微波熱聲成像技術(shù)中熱聲信號采集系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　分類號 密級</b></p><p>　　國際十進分類號（UDC）</p><p><b>　　第四軍醫(yī)大學(xué)</b></p><p><b>　　學(xué)位論文</b></p><p>　　微波熱聲成像技術(shù)中熱聲信號采集系統(tǒng)研究</p>&

2、lt;p><b>　?。}名和副題名）</b></p><p><b>　　韋育森</b></p><p><b>　?。ㄗ髡咝彰?lt;/b></p><p>　　指導(dǎo)教師姓名 楊國勝 教授</p><p>　　指導(dǎo)教師單位 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系</p>

3、<p>　　申請學(xué)位級別 碩士 專業(yè)名稱 生物醫(yī)學(xué)工程</p><p>　　論文提交日期 2008.04 答辯日期 2008.05</p><p>　　論文起止時間 2005 年 8 月至 2008 年 4 月</p><p>　　學(xué)位授予單位 第四軍醫(yī)大學(xué)</p><p><b>　　獨 創(chuàng) 性 聲 明</b&g

4、t;</p><p>　　秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我</p><p>　　個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文</p><p>　　中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過</p><p>　　的研究成果，不包含本人或他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與

5、</p><p>　　我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明</p><p><b>　　并表示了致謝。</b></p><p>　　申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。</p><p>　　論文作者簽名： 日期：</p><p>　　保 護 知 識 產(chǎn)

6、 權(quán) 聲 明</p><p>　　本人完全了解第四軍醫(yī)大學(xué)有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在</p><p>　　校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬第四軍醫(yī)大學(xué)。本人保證畢業(yè)</p><p>　　離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為第四軍醫(yī)大學(xué)。</p><p>　　學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容（含電子版，保密內(nèi)容除外

7、），可以采</p><p>　　用影印，縮印或其他復(fù)制手段保存論文。學(xué)校有權(quán)允許論文被查閱和借閱，</p><p>　　并在校園網(wǎng)上提供論文內(nèi)容的瀏覽和下載服務(wù)。</p><p>　　論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：</p><p>　　微波熱聲成像技術(shù)中熱聲信號采集系統(tǒng)研究</p><p><b>　　研

8、 究 生：韋育森</b></p><p>　　學(xué)科專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程</p><p>　　所在單位：第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系</p><p>　　導(dǎo) 師：楊國勝 教授</p><p>　　輔導(dǎo)教師：朱新亞 講師</p><p>　　資助基金項目：國家自然科學(xué)基金資助(60571041)</p>

9、<p>　　關(guān)鍵詞：微波激勵；熱聲信號；數(shù)據(jù)采集；數(shù)字式平均；混合編程</p><p>　　中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)</p><p>　　2008 年 05 月</p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　縮略語表

10、................................................... 1</p><p>　　中文摘要 ................................................... 2</p><p>　　英文摘要 ................................................... 4</

11、p><p>　　前 言 ................................................... 7</p><p>　　文獻回顧 .................................................. 10</p><p>　　正 文 .....................................

12、............. 15</p><p>　　1 熱聲信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計............................. 15</p><p>　　微波熱聲成像實驗平臺介紹......................... 15</p><p>　　熱聲信號采集系統(tǒng)................................. 16</

13、p><p>　　小結(jié)............................................. 18</p><p>　　2 熱聲信號預(yù)處理器設(shè)計與實現(xiàn)........................... 19</p><p>　　微波激勵熱聲信號分析............................. 19</p><p&g

14、t;　　設(shè)計參數(shù)確定..................................... 22</p><p>　　信號預(yù)處理器設(shè)計與實現(xiàn)........................... 22</p><p>　　參數(shù)測試......................................... 30</p><p>　　預(yù)實驗結(jié)果與分析....

15、............................. 31</p><p>　　小結(jié)............................................. 32</p><p>　　3 數(shù)據(jù)采集以及信號處理方法設(shè)計與實現(xiàn)................... 33</p><p>　　數(shù)據(jù)采集........................

16、................. 33</p><p>　　信號消噪處理..................................... 34</p><p>　　小結(jié)............................................. 45</p><p>　　4 數(shù)據(jù)采集結(jié)果及分析........................

17、........... 46</p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　實驗?zāi)康?........................................ 46</p><p>　　實驗方法......................................... 46</p><p>　　實驗結(jié)果..

18、....................................... 47</p><p>　　小結(jié)............................................. 50</p><p>　　總 結(jié) .................................................. 51</p><p>　　參考

19、文獻 .................................................. 53</p><p>　　個人簡歷和研究成果 ........................................ 57</p><p>　　致 謝 .................................................. 58</p&g

20、t;<p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　縮略語表</b></p><p>　　縮略詞 英文全稱 中文全稱</p><p>　　BNC Bayonet Neil-Concelman connector 同軸連接器</p><p>　　CLF Call Library Functi

21、on 庫函數(shù)調(diào)用</p><p>　　DLL Dynamic Link Library 動態(tài)鏈接庫</p><p>　　DMA Direct Memory Access 直接內(nèi)存存取</p><p>　　DSP Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理模塊</p><p>　　FIFO First In First Ou

22、t 先入先出</p><p>　　FPGA Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列</p><p>　　MCU Micro Controller Unit 微型控制器</p><p>　　PCB Printed Circuit Board 印刷電路板</p><p>　　SNR Signal to Noi

