷 296-305页

作者：苏黎李天明电子科技大学电子科学与工程学院成都610054

脑成像技术是生物医学工程学研究的热点。现有传统脑成像手段,如X射线成像(X-ray)、磁共振成像(MRI)等已发展成熟,广泛应用于科学研究和临床诊疗。然而这些成像技术大多具有侵入性、设备体积庞大、成像成本高昂等局限性,且难以适用于特... 详细信息

脑成像技术是生物医学工程学研究的热点。现有传统脑成像手段,如X射线成像(X-ray)、磁共振成像(MRI)等已发展成熟,广泛应用于科学研究和临床诊疗。然而这些成像技术大多具有侵入性、设备体积庞大、成像成本高昂等局限性,且难以适用于特殊人群,如新生儿。该文介绍了几种可用于脑成像的微观光学分子成像模态,这些方法大多无创、成本较低且性能优异,具有广阔的发展前景。在给出了它们的成像原理、系统组成以及关键技术后,总结了已有的研究成果和现阶段研究进展。最后,通过列举和比较这几种成像模态的优缺点讨论了脑成像技术未来的发展方向。

关键词：扩散光学层析成像脑功能成像近红外光谱技术光学分子成像光声成像微波热声成像

基于异构平台的微波热声图像重建的设计与实现

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基于异构平台的微波热声图像重建的设计与实现

作者：周锐电子科技大学

学位级别：硕士

随着医学影像技术的发展,基于不同成像机制的生物组织成像技术被广泛地应用于各种疾病的检测,以辅助医师进行疾病诊断和治疗。无损检测手段的微波热声成像（Thermoacoustic Tomography,TAT）方法融合了超声成像的高分辨率特性以及微波... 详细信息

随着医学影像技术的发展,基于不同成像机制的生物组织成像技术被广泛地应用于各种疾病的检测,以辅助医师进行疾病诊断和治疗。无损检测手段的微波热声成像（Thermoacoustic Tomography,TAT）方法融合了超声成像的高分辨率特性以及微波成像的高对比度特性,逐渐演变成为了新兴的并且具有巨大的发展潜力的医学成像方法。基于有限元方法（Finite Element Method,FEM）的微波热声图像重建算法通过数值方法求解热声波动方程,使用迭代的方式来进行图像重建,它不仅能够提供生物组织内部的结构信息,显示出病变组织的位置及形状,还能够提供生物组织内部与热声效应有关的物理参数。但是由于这种基于有限元方法的图像重建算法的计算量很庞大,随着有限元网格划分单元的增多,重建图像所需要的时间迅速增长,甚至要花几个小时才能完成一幅图像的重建,这严重影响了基于有限元的重建算法的研究和应用。随着科技的发展,人们日渐认知到计算的重要性,不管是在科学研究、科技发展还是日常生活中,计算的需求迅速增长,而由于物理条件的限制,仅仅是采用在单个处理器上来提升计算性能的方法,已经遇到了瓶颈,因此,人们提出了结合多种处理器来搭建高性能计算平台的策略。基于此策略,世界上出现了许多超级计算机,最高能达到每秒40万亿次的浮点计算能力,这大大超出了任意单个处理器的计算能力。为了解决基于有限元的重建算法运行时间过长的问题,本文从以下方面进行研究:1.结合中央处理器（Central Processing Unit,CPU）擅长处理逻辑复杂的任务和图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）擅长处理计算密集并行性高的任务的特点,搭建基于CPU和GPU的异构平台,并部署了基于统一计算设备架构（Compute Unified Device Architecture,CUDA）和Python语言的开发环境。2.研究基于异构架构的编程技术,包括数据存储优化、内存访问优化、数据传输优化、多线程并行、分块计算等加速方法。3.针对基于有限元方法的微波热声图像重建算法进行了深入分析和重新设计,提出微波热声吸收分布重建算法和热弹性模量成像算法的基于CPU和GPU异构平台的设计方案。我们设计了仿真实验对基于异构平台的算法进行验证,和进行计算性能的比较。在异构平台上,基于有限元方法的微波热声吸收分布重建算法相比于CPU获得了67.549的加速比,而热弹性模量成像算法则相比于CPU获得了16.36的加速比。

关键词：微波热声成像有限元异构平台弹性模量并行计算