声学显微镜与超分辨率成像理论及应用

书籍目录

译者序

原书序

第1部分基础

第1章从多波段成像到弹性成像1

1.1简介1

1.2空间分辨率1

1.3多波段成像2

1.4波和波的产生3

1.5波和波的标记3

1.6波到波的成像：弹性图4

1.7超声速剪切成像中的超分辨率9

1.8临床应用10

1.9总结14

参考文献14

第2章散斑干涉法和非线性方法成像16

2.1概述16

2.2散斑干涉法17

2.2.1简介17

2.2.2拉贝瑞方法17

2.2.3诺克斯汤普森方法20

2.2.4相位差计算的重要性23

2.2.5二维空间拉贝瑞和诺克斯汤普森方法23

2.2.6散斑干涉法的其他改进24

2.3非线性成像24

2.3.1简介24

2.3.2偏差（平方差）或绝对差25

2.3.3基于傅里叶变换的方法25

2.3.4傅里叶方法：如何创建一个图像27

2.3.5傅里叶变换：使用的问题27

2.3.6基于希尔伯特变换的方法28

2.4总结32

参考文献32

第2部分先进成像技术和方法的新发展

第3章生物软组织定量超声波显微镜的原理与应用33

3.1概述：生物组织超声波显微镜的基本概念33

3.2声波速率剖面34

3.2.1基本原理34

3.2.2被观察的样本34

3.2.3试验性的设置和已获得的信号34

3.2.4声波速率的计算35

3.2.5二维声波速率剖面图38

3.2.6更高空间分辨率上的尝试39

3.3声阻抗剖面41

3.3.1基本原理41

3.3.2试验布置42

3.3.3观测样本42

3.3.4采集的信号43

3.3.5特征声阻抗的校准［3］43

3.3.6大鼠的小脑皮质观察［4］44

3.3.7细胞尺寸观察［5］46

3.3.8商用设备47

3.4总结48

参考文献48

第4章便携式超声波成像设备49

参考文献64

第5章高频超声波系统用于高分辨率测距和成像65

5.1概述65

5.2高频超声波系统组成66

5.2.1超声波回声系统66

5.2.2发射器和接收器组成的高频超声波回声系统67

5.2.3光谱和距离分辨率属性68

5.2.4脉冲传输性能的测量和优化69

5.2.5距离分辨率优化：逆回波信号的滤波70

5.2.6平面波传播过程中声波散射参数的测量72

5.3高频超声波成像的工程概念74

5.3.1单元素传感器B扫描技术74

5.3.2横向分辨率最优化75

5.3.3限制角度空间合成78

5.3.4多向组织特征描述80

5.4生物医学应用中的高频超声波成像82

5.4.1皮肤成像82

5.4.2小动物的成像技术83

5.5总结85

参考文献85

第6章基于阵列技术的定量化声学显微镜方法90

6.1概述90

6.2测量漏波的速度和衰减90

6.3测量体波速度和样本厚度103

6.4总结110

参考文献110

第3部分前瞻性生物医学应用

第7章厚切片黑色素瘤皮肤组织声学显微镜图像中的反差机理研究113

7.1简介113

7.1.1什么是黑色素瘤113

7.1.2如何诊断黑色素瘤114

7.1.3活检存在的问题114

7.1.4当前研究的目标115

7.2适用于声学显微镜中声波传播的5层数理模型116

7.3样本准备118

7.4数字成像——光学与超声119

7.4.1光学图像119

7.4.2声成像原理（脉冲回波模式）121

7.4.3分辨率123

7.4.4声学图像124

7.4.5波形分析126

7.5高频声学显微镜129

7.5.1正常皮肤组织129

7.5.2异常皮肤组织130

7.5.3声速131

7.5.4计算机模拟132

7.6总结136

致谢137

参考文献137

第8章病理学新概念——声学显微镜反映的力学特性139

8.1简介139

8.2声学显微镜原理140

8.3应用于细胞成像141

8.4应用于硬组织143

8.5应用于软组织144

8.5.1胃癌144

8.5.2心肌梗死144

8.5.3肾脏146

8.5.4动脉粥样硬化147

8.6超声声速显微镜（USM）149

8.7关节组织150

8.8总结152

参考文献152

第9章骨骼定量化扫描声学显微镜155

9.1简介155

9.1.1骨骼的层次结构及其特性155