23、se Ratio 信噪比</p><p>　　SNIR Signal to Noise Improvement Ratio 信噪改善比</p><p>　　VI Virtual Instrument 虛擬儀器</p><p><b>　　-1-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p>

24、<p>　　微波熱聲成像技術(shù)中熱聲信號采集系統(tǒng)研究</p><p><b>　　碩士研究生：韋育森</b></p><p>　　導(dǎo) 師：楊國勝 教授</p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，西安 710032</p><p><b>　　中文摘要</b></p>&l

25、t;p>　　生物組織微波熱聲成像技術(shù)是國內(nèi)外近幾年研究的一個熱點。主要原理</p><p>　　是利用持續(xù)時間很短的微波脈沖對生物組織進行照射，在微波脈沖的照射</p><p>　　下，生物組織吸收微波能量溫度升高，溫升造成的受熱膨脹引起機械振動，</p><p>　　產(chǎn)生超聲波(稱為熱聲信號)，這些熱聲信號攜帶著生物組織的微波吸收特</p>&

26、lt;p>　　性。微波熱聲成像就是利用檢測到的熱聲信號對生物組織進行成像。</p><p>　　目前，國內(nèi)在微波熱聲成像方面的研究還處于起步階段，沒有太多可借</p><p>　　鑒的實驗系統(tǒng)。實驗平臺的建立和熱聲信號的成功獲取是微波熱聲成像技術(shù)</p><p>　　得以實現(xiàn)的重要前提，正是為了成功采集和提取微波激勵的熱聲信號，本文</p>&l

27、t;p>　　在本課題組組建的微波熱聲成像實驗平臺的基礎(chǔ)上，針對熱聲信號的特點研</p><p>　　制了與熱聲信號相匹配的采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小、成本低、操作簡單，能</p><p>　　夠完成信號的采集、控制、分析、消噪處理和顯示輸出，實用性好。</p><p>　　本研究主要完成以下工作：</p><p>　　信號預(yù)處理器的研制。對

28、微波激勵熱聲信號的頻率、幅值進行分析，</p><p>　　根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計熱聲信號預(yù)處理器。主要利用單片機 AT89C4051 和</p><p>　　智能顯示芯片 HD7279A 組成預(yù)處理器的增益顯示控制模塊，利用 AD604</p><p><b>　　-2-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文

29、</p><p>　　為主放大芯片組成信號濾波放大模塊，來制作信號預(yù)處理器。該預(yù)處</p><p>　　理器能夠在頻帶寬度、增益和噪聲抑制三個方面滿足熱聲信號采集的</p><p><b>　　要求。</b></p><p>　　設(shè)計、編寫數(shù)據(jù)采集程序和信號消噪處理程序。基于 LabVIEW 平臺編</p>

30、<p>　　寫數(shù)據(jù)采集程序，控制熱聲信號的采集長度、采樣率和保存方式；結(jié)</p><p>　　合 LabVIEW 和 C 語言編寫數(shù)字式平均消噪程序?qū)崿F(xiàn)對熱聲信號的提</p><p><b>　　取。</b></p><p>　　實驗數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計實驗方案，進行動物實驗采集微波激勵的熱聲</p><p>　

31、　信號，并作相關(guān)分析處理。同時，根據(jù)實驗中存在的問題繼續(xù)改進信</p><p><b>　　號采集系統(tǒng)。</b></p><p>　　在本研究中，主要完成了信號預(yù)處理器的研制，采集消噪程序的設(shè)計編</p><p>　　寫，實驗數(shù)據(jù)的采集。為微波熱聲成像實驗平臺的構(gòu)建和成像技術(shù)的實現(xiàn)打</p><p><b>　

32、　下基礎(chǔ)。</b></p><p>　　關(guān)鍵詞：微波激勵；熱聲信號；數(shù)據(jù)采集；數(shù)字式平均；混合編程</p><p><b>　　-3-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　Researching on Signals Acquisition System of Micro

33、wave</p><p>　　Induced Thermoacoustic Tomography</p><p>　　Candidate for master: Wei Yusen</p><p>　　Supervisor: Yang Guosheng</p><p>　　Department of Biomedical Engineerin

34、g, Fourth Military Medical University,</p><p>　　Xi’an 710032, China</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Microwave-induced thermoacoustic tomography (MITT) for biological t

35、issue</p><p>　　has been a hot research area these years. With this technique, a short-pulsed</p><p>　　microwave beam is used to irradiate tissue samples. The tissue absorbs the</p><p&

36、gt;　　microwave energy in a confined time and simultaneously generates temporal</p><p>　　ultrasonic waves (named thermoacoustic signals) by thermoelastic expansion.</p><p>　　The generated thermoa

37、coustic signals carry information about the microwave</p><p>　　absorption properties of the sample. The realization of MITT is based on these</p><p>　　acquired thermoacoustic signals.</p>

38、<p>　　Now, owing to the research on MITT still at its original stage in our nation,</p><p>　　we haven’t enough experimental systems as references. The experimental system</p><p>　　was buil

39、t up and the thermoacoustic signals were acquired successfully are the</p><p>　　important preconditions of the realization of MITT. In order to acquire and</p><p>　　pick-up the thermoacoustic si

40、gnals, which were induced by microwave pulses,</p><p>　　the data acquisition system used to acquire the thermoacoustic signals is</p><p>　　developed based on the experimental system of MITT. The

