CN104257382B - 基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法，属于生物组织电磁参数成像领域。该装置包括电磁波发射线圈、电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式振荡电路；该方法包括：装置初始化；测量生物组织的电磁波传播时间；FPGA通过单片机将生物组织的电磁波传播时间实时上传至终端计算机，终端计算机根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算生物组织各个位置的电磁波传播速度；采用正则化高斯牛顿重建算法(NOSER)对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像；本发明为医学研究和临床提供了一种全新的、简便的、有效的检测手段；相较于传统的医学成像设备具有成本低廉、无辐射的特点。

Description

基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法

技术领域

本发明属于生物组织电磁参数成像领域，尤其涉及基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法。

背景技术

生物组织由细胞组成，细胞由细胞内液、细胞外液和细胞膜组成，且其所处的外环境是细胞外液。生物组织的电磁特性，是指细胞在电磁场的作用下被动的产生极化反应的介电响应特性。由于生物组织结构的特殊性使得其电磁特性也不尽相同，生物组织的电磁特性具有频率依赖的被动特性。生物组织有三种频率段α、β、γ的弛豫，电磁特性在三段频率范围内有显著变化。当不同的频率、不同强度的电磁场作用于生物组织时，会表现出不同的电磁特性。一些病变组织与正常组织的电磁特性有较大的差异。根据生物体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电磁特性，可以通过测量生物组织电磁特性信号来判断所测的组织类型，进一步可以根据电磁特性来推断细胞的生长情况和组织的病变情况。

生物组织电磁特性的检测需要无损的检测方式。目前的电阻抗检测方法面临着成像分辨率不高的问题，影响分辨率的因素不是单一的，无论是测量方法还是成像方法，或者两者的不协调都会对成像结果有影响。而目前的磁感应成像检测方法是对所测生物组织电磁参数进行图像重建的一种无创、无损、无需与被测物体直接接触的新技术，虽然人们对它的研究已经多年，但是其二次磁场测量精度以及成像分辨率的提高困难，距离广泛使用还是有很大差距。电磁波在生物组织内的传播速度与生物组织的介电常数和磁导率等电磁参数具有一定的对应关系，而且已经有学者将电磁波传播速度应用于工程地质勘查中，辅助提高探测溶洞及其充填情况的准确性。但是由于生物组织的尺寸较小，电磁场在生物组织中传播的时间非常短，数量级达到纳秒，用常规方法很难准确测量其传播时间。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法。

本发明的技术方案：

一种基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，包括：电磁波发射线圈、电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式振荡电路；

所述控制单元主要由FPGA、单片机和终端计算机构成；所述单片机与FPGA互连，单片机同时还与终端计算机互连；

所述开放式振荡电路用于通过反复振荡对电磁波在生物组织中传播的时间进行累积，其包括：单稳态触发控制电路、激励信号发射电路、信号调理电路、AGC-整形电路、延时电路和计时电路；

所述单稳态触发控制电路与FPGA互连，同时单稳态触发控制电路的一个输入端连接延时电路的一个输出端，单稳态触发控制电路的一个输出端连接激励信号发射电路的输入端，单稳态触发控制电路的另一个输出端连接计时电路的一个输入端；所述激励信号发射电路的输出端连接电磁波发射线圈，同时激励信号发射电路通过数据总线连接FPGA，单向接收FPGA发送的数据；所述计时电路的另一个输入端连接延时电路的另一个输出端，同时计时电路还与FPGA互连；所述延时电路的输入端连接AGC-整形电路的输出端；所述AGC-整形电路的输入端连接信号调理电路的输出端；所述信号调理电路的输入端连接电磁波接收线圈；