9.1.2多种尺度弹性性质的相关性156

9.1.3测量原理的历史157

9.2基于定量化SAM的骨骼声阻抗160

9.2.1理论160

9.2.2时间解析测量162

9.2.3时间门控幅度检测测量164

9.3组织矿化、声阻抗和劲度165

9.4纳米级（薄层）的弹性各向异性167

9.5微米级（组织）的弹性各向异性169

9.6在肌肉骨骼研究中的应用170

9.7总结171

参考文献172

第4部分高级材料应用

第10章基于后处理方法的阵列成像和缺陷特征化175

10.1简介175

10.2建模阵列数据178

10.2.1简介178

10.2.2超声阵列数据的射线描述179

10.2.3超声阵列数据的数学模型182

10.3一维阵列成像方法184

10.3.1后处理中的经典波束形成成像方法185

10.3.2全聚焦方法185

10.3.3波数方法186

10.3.4反向传播方法187

10.3.5成像方法的理论比较188

10.3.6计算负载189

10.3.7聚焦性能190

10.3.8实例190

10.4二维阵列成像192

10.4.1二维阵列布局优化192

10.4.2二维阵列布局的实验对比195

10.5散射矩阵及其实验提取197

10.5.1概念198

10.5.2逆向成像198

10.5.3散射矩阵的提取200

10.6缺陷特性化与测量201

10.6.1裂缝测量201

10.6.2实验结果203

10.7总结205

参考文献206

第11章超声力和相关的显微镜209

11.1简介209

11.2机械二极管检测210

11.3实验UFM的实现211

11.4UFM对比理论214

11.5对比硬度的量化测量217

11.6UFM图库218

11.7图像解释：附着和表面效应221

11.8超级润滑223

11.9表面下面的缺陷224

11.10时间分辨的纳米尺度现象226

致谢230

参考文献230

第12章超声原子力显微镜233

12.1简介233

12.2原理233

12.2.1来自于基座的悬臂梁受力振动233

12.2.2量化信息、方向控制和谐振频率跟踪234

12.2.3悬臂梁刚度的有效增强234

12.2.4避免塑性变形的标准234

12.3理论236

12.3.1概览236

12.3.2硬度和Q因数的线性分析236

12.3.3近表面成像的线性理论238

12.3.4适当负载的优势240

12.3.5谱的非线性分析240

12.3.6杜芬模型240

12.3.7双节点数字模型242

12.4仪器243

12.5试验244

12.5.1探针和试样接触的非线性因素的规避244

12.5.2UAFM和UFM之间的关系245

12.5.3弹性的量化评测246

12.6分层材料中缺陷观察246

12.6.1石墨烯片中的缺陷246

12.6.2二硫化钼中的错位249

12.6.3差分负载下的错位行为分析250

12.6.4可变应用负载下的错位运动分析250

12.6.5错位的可逆长范围运动模型252

12.6.6微电子和机械装置中的分层253

12.7总结254

参考文献254

第13章声学近场成像256

13.1近场成像原理256

13.1.1早先的声学近场成像系统256

13.2近场声学成像和原子力显微镜258

13.2.1力调制259

13.2.2局部加速显微镜260

13.2.3脉冲力显微镜260

13.2.4原子力声学显微镜或AFM接触谐振成像260

致谢273

参考文献274

作者简介

本书从成像原理出发，介绍先进的成像技术，讲述了声学显微成像技术的原理和方法，介绍了生物领域成像的发展与应用，以及材料领域成像机制与应用。本书分为4部分：第1部分包括第1章和第2章，介绍了成像的基本原理；第2部分包括第3章～第6章，介绍了先进的成像技术和方法的新发展；第3部分包括第7章～第9章，介绍了先进的生物成像应用；第4部分包括第10章～第13章，介绍了先进的材料成像应用。

本书可作为成像技术的学习者、爱好者的学习用书，同时可作为成像技术研究人员、工程师和管理人员的参考用书。

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