41、 experimental system</p><p><b>　　-4-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　of MITT was also developed by our group. And all the acquisition system</p><p>　　par

42、ameters were designed based on the characteristic of thermoacoustic signals.</p><p>　　The acquisition system takes the advantages of small size, low cost and easy to</p><p>　　operate, and it can

43、 finish signals acquisition, control, analysis, de-noised, display</p><p>　　and convenient to use.</p><p>　　The following research work has been carried out in this thesis:</p><p>　

44、　Developed the preprocessor. The characteristic of thermoacoustic signals</p><p>　　such as amplitude and frequency were analyzed in our works. According</p><p>　　to the analyzed results, the sig

45、nal preprocessor was developed. The</p><p>　　micro-controller (AT89C4051), the intelligence control and display chip</p><p>　　(HD7279A) and some other elements were used to build up the gain<

46、/p><p>　　display and control module of preprocessor. And AD604 and some other</p><p>　　elements were used to build up the signals amplify and filter module of</p><p>　　preprocessor. Mo

47、reover, the preprocessor can meet the needs of</p><p>　　thermoacoustic signals acquisition in bandwidth, gain and noise control.</p><p>　　Design and compilation of data acquisition and signals d

48、e-noised program.</p><p>　　In order to control the acquisition length, sampling rate and saving mode</p><p>　　of thermoacoustic signals, the data acquisition program was compiled</p><

49、p>　　based on LabVIEW platform. According to the mixing programming</p><p>　　between LabVIEW and C language, the de-noised program was also</p><p>　　complied to pick-up the thermoacoustic sign

50、als.</p><p>　　Acquired the experimental data. Realize Experimental scheme design and</p><p>　　thermoacoustic signals acquisition in animal tissue experiment. Finish</p><p>　　analysi

51、s of the acquired signals. At the same time, According to the</p><p>　　presented problem in experiment, the signals acquisition system was</p><p><b>　　-5-</b></p><p>　　第

52、四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　improved.</b></p><p>　　In our research, we finished the follow works: developed the preprocessor,</p><p>　　compiled the relative programs and acq

53、uired the experimental data. And the</p><p>　　realization of these works can lay a solid foundation for building the</p><p>　　experimental platform and realizing MITT.</p><p>　　Key

54、words：Microwave-induced; Thermoacoustic signals; Data Acquisition;</p><p>　　Digital multipoint average; Mixed Programming</p><p><b>　　-6-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p

55、><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著科技發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像已成為臨床診斷不可缺少的重要輔助手段，而</p><p>　　醫(yī)學(xué)影像技術(shù)也成為醫(yī)學(xué)診斷中最活躍的研究領(lǐng)域之一，成為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)</p><p>　　工程的一個重要分支。在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)目前并存著幾種較成熟的醫(yī)學(xué)影像</p><

56、;p>　　技術(shù)[1]：代表了器官解剖結(jié)構(gòu)信息的結(jié)構(gòu)成像技術(shù)——X線斷層掃描（X線－</p><p>　　CT）與磁共振成像，體現(xiàn)了生理生化功能的功能成像技術(shù)——核醫(yī)學(xué)成像</p><p>　?。⊿PECT與PET），兼具一定結(jié)構(gòu)和功能信息的成像技術(shù)——超聲成像。此外，</p><p>　　電阻抗成像、微波成像等一些其它新型成像方式也在逐漸發(fā)展，并將臨床應(yīng)<

57、;/p><p>　　用作為最終研究目標(biāo)。</p><p>　　微波的熱效應(yīng)是其對生物組織造成的一種主要物理效應(yīng)。生物組織在受</p><p>　　到一定強度和時間的微波輻射之后，會因吸收微波能量而出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)</p><p>　　象，而溫升造成的受熱膨脹會引起機械振動，產(chǎn)生超聲波。生物組織微波熱</p><p>　　聲

58、成像就是針對生物組織的微波熱效應(yīng)和聲波在組織中傳播的特點，利用脈</p><p>　　沖調(diào)制的微波照射組織，引起組織受熱膨脹而產(chǎn)生超聲波，超聲波傳感器檢</p><p>　　測到信號之后，送至計算機進行數(shù)據(jù)處理和圖像重構(gòu)。根據(jù)研究表明，在強</p><p>　　制性的安全標(biāo)準(zhǔn)之下，每個約1微秒的短脈沖微波在軟組織中引起的溫升很</p><p>

59、;　　小，約為千分之一度數(shù)量級，所以正確控制微波的脈沖調(diào)制方式和照射時間，</p><p>　　并不會對組織產(chǎn)生不可逆的損害。微波熱聲成像[2-6]結(jié)合了微波成像組織對比</p><p>　　度高和超聲成像空間分辨率好的優(yōu)點，避免了微波成像系統(tǒng)成本高、硬件設(shè)</p><p>　　計復(fù)雜和超聲成像組織對比度低的不足，形成一種新的醫(yī)學(xué)成像方式。</p>&

60、lt;p>　　1、現(xiàn)有主要成像技術(shù)的優(yōu)缺點：</p><p>　　目前現(xiàn)有的成像系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)成像技術(shù)的圖像質(zhì)量最好，但其價格昂貴，</p><p>　　難以普及。另外它們往往要求患者服用一定的造影劑，可能會給患者帶來生</p><p>　　理上的不適。X射線CT成像時的X射線輻射會對患者和操作人員造成放射線損</p><p>　　傷。核

