因为关节结构的复杂性和疾病的多样性,关节疾病的诊断一直是一个复杂的问题。且对于关节疾病和骨病,一旦病情发展到骨质的破坏,那么致残的进程则不可逆转。因此尽早确诊,对症干预治疗和疗效监测非常重要。当前临床影像学检测手段,如X线成像,计算机体层成像,超声成像,磁共振成像等,在评估关节疾病和骨病时均存在各自的优缺点。X线成像和计算机体层成像具有良好显示骨结构的优点。然而,它们对软组织的变化不敏感且使用电离辐射。超声成像是非电离的,对软组织有很好的评价。然而,超声成像难以显示软骨下骨的异常。磁共振成像具有较高的灵敏度、特异性和准确性,因此它是一种评估关节异常(包括软组织异常和骨异常)强有力的方法。然而,磁共振成像价格昂贵,在评估滑膜炎时涉及到造影剂的应用,可能不适用于疾病的长期、常规监测。综上,发展一种可协助此类疾病尽早确诊的,以及长期常规监测的新型影像学检测技术具有较大的临床意义。微波热声成像技术,是一种非入侵和非电离的新型医学成像方法。短脉冲微波辐射生物组织,生物组织吸收微波能量后热致伸缩产生超声波即热声信号,由热声信号重建出的图像则谱写了生物组织对微波吸收的分布。在此过程中,热声成像融合了微波成像高对比度、深穿透深度和超声成像高分辨率的优点。且热声成像便携易操作,至今已经被应用到乳腺癌检测,异物检测、脑成像、分子影像和血管成像等领域。针对临床关于诊断关节疾病和骨病的需求,本论文首次将微波热声成像技术应用到关节疾病及骨病检测。在体兔正常膝关节轴位热声图像证实了热声成像可以呈现具体的关节组织包括骨和多种软组织。在体人正常手指指间关节轴位热声断层扫描高保真地重建了各种解剖结构,人病态指间关节热声成像模拟实验为关节疾病和骨病的临床试点研究提供了进一步的指导。小型化四通道人指间关节热声成像系统的搭建方便了临床试点研究的进行,初步的临床试点研究证明了热声成像检测和辨别关节疾病的能力。反相位微波辐射方法克服了传统微波辐射场分布不均匀的缺点,从而提高了对关节中肌腱和骨的检测能力。开展了热声成像监测大鼠骨质疏松形成的实验研究,探索了骨质疏松形成的生理变化机制。本论文的工作为微波热声成像技术临床应用于关节疾病和骨病的检测和监测奠定了基础。本论文的工作内容:1、基于现有的实验室系统,分析了关节热声成像的可行性,并进行了离体兔正常膝关节轴位和冠状位的热声成像实验,对可行性进行了一定程度的验证。确定专注轴位成像以更好地显示多种组织,进而设计了在体兔正常膝关节轴位热声成像的支架,对数个兔膝关节进行热声成像,并用解剖图验证热声成像结果。结果表明,在多个膝关节组织的形状和大小方面,重建的热声图像与膝关节解剖图片有很高的相似性,可以清晰地显示不同的关节组织。2、为了更快地向临床试点研究推进,对在体人正常手指指间关节进行了微波热声成像。对一根手指进行了冠状位、矢状位和轴位的热声成像尝试,确定关注轴位成像以更好地显示多种组织,设计了指间关节轴位热声成像的支架。然后使用线聚焦探头进行了多根完整手指的轴位热声断层扫描,并采用轴位T1加权磁共振成像(3.0T)验证热声成像结果。对所有手指图像进行二维热声和磁共振对比分析,发现各种关节内和关节外组织高保真地显示在热声图像中。此外,还构建了人病态指间关节模型进行热声成像数值模拟实验,以展示热声成像如何用于检测关节疾病。3、为了方便临床试点研究,搭建了小型化四通道在体人指间关节微波热声成像系统。此系统可以实现快速的完整指间关节成像,可以使得被试者更加舒适,并方便移动。此系统已经用于临床试点研究,前期的实验结果表明,热声成像可以定位类风湿性关节炎的病灶和银屑病关节炎的病灶,呈现关节炎的不同病程阶段,并区分两种关节炎。4、提出并搭建了一种基于反相位微波辐射的新型热声成像系统。与传统的喇叭天线或波导辐射、同相位微波辐射相比,反相位微波辐射能在关节组织内产生相对均匀的电场分布,均匀电场分布可以增强完全描绘关节中肌腱和骨的能力,来克服传统微波辐射的局限性。5、对在体大鼠胫骨骨质疏松进行了微波热声成像实验研究。对骨质疏松热声成像进行了可行性分析。然后选定用于分析的成像层面,设计大鼠固定支架以满足在体胫骨成像,确定分析方法和造模方法,从而制定了热声成像监测骨质疏松形成的实验方案。在模型形成的时间里,对数只模型大鼠和假手术大鼠进行热声成像监测,并在热声成像监测完成后用微计算机断层扫描技术验证模型组和假手术组。分析表明,模型形成过程中,数只模型大鼠胫骨归一化热声信号强度在不同的监测时间点存在相似的升高和降低,而假手术组大鼠胫骨归一化热声信号强度呈上升趋势。