所述电磁波发射线圈用于在激励信号发射电路的驱动下产生能够穿过生物组织的电磁波；

所述电磁波接收线圈用于接收穿过生物组织的电磁波；

所述电磁波发射线圈、电磁波接收线圈分别固定在U形臂的两臂上，两个线圈的相对位置固定不变，且电磁波发射线圈与电磁波接收线圈的轴线在同一水平线上；

所述载物台为圆柱体，其上顶面用于放置待测生物组织，置于U形臂的内腔中，且与U形臂的两臂之间留有相应的间隙；所述载物台置于U形臂的内腔时，其与U形臂的两臂之间的间隙以U形臂不影响载物台转动为原则进行调整。

所述电机单元用于驱动U形臂进行平移运动及载物台进行旋转运动，其包括：平移步进电机用于驱动U形臂进行平移运动；旋转步进电机用于驱动载物台进行旋转运动；

所述电机驱动单元用于驱动电机单元中电机的运行，其包括：平移步进电机驱动电路为所述平移步进电机的驱动电路，用于驱动平移步进电机的平移运行；旋转步进电机驱动电路为所述旋转步进电机的驱动电路，用于驱动旋转步进电机的旋转运行；

U形臂与平移步进电机的输出轴端相连接，所述平移步进电机的电源接入端连接平移步进电机驱动电路的输出端，所述平移步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；

所述载物台与旋转步进电机输出轴端相连接；所述旋转步进电机的电源接入端连接旋转步进电机驱动电路的输出端，所述旋转步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；

所述载物台和U形臂均通过丝杠分别与旋转步进电机的输出轴端和平移步进电机的输出轴端相连接；

最后采用0.5mm厚的铁皮制作封闭式屏蔽外壳，该屏蔽外壳将待测生物组织、载物台、旋转步进电机、U形臂、电磁波发射线圈、电磁波接收线圈和平移步进电机包容在其中，对它们进行电磁屏蔽；

所述的终端计算机内还设置有生物组织电磁参数图像重建模块，用于对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。

采用所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置的生物组织电磁参数成像方法，包括如下步骤：

步骤1：装置初始化；

步骤1.1：从终端计算机发出初始化指令，并通过单片机将该指令传送给FPGA；

步骤1.2：接收到初始化指令后，FPGA控制激励信号发射电路、单稳态触发控制电路、计时电路和延时电路完成初始化工作；

步骤1.2.1：FPGA给激励信号发射电路发送控制信号，设定激励信号发射电路的信号发射频率；

步骤1.2.2：FPGA给单稳态触发控制电路发送复位信号，使单稳态触发控制电路复位；

步骤1.2.3：FPGA给计时电路发送控制信号，先使计时电路复位，然后设置计时电路的输出时钟频率；

步骤1.2.4：FPGA给延时电路发送控制信号，设置延时电路的延时时间；

步骤2：生物组织的电磁波传播时间测量；

步骤2.1：在初始位置，即载物台未进行旋转，U形臂未进行平移，进行生物组织的电磁波传播时间的测量；

步骤2.1.1：终端计算机发出开始测量指令并通过单片机将该指令传送给FPGA；

步骤2.1.2：FPGA发出一个启动测量的脉冲信号并传送至单稳态触发控制电路；

步骤2.1.3：单稳态触发控制电路接收到脉冲信号后被触发，产生三路脉冲信号；其中一路脉冲信号发送至FPGA中的高速计数模块，用于记录脉冲次数；另一路脉冲信号发送给计时电路，用于控制计时电路开始计时；第三路脉冲信号发送给激励信号发射电路；

步骤2.1.4：接收到脉冲信号后，激励信号发射电路驱动电磁波发射线圈产生电磁波；该电磁波穿过生物组织，由电磁波接收线圈接收后，电磁波接收线圈输出检测信号至信号调理电路；

步骤2.1.5：信号调理电路对检测信号进行滤波放大处理后，传送至AGC-整形电路；

步骤2.1.6：AGC-整形电路对接收的检测信号进行自动幅值调整并将其整形为矩形脉冲信号后传送至延时电路；

步骤2.1.7：延时电路接收到矩形脉冲信号后，产生的延时信号同时传入计时电路与单稳态触发控制电路；

步骤2.1.8：接收到延时信号后，计时电路停止计时，同时单稳态触发电路被重新触发；

步骤2.1.9：重复执行步骤2.1.3至2.1.8，直到FPGA中高速计数模块的计数值达到事先设定的最大计数值后，FPGA发出复位信号使单稳态触发控制电路复位，即开放式振荡电路停止振荡；