61、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)需要使用標(biāo)記化合物，且患者也必須接受射線照射，會</p><p><b>　　-7-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　造成一定劑量的放射線損傷；此外對放射性物質(zhì)的保存要求，也使這種技術(shù)</p><p><b>　　在小醫(yī)院難以普及。</b><

62、;/p><p>　　超聲成像[7]系統(tǒng)價格低廉、對人體無損傷、分辨率較高，但由于不同組</p><p>　　織對聲波的傳導(dǎo)差異不明顯，因而組織之間的對比度較差，對不同組織的區(qū)</p><p>　　分度較低；而且在組織內(nèi)部空腔和骨骼與軟組織分界面上易產(chǎn)生超聲波的波</p><p>　　型轉(zhuǎn)換，會造成偽影和成像不清。</p><p

63、>　　微波成像[8]則是利用無損的低功率微波照射被成像組織，由于不同組織</p><p>　　的介電常數(shù)不同，因而它們對微波的吸收劑量也不同，測量其透射或反射出</p><p>　　的微波信號就可以進行重構(gòu)成像，屬于一種功能與結(jié)構(gòu)結(jié)合的成像技術(shù)。其</p><p>　　組織對比度高于超聲成像技術(shù)，但是由于微波輻射天線陣列的設(shè)計要求使得</p>&

64、lt;p>　　這種成像系統(tǒng)在硬件的實現(xiàn)和系統(tǒng)成本上不具備優(yōu)勢。</p><p>　　2、微波熱聲成像[9,10]的優(yōu)勢：</p><p>　　微波對組織的輻射是一種非電離輻射，對生物體主要產(chǎn)生熱效應(yīng)，適當(dāng)</p><p>　　控制微波發(fā)射功率和照射時間所引起的組織溫度升高很低，不會對組織造成</p><p>　　不可逆損害。由于組織對微

65、波的吸收劑量會因組織含水量的不同而差異顯</p><p>　　著，所以利用微波作為成像工具擁有較好的圖像對比度（特別是在含水量和</p><p>　　代謝差異較為顯著的正常與癌變組織之間）。但是，單純的微波成像空間分</p><p>　　辨率較低（微波的波長較長），交叉耦合干擾也難以克服，且系統(tǒng)對接收天</p><p>　　線（陣列）的設(shè)計要

66、求極高。</p><p>　　隨著超聲成像技術(shù)的普及，聲波在組織中的傳導(dǎo)規(guī)律已熟為人知，而組</p><p>　　織中聲波的撿出與信號重構(gòu)成像技術(shù)也比較成熟，且超聲波對人體生物組織</p><p>　　不會造成損害，但是組織對比度較低一直是其存在的主要問題。</p><p>　　微波熱聲成像，是由脈沖調(diào)制的微波激勵、產(chǎn)生超聲的成像技術(shù)，它既&

67、lt;/p><p>　　具有微波成像對不同組織的區(qū)分能力，又結(jié)合了超聲成像價格低廉、分辨率</p><p>　　較高等優(yōu)勢，利用超聲探頭和定制的微波源，很容易做到小型便攜化和低成</p><p>　　本化。微波熱聲成像既能提供組織的解剖結(jié)構(gòu)信息，也能夠反映一定的生理</p><p><b>　　-8-</b></p&g

68、t;<p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　生化特性（如組織介電常數(shù)、電導(dǎo)率、聲波傳導(dǎo)規(guī)律以及微波吸收劑量等）。</p><p>　　所以微波熱聲成像可能成為一種新型的高質(zhì)量無損醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有廣闊</p><p><b>　　的應(yīng)用前景。</b></p><p><b>　　

69、本研究的主要工作</b></p><p>　　本論文的主要研究工作為課題組建立的微波熱聲成像系統(tǒng)中的熱聲信</p><p>　　號采集及消噪處理部分。首先，通過對微波激勵熱聲信號幅值和頻率的分析，</p><p>　　初步估算出熱聲信號的幅值和頻率范圍，確定設(shè)計參數(shù)。然后，根據(jù)設(shè)計參</p><p>　　數(shù)，設(shè)計在通帶范圍、增益范

70、圍和輸出噪聲三個方面都能滿足熱聲信號采集</p><p>　　要求的信號預(yù)處理器。然后，在LabVIEW下編寫信號采集程序，討論信號消</p><p>　　噪提取的方法，并結(jié)合C語言編寫信號降噪程序。最后，利用該熱聲信號采</p><p>　　集系統(tǒng)進行動物實驗采集數(shù)據(jù)。</p><p>　　本研究具體所做的工作主要有：</p>

71、<p>　　1) 對熱聲信號的頻率、幅值進行分析；</p><p>　　2) 根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計熱聲信號預(yù)處理器；</p><p>　　3) 數(shù)據(jù)采集程序和信號消噪處理程序編寫；</p><p>　　4) 進行實驗，采集由微波脈沖激勵得到的信號；</p><p>　　5) 對采集到的信號做相關(guān)處理。</p><p

72、><b>　　本研究的意義</b></p><p>　　1) 以最小的成本完成信號預(yù)處理器的研制，大大節(jié)約了購買成品預(yù)</p><p><b>　　處理器的開支；</b></p><p>　　2) 能夠?qū)崿F(xiàn)對微波激勵熱聲信號的采集和提取，為下一步成像的實</p><p><b>　　

