含不同物理特性肿瘤的生物组织中光声信号研究

论文摘要

本文针对含肿瘤的生物组织中激光在热弹机制下激发超声波的机制及影响因素问题开展理论和实验研究。肿瘤的弹性模量、光吸收系数和尺寸作为影响因素,分别引入理论和实验研究的模型之中。在考虑组织的热传导效应、热弹效应以及激光在生物组织中的光穿透效应的前提下,建立了生物组织中激光激发超声波的模型,得到了温度场分布和超声力源分布。研究了肿瘤弹性模量对超声波的产生和传播过程的影响。结果表明,组织中的最大压应力与肿瘤弹性模量呈线性正相关；光声信号波形的半高宽及上升时间与肿瘤的弹性模量呈负相关；光声信号频谱的高频成分与肿瘤弹性模量正相关。由此提出了在生物组织光声成像系统中,有可能且有必要将弹性模量也作为成像参数,与光吸收系数参数相辅相成,提高成像系统对肿瘤的识别诊断率。分析了肿瘤光吸收系数对超声力源、波形及频谱的影响。结果表明,当肿瘤组织光吸收系数大于周围组织时,肿瘤的光吸收系数与光声信号的幅值正相关,此结果与现有光声成像中两者之间关系结论相符。同时发现了肿瘤光吸收系数还对信号的极性有影响,在纯脂肪组织中光声信号呈现单极性,而在含光吸收较大肿瘤的生物组织中光声信号呈现双极性。在综合考虑肿瘤物理参数与正常组织差异的情况下,得到了肿瘤尺寸对光声信号波形的影响,从而提出了光声信号幅值不仅与肿瘤光吸收系数有关,信号的正值区域幅值还与肿瘤尺寸正相关；在综合分析肿瘤弹性模量和尺寸对光声信号影响的基础上,对现有研究中光声信号持续时间与肿瘤尺寸的关系进行了修正,同时给出了光声信号到达时间和持续时间与肿瘤弹性模量和尺寸的关系表达式,通过对这两个时间参数提取,可得到肿瘤弹性模量和尺寸具体数值。本文的研究结果,可以为进一步推进生物组织光声成像方法和技术的研究提供理论指导和实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 医学影像学的发展现状
• 1.3 光声成像技术的优点
• 1.4 光声成像技术国内外研究现状
• 1.5 研究意义和研究内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 光声成像基本原理和有限元方法
• 2.1 光声信号的产生及接收
• 2.1.1 光声信号产生原理
• 2.1.2 光声信号探测方法
• 2.2 光声信号产生和传输的机理
• 2.3 激光热弹超声的有限元方程和求解方法
• 2.3.1 有限元方法简介
• 2.3.2 瞬态热传导方程有限元解法
• 2.3.3 热弹性方程的有限元解法
• 2.4 本章小结
• 3 含不同弹性模量肿瘤生物组织中光声信号研究
• 3.1 生物组织中激光热弹方程具体形式
• 3.1.1 热传导理论
• 3.1.2 热弹性方程
• 3.1.3 弹性模量与超声波波速关系
• 3.2 激光和组织参数及有限元模型
• 3.3 含不同弹性模量肿瘤的生物组织中瞬态温度场
• 3.4 含不同弹性模量肿瘤的生物组织中瞬态应力场
• 3.5 含不同弹性模量肿瘤的生物组织中激光激发的超声波
• 3.5.1 肿瘤弹性模量对超声波波速的影响
• 3.5.2 肿瘤弹性模量对超声波波形的影响
• 3.5.3 肿瘤弹性模量对超声波频谱的影响
• 3.6 实验结果及讨论
• 3.7 本章小结
• 4 含不同光吸收肿瘤生物组织中光声信号研究
• 4.1 激光和组织参数
• 4.2 含不同光吸收肿瘤的生物组织中瞬态温度场
• 4.3 含不同光吸收肿瘤的生物组织中瞬态应力场
• 4.4 含不同光吸收肿瘤的生物组织中激光激发的超声波
• 4.4.1 肿瘤光吸收对超声波波形的影响
• 4.4.2 肿瘤光吸收对超声波频谱的影响
• 4.5 实验结果及讨论
• 4.6 本章小结
• 5 含不同尺寸肿瘤生物组织中光声信号研究
• 5.1 激光和组织参数及有限元模型
• 5.2 含不同尺寸肿瘤的生物组织中瞬态温度场
• 5.3 含不同尺寸肿瘤的生物组织中瞬态应力场
• 5.4 含不同尺寸肿瘤生物组织中激光激发的超声波
• 5.4.1 肿瘤尺寸对超声波到达时间的影响
• 5.4.2 肿瘤光吸收和尺寸对超声波峰值影响的对比分析
• 5.4.3 肿瘤弹性模量和尺寸对超声波持续时间影响的对比分析
• 5.4.4 肿瘤弹性模量和尺寸的判别方法
• 5.4.5 肿瘤尺寸对超声波频谱的影响
• 5.5 实验结果及讨论
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录