基于微波热声层析成像定量重建生物组织电导率的改进方法

目的生物电磁学参数中的电导率与组织的功能性信息直接相关,精准重建生物组织电导率在医学成像技术和医学诊断领域中有着重要意义。本文改进定量微波热声层析成像(microwave-induced thermoacoustic tomography,MTAT)算法,使组织电导率的重建精度提高。方法本文在利用有限元离散法求解热声波动方程和亥姆霍兹方程的基础之上,提出了一种基于正则化牛顿迭代法(regularized Newton iteration method,RNIM)定量重建组织电导率的改进方法。结果通过数值模拟实验和含不同浓度NaCl溶液的仿体实验,验证了算法改进的有效性。组织仿体实验结果表明,目标在不同位置、不同大小、不同对比度情况下,相比于定量微波热声层析成像采用拟合(fitting)的方法,采用正则化牛顿法定量重建的仿体电导率相对误差明显降低,重建目标精度提高。在仿体实验中采用RNIM方法重建相同浓度的单目标在不同位置的电导率变化幅度更小,以及重建多目标电导率的相对比值与实际更接近,实验结果验证了改进方法的稳定性。结论研究结果表明优化算法能更加准确地定量重建组织仿体的电导率,这对于肿瘤的定位和分期的早期筛查及精准诊疗,预防疾病恶化具有重要意义。

顶喷流化床加湿-干燥过程微波层析成像测量

流化床反应器进行药物颗粒混合、制粒和干燥工序中,颗粒含水率通常会在大范围(1%～25%)内变化。为优化生产过程,避免故障发生,需要对流化床内湿颗粒流动进行实时监测。微波层析成像(Microwave Tomography,MWT)技术具有较宽的工作频段,适用于高介电常数和高电导率介质的测量。本文利用16个天线微波层析成像传感器对顶喷流化床加湿-干燥过程进行层析成像测量,得到了不同实验条件下颗粒含水率变化曲线和截面颗粒分布图像。实验结果显示,通过对平均介电常数-颗粒含水率关系的标定,可以准确地在线测量颗粒含水率。同时,微波成像揭示了被测截面颗粒分布特征。在此基础上,结合流化床内压差数据对加湿-干燥过程中颗粒流态变化进行了深入讨论,本研究表明,微波层析成像技术应用于流化床过程监控和关键参数提取具有广泛的前景。

基于微波层析成像的活立木内部缺陷检测

活立木中的腐烂和空洞通常是造成树木倒塌的重要原因,通过检测活立木内部结构来判断木材内部的缺陷。针对此现状,提出基于微波层析成像的活立木内部缺陷检测方法。首先搭建由16个天线组成的微波层析成像系统,在1 GHz的频率下模拟健康木材和两种不同缺陷的木材模型,通过有限元分析软件模拟活立木内部的电场特性,得到用于图像重建的散射场,采用线性反投影图像重建算法重建木材内部的介电常数分布图。然后使用平均结构相似性指数分析重建图像。最后对不同的树干模型和重建图像进行定性和定量分析。仿真结果表明,微波层析成像技术可以利用重建介电常数分布图的可视化效果直接识别缺陷的位置和大小等。

重建Cole-Cole模型参数的时域微波乳腺筛查技术

提出一种时域微波层析成像新技术,分别通过非线性最优化方法、正则化方法、Cole-Cole建模方法,有效地克服了时域微波成像技术在筛查早期乳腺肿瘤出现的成像问题非线性、病态特性及乳腺组织色散特性等困难.在二维的数值算例中,考虑噪声影响,仿真结果初步证实：该技术检测小尺寸乳腺肿瘤是可行的;易于发现浅层肿瘤;且反演静态电导率的精度最高.