73、現(xiàn)打下基礎(chǔ)。</b></p><p><b>　　-9-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　文獻回顧</b></p><p>　　1880年Alexander Graham Bell[11]發(fā)現(xiàn)橡膠在被一束不連續(xù)的日光照射</p>

74、;<p>　　后會發(fā)射出聲波，首次描述了熱聲效應(yīng)。1881年又描述了聲光效應(yīng)：無論何</p><p>　　時有空氣的閉合細(xì)胞被周期調(diào)制的光源照射時都會產(chǎn)生聲光信號。二十世紀(jì)</p><p>　　八十年代早期，J.C.Lin等人就報道了利用微波熱聲效應(yīng)對人體手臂成像的</p><p>　　結(jié)果并構(gòu)建了第一套微波熱聲成像系統(tǒng)[12,13]。然而，該項技術(shù)真

75、正快速發(fā)展</p><p>　　和應(yīng)用卻是近幾年的事[14-16]。該成像技術(shù)同時兼具高成像分辨率和高對比度，</p><p>　　能很好地滿足早期腫瘤，特別是早期乳腺癌的檢測要求，因此，近些年來國</p><p>　　內(nèi)外多個工作小組開始開展這方面的研究工作。其中，美國德克薩斯A&M大</p><p>　　學(xué)L.V. Wang研究小

76、組和印第安那大學(xué)Robert A Kruger研究小組所取得的成</p><p>　　績尤為顯著。兩個小組分別開展了微波熱聲成像理論及實驗研究。</p><p>　　1) 德克薩斯A&M大學(xué)L.V. Wang研究小組對微波熱聲成像進行了大量研</p><p>　　究[17-20]，發(fā)表了許多研究成果。</p><p>　　該小組主要是

77、對離體生物組織進行成像研究，在脂肪組織中嵌入肌肉組</p><p>　　織作為試驗用的樣本組織。通過對這樣的生物樣本的成像驗證了微波熱聲成</p><p>　　像的高對比度和高分辨率，論證了微波熱聲成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測的可行性。</p><p>　　該小組研制的熱聲成像系統(tǒng)如圖1-1所示。</p><p>　　該熱聲成像系統(tǒng)的主要工作原理為：組

78、織樣本和傳感器浸泡在充滿礦物</p><p>　　油的樹脂玻璃容器里，分別由計算機驅(qū)動步進機和角度控制面板控制轉(zhuǎn)動。</p><p>　　由函數(shù)發(fā)生器觸發(fā)控制微波激勵源激發(fā)適合的微波脈沖，經(jīng)過波導(dǎo)照射組織</p><p>　　樣本，組織樣本吸收能量，而受熱膨脹引起機械振動，產(chǎn)生超聲信號，超聲</p><p>　　傳感器采集到信號后。經(jīng)過放大，

79、由示波器紀(jì)錄后，送入計算機，進行后續(xù)</p><p><b>　　處理。</b></p><p><b>　　-10-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　圖1-1 L.V. Wang研究小組熱聲成像系統(tǒng)</p><p>　　該實驗系統(tǒng)可

80、采用兩種掃描方案，一種是采用聚焦式超聲傳感器進行一</p><p>　　維掃描，根據(jù)每次掃描結(jié)果產(chǎn)生一維圖像，將多個一維圖像組合最終形成二</p><p>　　維圖像。采用該種掃描方案時，超聲傳感器只能接收到以焦軸為軸心的某一</p><p>　　很小立體角范圍內(nèi)的信號，因此只能對與超聲傳感器的焦軸相正交的組織交</p><p>　　界面給出

81、很好的成像結(jié)果，而對如橢圓形以及其他類型的組織分界面不能很</p><p>　　好地成像。圖1-2為運用這一方案所獲得的實驗結(jié)果。</p><p>　?。╝） （b） （c）</p><p>　　圖1-2 方案一實驗結(jié)果</p><p>　　(a)實驗樣本；(b)一維圖像；(c)成像結(jié)果</p><p>　　另一種方案

82、則是通過采用非聚焦式超聲傳感器接收較大立體角范圍內(nèi)</p><p><b>　　-11-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　的超聲信號，將多次掃描后所接收到的超聲信號，按照一定的成像算法進行</p><p>　　信號處理，一次性給出二維成像結(jié)果，即所謂的合成孔徑掃描方案，該方案&l

83、t;/p><p>　　對于任何類型的組織界面均能很好的成像。圖1-3為運用這一方案所獲得的</p><p><b>　　實驗結(jié)果。</b></p><p><b>　　(a) (b)</b></p><p>　　圖1-3 方案二實驗結(jié)果</p><p>　　(a)實驗樣本；(b)

84、成像結(jié)果</p><p>　　2) 印第安納大學(xué)的Robert A Kruger研究小組進行了計算機熱聲斷層成</p><p>　　像（TCT）的研究[21-23]。</p><p>　　該研究小組的研究工作直接面向動物臟器和人體乳房進行檢測。所開發(fā)</p><p>　　的實驗系統(tǒng)如圖1-4所示，系統(tǒng)主要由一個架設(shè)在圓柱套筒之上的不銹鋼半&l