步骤2.1.10：根据最大计数值和开放式振荡电路停止振荡时的计时器给出的时间值，FPGA计算生物组织的电磁波传播时间，记为D₀₀；

电磁波传播时间的计算方法为计时器传送的时间值除以对应的最大计数值；

步骤2.2：保持载物台不动，U形臂平移运动，测量生物组织的电磁波传播时间；

FPGA通过平移电机驱动电路驱动平移步进电机运转，使U形臂按照事先确定的步长进行水平移动；U形臂每移动到一个新的位置后，按照步骤2.1.1至步骤2.1.10测得生物组织的电磁波传播时间；U形臂移动n次后，测得一组生物组织的电磁波传播时间数据，分别记为D₀₁，D₀₂，...，D_0n；

步骤2.3：载物台旋转，且U形臂平移，测量生物组织的电磁波传播时间；

FPGA通过旋转电机驱动电路驱动旋转步进电机转动，使载物台按照事先确定的步长进行旋转，载物台每旋转到一个新的位置后，重复执行步骤2.1至步骤2.2，测得载物台的一次旋转对应U形臂不动和U形臂n次移动的电磁波传播时间数据；则在载物台每旋转到一个新的位置后，通过重复执行步骤2.1至步骤2.2，都获得一组数据，则载物台由不动至完成360度旋转，旋转次数为m，得到的生物组织的电磁波传播时间的数据集为：

$D=\left[\begin{array}{ccccc}{D}_{00}& D_{01}& D_{02}& ...& D_{0n}\\ D_{10}& D_{11}& D_{12}& ...& D_{1n}\\ D_{20}& D_{21}& D_{22}& ...& D_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ D_{m0}& D_{m1}& D_{m2}& ...& D_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

步骤3：FPGA通过单片机将上述数据集中的数据实时逐一上传至终端计算机，终端计算机根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算出上述数据对应的生物组织各个位置的电磁波传播速度数据集为：

$V=\left[\begin{array}{ccccc}{V}_{00}& V_{01}& V_{02}& ...& V_{0n}\\ V_{10}& V_{11}& V_{12}& ...& V_{1n}\\ V_{20}& V_{21}& V_{22}& ...& V_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ V_{m0}& V_{m1}& V_{m2}& ...& V_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

步骤4：利用步骤3获得的数据集V，采用正则化高斯牛顿重建算法(NOSER)对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。

本发明的工作原理是：以非接触方式对生物组织施加电磁波，通过测量电磁波在生物组织内传播时间，来计算电磁波在生物组织中传播的速度。电磁波在生物组织内传播的时间非常短，通过采用开放式振荡电路经多次反复振荡将微小的时间不断累积，再根据振荡次数即可精确计算电磁波在生物组织内的传播时间。根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算出生物组织各个位置的电磁波传播速度；根据生物组织各个位置的电磁波传播速度，采用正则化高斯牛顿重建算法(NOSER)对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。

有益效果：本发明的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法与现有技术相比具有以下优势：本发明提出一种全新的测量电磁波在生物组织中传播速度的方法，为医学研究和临床提供了一种全新的、简便的、有效的检测手段；相较于传统的医学成像设备(如CT、MRI等)具有成本低廉，无辐射的特点；不同生物组织或相同生物组织在不同状态下的电导率是不同的，电磁波的传播速度也就不同，所以采用本发明的方法所建图像不但可以提供生物组织的解剖学信息，还可以反映生物组织的生理状态，具有重要的医学价值。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的生物组织电磁波传播速度的测量装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的激励信号发射电路原理图；

