短电磁脉冲下的微波致热超声机理及参数反演方法研究

Research on mechanism and imaging method of short pulse microwave induced thermo-acoustic tomography attracts a widespread concern in the biomedical fields. It has become an important research topic in the electromagnetic and signal processing fields inland and abroad. The current existing research of microwave induced thermo-acoustic tomography focuse on two key directions-microwave excitation and the reconstruction methods. Short pulses can significantly improve image resolution, but the thermo-acoustic signal propagation and imaging are also affected by heterogeneous biological tissue. Shorter pulse excitation leads to wider bandwidth of thermo-acoustic signal, and the higer sampling rate. Thus the amount of data need to be processed increased. To this end, the microscopy model and the quantitative relationship between the input microwave pulse and the output thermo-acoustic signal are established. Meanwhile, the inversion imaging algorithms under the assumption of inhomogeneous medium are proposed with the reconstructed medium distributions. Finally, the experimental researches are carried out, aiming to grasp key technologies and methods of the short microwave pulse MITAT.This project will establish the theoretical and technical basis for the clinical application of MITAT.

短电磁脉冲下的微波致热超声机理及参数反演方法研究，在生物医学领域受到了广泛的关注，它已成为国内外电磁场和信号处理研究领域的一个重要方向。现有微波致热超声成像领域的研究进展表明其研究主要集中在热声信号的微波激发研究及热声源反演成像算法两个关键方向上。短脉冲可大幅提高成像分辨力，但同时也使得生物组织的非均匀特性对其中声信号传播及成像的影响越发明显。更短的脉冲激励会导致带宽更宽的热声信号，信号采样率也需随之增加，进而使得需处理的数据量大增。为此，针对短电磁脉冲下非均匀介质对微波致热超声图像的影响，通过建立微观模型及热声信号与输入脉冲之间的定量关系，提出非均匀介质下的反演成像算法，得到精确的参数分布，再结合相应的快速算法得到高分辨率的热声图像。在此基础上开展实验研究，掌握短电磁脉冲下MITAT成像的关键技术和方法，对肿瘤目标位置和信息正确高效地成像，为MITAT的临床应用研究奠定基础。

短电磁脉冲下的微波致热超声机理及参数反演方法研究，在生物医学领域受到了广泛的关注，它已成为国内外电磁场和信号处理研究领域的一个重要方向。现有微波致热超声成像领域的研究进展表明其研究主要集中在热声信号的微波激发研究及热声源反演成像算法两个关键方向上。短脉冲可大幅提高成像分辨力，但同时也使得生物组织的非均匀特性对其中声信号传播及成像的影响越发明显。更短的脉冲激励会导致带宽更宽的热声信号，信号采样率也需随之增加，进而使得需处理的数据量大增。为此，本项目针对短电磁脉冲下非均匀介质对微波致热超声图像的影响，主要提出了：1）基于目标分布特性的复杂介质中的微波致热超声成像算法；2）基于乳房多物理场K-means聚类方法的微波致热超声成像算法；3）基于统计重构的微波致热超声成像算法；4）基于高效字典的压缩感知模型用于微波致热超声成像算法；5）基于高斯混合模型的声速自聚焦微波热声成像算法。此外，短电磁脉冲作用下的微波致热超声效应机理研究部分，主要利用了两种微波脉冲激励同一目标，对比了热声信号的脉宽和频谱并用同一重构算法进行成像对比，分析不同微波脉冲对微波热声效应和成像质量的影响。该项目研究了短电磁脉冲下MITAT成像的关键技术和方法，对肿瘤目标位置和信息正确高效地成像，为MITAT的临床应用研究奠定基础。