85、t;/p><p>　　球碗狀結(jié)構(gòu)(用于盛放臟器或人體乳房)構(gòu)成，通過控制一個步進馬達可使該</p><p>　　碗狀結(jié)構(gòu)圍繞軸線做360度旋轉(zhuǎn)。以螺旋狀的排列方式安裝于碗狀結(jié)構(gòu)外壁</p><p>　　上的64個壓電陶瓷傳感器隨著碗狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動并接收熱聲信號。碗狀結(jié)構(gòu)的正</p><p>　　下方是一個圓波導(dǎo)，通過圓柱套筒內(nèi)延伸到碗狀結(jié)構(gòu)的底部，用

86、于微波能量</p><p>　　的傳輸和輻射。整個裝置浸在一個充滿藕合溶液的圓柱槽中，該圓柱槽架設(shè)</p><p>　　在一個有襯墊的臺桌下方，槽的頂部與空氣直接接觸。</p><p><b>　　-12-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　圖1-4 熱聲成

87、像設(shè)備的示意圖</p><p>　　1998年利用434MHz的脈沖射頻信號，運用計算機熱聲斷層成像（TCT）技術(shù)</p><p>　　得到了豬腎臟的斷層成像圖，如圖1-5所示，圖中腎臟組織的明亮程度對應(yīng)著該</p><p>　　處對434MHz微波脈沖的吸收系數(shù)。</p><p>　　圖1-5 豬腎臟的熱聲成像結(jié)果</p>&

88、lt;p>　　同年，又在安全的射頻能量下，得到了人體乳房的斷層成像圖，從中可</p><p><b>　　-13-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　以辨別出癌變組織。如圖1-6中箭頭所指為癌變組織。</p><p>　　圖1-6 人體乳房的熱聲成像結(jié)果</p>

89、<p>　　從這兩個小組的研究成果可以看出，微波熱聲成像技術(shù)作為一種對人體</p><p>　　無損傷的成像技術(shù)，能夠獲得高的圖象對比度和好的成像分辨率。能夠滿足</p><p>　　現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像的需要，特別是對早期乳腺癌檢測有獨到優(yōu)勢。而當(dāng)前研究中</p><p>　　還存在著的一些問題，如熱聲信號的有效激發(fā)，成像對比度和分辨率的進一</p>

90、;<p>　　步提高，各種噪聲對成像影響的消除等，我們有必要對該項技術(shù)進行研究，</p><p>　　以期早日將該技術(shù)引入到醫(yī)學(xué)臨床中去。</p><p><b>　　-14-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　正 文</b></p

91、><p>　　1 熱聲信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　微波熱聲成像實驗平臺介紹</p><p>　　在介紹熱聲信號采集系統(tǒng)之前，首先對本課題組組建的微波熱聲成像實</p><p>　　驗平臺作以簡單的介紹。</p><p><b>　　z</b></p><p>　　

92、預(yù)處理器 示波器傳感器</p><p><b>　　x y</b></p><p><b>　　DAQ</b></p><p><b>　　設(shè)備微</b></p><p><b>　　計算機</b></p><p>　　圖 1-

93、1 微波熱聲成像實驗平臺示意圖</p><p>　　圖 1-1 為本課題組進行微波熱聲成像研究的實驗平臺示意圖。主要的工</p><p>　　作原理：微波脈沖激勵源產(chǎn)生的微波脈沖，通過橫截面尺寸為 110mm×55mm</p><p>　　的波導(dǎo)管傳遞。實驗用的樣本組織放置在充滿礦物油的有機玻璃容器中，并</p><p>　　置于波

94、導(dǎo)腔內(nèi)。超聲傳感器一端的探頭插在礦物油里指向樣本組織，另一端</p><p>　　則與信號預(yù)處理器相連。經(jīng)過預(yù)處理后的信號由示波器顯示，同時由數(shù)據(jù)采</p><p>　　集設(shè)備采集，并送往計算機進行消噪處理和保存。該實驗系統(tǒng)可以同時并排</p><p>　　放置三個傳感器，傳感器在 x 方向上可以以每次 1mm 的距離移動，實驗樣本</p><p

95、><b>　　-15-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　則可在 y 方向上以每次 1mm 的距離移動。</p><p>　　圖 1-2 微波熱聲成像實驗平臺</p><p>　　圖 1-2 為本課題組組建的微波熱聲成像研究的實驗平臺，圖中①為微波</p>&l

96、t;p>　　激勵源，②為波導(dǎo)，③為檢波器，④為傳感器，⑤為信號預(yù)處理器，⑥為示</p><p>　　波器，⑦為使用的計算機。</p><p><b>　　熱聲信號采集系統(tǒng)</b></p><p>　　熱聲信號采集系統(tǒng)的主要作用就是采集和提取微波脈沖照射生物組織所</p><p>　　產(chǎn)生的微弱熱聲信號。其總體設(shè)計分

97、為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計包括：</p><p>　　傳感器選擇、信號預(yù)處理器研制和數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇；軟件設(shè)計在計算機中</p><p>　　完成，包括：數(shù)據(jù)采集程序編寫和信號消噪處理程序編寫。</p><p><b>　　傳感器</b></p><p>　　傳感器選擇要求如下：</p><p&g

98、t;　　1、尺寸適中，能夠插入波導(dǎo)腔內(nèi)，進行壓電信號轉(zhuǎn)換；</p><p><b>　　-16-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　2、傳感器的響應(yīng)頻率范圍與需要采集的熱聲信號相匹配；</p><p>　　3、在頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，接收電壓靈敏度要盡可能高。</p>&l