图3为本发明一种实施方式的信号调理电路原理图；

图4为本发明一种实施方式的AGC-整形电路原理图；

图5为本发明一种实施方式的延时电路原理图；

图6为本发明一种实施方式的单稳态触发控制电路原理图；

图7为本发明一种实施方式的计时电路原理图；

图8(a)为本发明一种实施方式的生物组织电磁波传播速度的测量装置的机械部分俯视图；(b)为图(a)的侧视图；

图9为本发明一种实施方式的电机驱动原理图；

图10为本发明一种实施方式的生物组织电磁波传播速度的测量方法流程图；

图11为本发明一种实施方式的断层扫描方式示意图；

图12为本发明一种实施方式的生物组织重建图像。

其中，1.电磁波发射线圈2.电磁波接收线圈3.U形臂4.载物台5.电机单元5-1.旋转步进电机5-2.平行步进电机6.电机驱动单元6-1.旋转步进电机驱动电路6-2.平行步进电机驱动电路7.控制单元7-1.FPGA7-2.单片机7-3.终端计算机8.开放式振荡电路8-1.激励信号发射电路8-2.单稳态触发控制电路8-3.计时电路8-4.延时电路8-5.AGC-整形电路8-6.信号调理电路9.待测生物组织10.屏蔽外壳11.第一丝杠12.第二丝杠13.线圈固定支架。

具体实施方式

电磁波可以穿透生物体表面并在生物体内部传播。由波动理论可知，波在生物组织中传播时，其传播规律与波在生物组织中的波长密切相关，并在传播中随着波能被媒质的吸收而衰减。通常，若波长远大于生物组织尺寸时，则波在物理上可近似为准静态。

电磁波在生物组织内传播时，其波长与各组织的电磁特性有很大关系。相关的电磁参数主要有：电导率、介电常数和磁导率。其中生物组织磁导率与真空中磁导率十分相近，不具有成像价值。而电导率和介电常数均与电磁波频率有较大的依赖关系。不同生物组织的电导率和介电常数的差异性如表1所示。

表1频率50MHz下不同生物组织的相对介电常数、电导率值

此外，在人体内部还含有空气，因空气几乎为绝缘体，故其电特性与生物组织有显著地不同。对于低频电磁场来说，进入人体的电磁场以电流形式为主，电流将随各部位组织的电特性不同而重新分布，一般选择电阻抗小的区域。对于高频电磁场而言，因其具有显著地波动特性，其能量传输、衰减、反射和吸收等主要取决于波在组织中的复数传输系数和特性阻抗。

本发明的一种实施方式给出基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置的结构框图，如图1所示，包括：电磁波发射线圈1、电磁波接收线圈2、U形臂3、载物台4、电机单元5、电机驱动单元6、控制单元7、开放式振荡电路8和生物组织电磁参数图像重建模块；

控制单元7主要由FPGA7-1、单片机7-2和终端计算机7-3构成；本实施方式中，FPGA为整个装置的控制中枢，完成相关硬件的控制，采用的是AlteraCycloneEP2C8Q208C8N芯片；单片机采用的是带有USB(通用串行总线)功能控制器的型号为C8051F340的单片机，其主要完成EP2C8Q208C8N型FPGA与终端计算机之间的数据交换，包括终端计算机对EP2C8Q208C8N型FPGA下达的各种操作指令以及EP2C8Q208C8N型FPGA返回给终端计算机的硬件状态有关信息，例如激励信号发射电路的信号频率、旋转或平移电机的位置等。通过终端计算机中加载的软件与EP2C8Q208C8N型FPGA的配合来完成整个装置的工作过程。

C8051F340型单片机通过8位数据总线与EP2C8Q208C8N型FPGA互连，C8051F340型单片机还通过USB总线与终端计算机互连。在终端计算机上加载有程序，包括：对C8051F340型单片机发送控制指令的程序、接收并处理C8051F340型单片机上传的数据的程序以及生物组织电磁参数图像重建模块。

开放式振荡电路8用于通过反复振荡对电磁波在生物组织中传播的时间进行累积，包括：激励信号发射电路8-1、单稳态触发控制电路8-2、计时电路8-3、延时电路8-4、AGC-整形电路8-5和信号调理电路8-6；

