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　　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。

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简介

1.2空间分辨率

1.3多波段成像

1.4波和波的产生

1.5波和波的标记

1.6波到波的成像：弹性图

1.7超声速剪切成像中的超分辨率

1.8临床应用

1.9总结

参考文献

第2章散斑干涉法和非线性方法成像

2.1概述

2.2散斑干涉法

2.2.1简介

2.2.2拉贝瑞方法

2.2.3诺克斯汤普森方法

2.2.4相位差计算的重要性

2.2.5二维空间拉贝瑞和诺克斯汤普森方法

2.2.6散斑干涉法的其他改进

2.3非线性成像

2.3.1简介

2.3.2偏差（平方差）或差

2.3.3基于傅里叶变换的方法

2.3.4傅里叶方法：如何创建一个图像

2.3.5傅里叶变换：使用的问题

2.3.6基于希尔伯特变换的方法

2.4总结

参考文献

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

3.1概述：生物组织超声波显微镜的基本概念

3.2声波速率剖面

3.2.1基本原理

3.2.2被观察的样本

3.2.3试验性的设置和已获得的信号

3.2.4声波速率的计算

3.2.5二维声波速率剖面图

3.2.6更高空间分辨率上的尝试

3.3声阻抗剖面

3.3.1基本原理

3.3.2试验布置

3.3.3观测样本

3.3.4采集的信号

3.3.5特征声阻抗的校准［3］

3.3.6大鼠的小脑皮质观察［4］

3.3.7细胞尺寸观察［5］

3.3.8商用设备

3.4总结

参考文献

第4章便携式超声波成像设备

参考文献

第5章高频超声波系统用于高分辨率测距和成像

5.1概述

5.2高频超声波系统组成

5.2.1超声波回声系统

5.2.2发射器和接收器组成的高频超声波回声系统

5.2.3光谱和距离分辨率属性

5.2.4脉冲传输性能的测量和优化

5.2.5距离分辨率优化：逆回波信号的滤波

5.2.6平面波传播过程中声波散射参数的测量

5.3高频超声波成像的工程概念

5.3.1单元素传感器B扫描技术

5.3.2横向分辨率化

5.3.3限制角度空间合成

5.3.4多向组织特征描述

5.4生物医学应用中的高频超声波成像

5.4.1皮肤成像

5.4.2小动物的成像技术

5.5总结

参考文献

第6章基于阵列技术的定量化声学显微镜方法

6.1概述

6.2测量漏波的速度和衰减

6.3测量体波速度和样本厚度

6.4总结

参考文献

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

7.1简介

7.1.1什么是黑色素瘤

7.1.2如何诊断黑色素瘤

7.1.3活检存在的问题

7.1.4当前研究的目标

7.2适用于声学显微镜中声波传播的5层数理模型

7.3样本准备

7.4数字成像--光学与超声

7.4.1光学图像

7.4.2声成像原理（脉冲回波模式）

7.4.3分辨率

7.4.4声学图像

7.4.5波形分析

7.5高频声学显微镜

7.5.1正常皮肤组织

7.5.2异常皮肤组织

7.5.3声速

7.5.4计算机模拟

7.6总结

致谢

参考文献

第8章病理学新概念--声学显微镜反映的力学特性

8.1简介

8.2声学显微镜原理

8.3应用于细胞成像

8.4应用于硬组织

8.5应用于软组织

8.5.1胃癌

8.5.2心肌梗死

8.5.3肾脏

8.5.4动脉粥样硬化

8.6超声声速显微镜（USM）

8.7关节组织

8.8总结

参考文献

第9章骨骼定量化扫描声学显微镜

9.1简介

9.1.1骨骼的层次结构及其特性

9.1.2多种尺度弹性性质的相关性

9.1.3测量原理的历史

9.2基于定量化SAM的骨骼声阻抗

9.2.1理论

9.2.2时间解析测量

9.2.3时间门控幅度检测测量

9.3组织矿化、声阻抗和劲度

9.4纳米级（薄层）的弹性各向异性

9.5微米级（组织）的弹性各向异性

9.6在肌肉骨骼研究中的应用

9.7总结

参考文献

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