99、t;p>　　課題組采用的是中科院聲學(xué)所研制的 PT 探針式水聽器，接收電壓靈敏度</p><p><b>　　的頻率響應(yīng)為：</b></p><p>　　f(MHz) 0.5 1.0 2.0 5.0</p><p>　　M(μV/Pa) 0.44 0.91 0.31 0.054</p><p><b>　

100、　不確定度為 10％</b></p><p><b>　　信號預(yù)處理器</b></p><p>　　對信號預(yù)處理器的設(shè)計要求如下：</p><p>　　1、頻帶范圍與熱聲信號相匹配；</p><p>　　2、增益足夠高，能滿足數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采集要求；</p><p>　　3、預(yù)處理器自

101、身產(chǎn)生噪聲盡可能小，同時具備強的抗干擾能力。</p><p>　　通過分析水聽器所能采集到有用信號的頻率、幅值以及噪聲的情況，設(shè)</p><p>　　計信號預(yù)處理器。信號預(yù)處理器的主要功能就是：放大有用信號，抑制頻帶</p><p>　　以外的信號，盡量的減小噪聲的干擾，并使處理后的信號能夠滿足數(shù)據(jù)采集</p><p>　　設(shè)備采集的要求。最

102、后送到采集設(shè)備及計算機進行數(shù)據(jù)采集。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)采集設(shè)備</b></p><p>　　采集設(shè)備選擇要求如下：</p><p>　　1、具有直接內(nèi)存訪問(DMA)的能力；</p><p>　　2、可以多通道同時采集，且不小于 10MS/s 的采樣率；</p><p>　　3、先

103、入先出 (FIFO)技術(shù)以及緩存技術(shù)。</p><p>　　課題組選用 NI 公司的 PCI－6115 采集卡，它能夠滿足以上要求，可以</p><p>　　實現(xiàn) 4 通道同時采集，并自帶 64M 內(nèi)存?？梢詫崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)吞吐，滿足熱聲</p><p>　　信號對數(shù)據(jù)采集的要求。</p><p><b>　　程序設(shè)計</b>

104、;</p><p>　　1、數(shù)據(jù)采集程序要求：程序能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時采集和實時大數(shù)據(jù)量</p><p><b>　　-17-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　保存。數(shù)據(jù)采集程序的編寫在 LabVIEW 平臺中完成，能夠控制采集數(shù)據(jù)的長</p><p>　　

105、短、采樣率、開始采集時刻和數(shù)據(jù)保存的類型等。</p><p>　　2、信號消噪處理程序要求：程序能夠有效的去除白噪聲、解決數(shù)據(jù)漂</p><p>　　移的對齊問題。信號消噪處理程序由 LabVIEW 和 C 語言結(jié)合編寫完成，實</p><p>　　現(xiàn)對采集信號的數(shù)字式平均計算完成消噪處理。</p><p><b>　　小結(jié)<

106、/b></p><p>　　本章簡要的介紹了本課題組構(gòu)建的微波熱聲成像實驗平臺；并對本文所</p><p>　　研究的熱聲信號采集系統(tǒng)的各個部分進行介紹，闡明各部分的功能、作用以</p><p>　　及設(shè)計的要求和方法。</p><p><b>　　-18-</b></p><p>　　第四

107、軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　2 熱聲信號預(yù)處理器設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　脈沖式的微波輻射到生物組織時, 生物組織吸收微波能量，溫度升高，</p><p>　　產(chǎn)生熱膨脹，激發(fā)出屬于超聲波范圍的熱聲波, 這種攜帶著關(guān)于被輻射組織</p><p>　　微波吸收特性信息的熱聲波，以聲的形式通過組織向各個方向傳播，再利用<

108、/p><p>　　超聲傳感器進行轉(zhuǎn)換就可以得到微波激勵的熱聲信號。由于，微波的照射劑</p><p>　　量被要求限制在安全范圍之內(nèi)，所得到的熱聲信號必定是一個小幅值的信</p><p>　　號，這樣的信號經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換過程也一定會引入噪聲。為了能夠使數(shù)據(jù)</p><p>　　采集設(shè)備成功的采集保存數(shù)據(jù)，一個性能良好的信號預(yù)處理器是必不可少&l

109、t;/p><p><b>　　的。</b></p><p>　　本章首先對微波激勵的熱聲信號進行分析，得到熱聲信號的頻率、幅值</p><p>　　等參數(shù)的范圍，然后根據(jù)這些分析結(jié)果確定預(yù)處理器的設(shè)計參數(shù)，最后完成</p><p><b>　　信號預(yù)處理器設(shè)計。</b></p><p

110、>　　微波激勵熱聲信號分析</p><p><b>　　熱聲信號幅值估算</b></p><p>　　微波源對生物組織發(fā)射脈沖式微波, 生物組織被激發(fā)出屬于超聲范圍</p><p>　　的熱聲信號, 熱聲信號表現(xiàn)為聲波壓力的大小, 這種壓力稱為熱聲壓力,</p><p>　　熱聲壓力作用到超聲接收傳感器上，轉(zhuǎn)換為壓