10.1简介

10.2建模阵列数据

10.2.1简介

10.2.2超声阵列数据的射线描述

10.2.3超声阵列数据的数学模型

10.3一维阵列成像方法

10.3.1后处理中的经典波束形成成像方法

10.3.2全聚焦方法

10.3.3波数方法

10.3.4反向传播方法

10.3.5成像方法的理论比较

10.3.6计算负载

10.3.7聚焦性能

10.3.8实例

10.4二维阵列成像

10.4.1二维阵列布局优化

10.4.2二维阵列布局的实验对比

10.5散射矩阵及其实验提取

10.5.1概念

10.5.2逆向成像

10.5.3散射矩阵的提取

10.6缺陷特性化与测量

10.6.1裂缝测量

10.6.2实验结果

10.7总结

参考文献

第11章超声力和相关的显微镜

11.1简介

11.2机械二极管检测

11.3实验UFM的实现

11.4UFM对比理论

11.5对比硬度的量化测量

11.6UFM图库

11.7图像解释：附着和表面效应

11.8超级润滑

11.9表面下面的缺陷

11.10时间分辨的纳米尺度现象

致谢

参考文献

第12章超声原子力显微镜

12.1简介

12.2原理

12.2.1来自于基座的悬臂梁受力振动

12.2.2量化信息、方向控制和谐振频率跟踪

12.2.3悬臂梁刚度的有效增强

12.2.4避免塑性变形的标准

12.3理论

12.3.1概览

12.3.2硬度和Q因数的线性分析

12.3.3近表面成像的线性理论

12.3.4适当负载的优势

12.3.5谱的非线性分析

12.3.6杜芬模型

12.3.7双节点数字模型

12.4仪器

12.5试验

12.5.1探针和试样接触的非线性因素的规避

12.5.2UAFM和UFM之间的关系

12.5.3弹性的量化评测

12.6分层材料中缺陷观察

12.6.1石墨烯片中的缺陷

12.6.2二硫化钼中的错位

12.6.3差分负载下的错位行为分析

12.6.4可变应用负载下的错位运动分析

12.6.5错位的可逆长范围运动模型

12.6.6微电子和机械装置中的分层

12.7总结

参考文献

第13章声学近场成像

13.1近场成像原理

13.1.1早先的声学近场成像系统

13.2近场声学成像和原子力显微镜

13.2.1力调制

13.2.2局部加速显微镜

13.2.3脉冲力显微镜

13.2.4原子力声学显微镜或AFM接触谐振成像

致谢

参考文献

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前言

　　译者序

　　成像技术与声学显微技术已经渗透到生活的每个角落，在航天、军事、生物等诸多领域具有广阔的应用前景。高分辨率成像在智能交通、工业检测等领域具有重要的研究和应用价值，应用系统通常需要高分辨率成像进行目标监测、高精度的过程分析、精密仪器的自动控制等。从车牌识别到微小肿瘤检测到安全监控，通常需要高分辨率图像作为输入，获取有价值信息。获得高分辨率图像有两种方式：提高硬件性能直接获取高清图像，通过信号处理方式利用低分辨率图像生成高清图像。声学显微技术也在医学、海洋探测、地质勘查等领域取得了重要的应用价值，新应用推动了声学显微技术的发展。提高显微成像分辨率，受到光学、电子器件、噪声等多方面的影响。鉴于此，有必要向读者介绍成像的原理、机制和应用，同时本书还介绍了高分辨率成像和光学显微技术的技术，包括在生物和材料领域的进展和应用。

　　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。全书分为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。其中，第1章介绍多波段成像方法和弹性成像技术；第2章主要介绍散斑干涉法和非线性成像方法；第3章解释生物软组织超声波显微镜的基本概念，以及原理和应用；第4章介绍便携式超声波成像设备；第5章描述高频超声波系统的基本原理，并介绍其在高分辨率测距和成像中的应用；第6章介绍基于阵列方法的定量化声学显微成像技术；第7章描述采用声学显微技术的厚切片黑色素瘤皮肤组织的反差机制研究；第8章探讨声学显微技术提供的病理—系统学的新概念；第9章讲述声学显微技术的定量化扫描技术；第10章介绍采用后处理方法的阵列成像技术以及缺陷、瑕疵的刻画与描述；第11章介绍超声力与相关的显微技术；第12章介绍超声原子力的显微成像技术；第13章介绍声学近红外成像技术。