111、電信號，這就是壓電信號產(chǎn)生</p><p><b>　　的過程。</b></p><p>　　微波照射生物組織[24]，組織就會吸收部分微波能量，其吸收強度可以近</p><p><b>　　似表示為：</b></p><p>　　式中I0為微波被組織吸收前的強度，z為微波在組織中傳播到探測點對應(yīng)&

112、lt;/p><p><b>　　-19-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　的距離，I(z)為組織在z處吸收的微波強度，α 為組織對微波的吸收系數(shù)，</p><p><b>　　吸收系數(shù)可表示為：</b></p><p><b>

113、　　? ?</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　με ? σ ?</b></p><p>　　α = ω ? 1+ ?1? (2-2)</p><p><b>　　? ?</b></p><p><

114、;b>　　2 ? ? ? ?</b></p><p><b>　　ωε</b></p><p><b>　　? ?</b></p><p>　　式中ω 為微波信號的角頻率,μ 描述組織的滲透性, ε 為組織的介電常</p><p>　　數(shù), σ 為組織的電導(dǎo)率。生物組織復(fù)雜的介電常

115、數(shù)和電導(dǎo)率決定著在不同微</p><p>　　波頻率下, 微波傳播和被吸收的特性。為此,由微波激勵的熱聲信號強度,</p><p>　　取決于微波的強度和生物組織樣本的介電常數(shù)。熱聲壓力p與生物組織所吸</p><p>　　收的微波能量成正比：</p><p>　　超聲傳感器可以檢測到其響應(yīng)頻帶范圍之內(nèi)的熱聲信號，轉(zhuǎn)換為壓電信</p&g

116、t;<p>　　號Vp，Vp與熱聲對比度成正比：</p><p>　　Vp ∝ p ? p (2-4)</p><p><b>　　( )</b></p><p><b>　　t n</b></p><p>　　式(2-4)中Pt和Pn分別為不同組織交接處所產(chǎn)生的熱聲壓力，根據(jù)式(2-

117、3)</p><p>　　和式(2-4)可得到式(2-5)所表示的壓電信號Vp的表達式：</p><p>　　2 α ?α exp ? 2α z</p><p><b>　　( ) ( )</b></p><p>　　V ∝ I t n n (2-5)</p><p><b>　　p 0

118、</b></p><p><b>　　z</b></p><p><b>　　這里</b></p><p>　　α 和α 是兩種組織的微波吸收系數(shù)。</p><p><b>　　t n</b></p><p>　　式(2-5)表明, 壓電信號

119、決定于入射脈沖能量和生物組織的位置。入射</p><p>　　脈沖能量越大，所檢測到的壓電信號越大；生物組織的位置越深則檢測到的</p><p><b>　　壓電信號越小。</b></p><p>　　下面對熱聲信號的幅值進行估算。參照IEEE標(biāo)準(zhǔn)[25]，微波照射人體的安</p><p>　　全上限為10mW/cm2，

120、對單個部位照射時可放寬到20mW/cm2。這里以照射強</p><p><b>　　-20-</b></p><p>　　第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　度20mW/cm2，脈寬0.5μs，重復(fù)周期1000Hz來估算壓電信號的幅值。</p><p>　　對于球面波和平面波有：</p><

121、p>　　I = p2 / ρ ?v (2-6)</p><p>　　式中 I 為熱聲信號的聲能量，p 為聲壓，ρ為介質(zhì)密度，v 為熱聲信號在</p><p>　　介質(zhì)中的傳播速度。以人體軟組織為例（ρ ≈1016kg / m3 ，v ≈1500m/ s ），</p><p>　　假設(shè)在理想的情況下，微波在靠近微波源一端的組織表面很短的距離內(nèi)全部</p&g

122、t;<p>　　被組織吸收，并且微波的全部能量都轉(zhuǎn)化為熱聲能量，則計算單個脈沖激勵</p><p><b>　　出的熱聲壓為：</b></p><p><b>　　I 20×10</b></p><p><b>　　?3</b></p><p>　　P

123、= × ρ ?v ≈ ×1016?1500 ≈ 552Pa (2-7)</p><p>　　1000 1000 10 4</p><p><b>　　× ?</b></p><p>　　實驗用的傳感器在 1MHz 頻率的靈敏度最高，為 0.91μV / Pa ，則檢測到</p><p>&l

124、t;b>　　的壓電信號最大為</b></p><p><b>　　V V</b></p><p>　　p = 552×0.91= 502.32μ (2-8)</p><p>　　實際熱聲能量的轉(zhuǎn)換過程為：組織吸收微波能量溫度升高，引起彈性膨</p><p>　　脹，產(chǎn)生機械振動而轉(zhuǎn)換為聲能。這

125、樣的過程轉(zhuǎn)換效率不可能很高，而且超</p><p>　　聲傳感器在頻帶范圍內(nèi)其他頻率的靈敏度還會低一些，同時式(2-5)表明壓</p><p>　　電信號的大小還決定于吸收系數(shù)和探測深度。因此，實驗中所得到的壓電信</p><p>　　號幅值要比 502.32μV 小得多，隨著探測位置的不同可能只有幾十微伏，甚</p><p><b&g

126、t;　　至幾微伏。</b></p><p><b>　　熱聲信號頻率估計</b></p><p><b>　　文獻</b></p><p>　　[25]中報道采用脈寬0.5μs的脈沖照射組織時，激發(fā)出來的熱聲信號</p><p>　　頻率為2MHz左右，隨著脈寬的增大，頻率減小。本課題組