　　本书由王玲芳统稿并校对，李永负责翻译第1～5章，李平负责翻译第6～9章，张武负责翻译第10～13章。在翻译过程中，荆晶、陈晓阳、乔伟、李扬、杨仁杰、杨光熙、吴文焘、宁军、张鑫、郝惠宁、肖春虹、肖芝树、姜占云、马俊婷等同志参加了部分的翻译工作，在此表示感谢。同时感谢机械工业出版社，感谢出版社的编辑和相关同志。另外，感谢声学成像和显微技术领域的先驱者、实践者和研究人员。

　　不过，需要指出的是，本书的内容仅代表作者个人的观点和见解，并不代表译者及其所在单位的观点。另外，由于翻译时间比较仓促，疏漏错误之处在所难免，敬请读者原谅和指正。

　　译者

　　2015年夏于北京原书序

　　尽管一幅图像胜过千言万语，在科学上一个图像常常是有问题的。成像技术主要是基于操纵光学波，但是由于光学不能提供我们需要的所有信息，在20世纪我们转向其他技术。现在，声成像是一个整体，也是我们“看”的能力中不可分割的重要部分。尽管超声波图像不会提供在核磁共振图像或者X射线方法中找到的细节，声成像系统在只有核磁共振成像1/10的成本情况下，提供了重要的信息，并且拥有对病人的健康完全安全这一额外的优势。对于从人体内部获取数据，以及描述肌肉和软组织中的固体和空隙之间的接口，这种形式的成像尤其有用。超声渲染动态图像，操作员可以动态地选择重要的部分来记录结构的变化，并对病人没有长期的副作用。在19世纪60年代早期，高分辨率声学成像系统的引入促进了非透明固体内部微观结构和内部应力检测的检测。除了测量弹性性能，这项技术也用来检测多层结构的黏性，还有很多其他的应用。声学显微术不仅成为物理学、生物学和工艺的许多领域广泛应用的一种新的成像方法，而且成为对不同物种和材料的微观结构定量表征的一种新的、有效的工具。

　　在物理学、生物学和工艺领域，为描述显微结构材料特性的浓缩物质和各种应用的学术研究中，高分辨率超声波成像的作用迅速增加。超声波成像的整个原始物理频谱和方法论方法引起了先进技术质量的重要进步。新一代超声波成像系统设备继续减少尺寸，不久将进入袖珍维度的领域。新型传感器材料，包括高级复合材料和近应用在先进的阵列解决方案中的MEMS，也导致了超声波成像系统设计的实质性变化。

　　本书的目标是提供高分辨率超声波成像技术以及其应用在生物材料和工业材料中进展的概述。本书中，我们有幸进行了一个独特的论文收集，这些论文显示了世界范围内主要研究团队研发的先进的结果和技术。

　　过去的几年里，先进的物理解决方案，包括自适应方法领域和逆向问题创新方法的新结果、基于高谐波成像算法的初始概念和有趣的噪声振动成像和噪声模型技术，在许多工业材料和生物材料的研究中已被成功地引入和证实。有趣的科学讨论将上述提到的传统学术和超声波成像研究的实用途径结合起来，近出现在各个领域，并有希望在未来继续取得成果。

　　本书提供了一些著名学者的研究新成果和高分辨率成像系统的新应用，这些学者致力于先进的物理原理、新方法或者目前成像设备的现代技术解决方案实现的发展。我相信本书将帮助鼓励这一领域更多的研究和发展来认识高分辨率声成像和其在工业和生物医学中各种应用的巨大潜力。我真诚地希望你会喜欢阅读这些激动人心的研究成果。

　　后，我感谢我所有的同事，这本书的杰出贡献者，以及合著者，这些合著者分享自己研究成果和见解，给了本书一个独特的视角和声音。我还想感谢萨贝娜·芭瑞妮珂在本书准备过程中宝贵的援助，尤其是将每一个受人尊敬的学者的所有手稿收集在一起的艰巨任务。但是她做到了，并做得非常好！

　　毫无疑问，如果没有家人的支持，没有我妻子艾琳娜·玛伊娃及我的孩子安娜和格里戈里的理解和耐心，我不可能完成这本书。她们原谅我对她们的疏忽和我在本书工作时的全神贯注。

　　非常感谢大家！

　　Roman GrMaev

　　加拿大安大略省温莎市