激励信号发射电路如图2所示，由DDS(直接频率合成)电路、低通滤波电路8-1-1、放大移位电路8-1-2以及功率放大电路构成；本实施方式中，采用的DDS电路的型号为AD9851BRS，采用的低通滤波电路是由电容及电感构成的70MHz无源椭圆低通滤波器，采用的放大移位电路是由两个AD8099ARD芯片和1个AD8055ARZ芯片相串联构成，采用的功率放大电路的型号是AD815AYS；AD9851BRS型DDS电路的D0-D7脚分别与EP2C8Q208C8N型FPGA的DDS_D0-DDS_D7脚相连，AD9851BRS型DDS电路的W_CLK脚、FQ_UD脚和RESET脚分别与EP2C8Q208C8N型FPGA的DDS_WCLK脚、DDS_FQUK脚和DDS_RESET脚相连以受其控制；DDS电路输出端，即IOUT脚、VINN脚和IOUTB脚分别连接到低通滤波电路的三个并联的输入端；低通滤波电路输出端连接至放大移位电路的输入端，即第一个AD8099ARD芯片的输入端；放大移位电路的输出端(即AD8055ARZ芯片的输出端)接AD815AYS型功率放大电路的输入端，AD815AYS型功率放大电路的输出端Vo端连接发射线圈。

信号调理电路如图3所示，由输入保护电路8-6-1、差分低通滤波电路8-6-2、差分放大电路8-6-3和差分转单端电路8-6-4按顺序串联构成。本实施方式中，输入保护电路由4个型号为1N4148的高速开关二极管并联构成，差分滤波电路和差分放大电路的型号均是AD8139ARD芯片，差分转单端电路采用的是AD8055ARZ芯片。接收线圈的两端直接连接到输入保护电路的两个输入端上，则，接收线圈接收的信号经由输入保护电路后接入差分低通滤波电路的输入端，差分低通滤波电路对接收信号中的高频噪声进行滤除处理；差分放大电路对接收信号的幅值进行放大；差分转单端电路将差分信号转换为单端信号，同时消除共模干扰。

AGC-整形电路如图4所示，由型号为AD8367ARU的可编程增益放大器、型号为AD8362ARU的检波芯片、型号为AD820ARZ的运算放大器以及型号为ADCMP601的高速比较器构成。作为AGC-整形电路输入端的AD8367ARU可编程增益放大器的输入端V_in端连接信号调理电路的输出端，即差分转单端电路的输出端V_out端；AD8367ARU可编程增益放大器的输出端VOUT端同时连接到AD8362ARU检波芯片的输入端INPUT端及ADCMP601高速比较器的输入端；AD8362ARU检波芯片的输出端VOUT端连接至AD820ARZ运算放大器的输入端；AD820ARZ运算放大器的输出端连接至AD8367ARU可编程增益放大器的增益控制输入端。输入信号经过AD8367ARU可编程增益放大器放大后输出，AD8362ARU检波芯片对输出信号进行检波，检波输出直流信号经过AD820ARZ运算放大器放大后反馈给AD8367ARU可编程增益放大器的增益控制引脚来动态控制AD8367ARU可编程增益放大器的增益大小，从而实现自动增益控制，即AutomaticGainControl，AGC。输出信号经过ADCMP601高速比较器后接收线圈接收的信号被整形成矩形脉冲信号。

由于信号在电路中的传播速度非常快，如果不加以控制就会导致开放式震荡电路的震荡频率非常高，装置中的各控制部件以及计时部件的响应速度就必须非常快才能使整个装置稳定工作。为解决这一问题，在AGC-整形电路之后设计了一个延时电路。本实施方式中，延时电路如图5所示，采用两片不同延时范围的延时芯片串联构成，其中一片延时芯片的型号为DS1023，另一片延时芯片的型号为MC10EP195，这样就可以实现大范围高精度的延时控制，本实施方式中两片延时芯片之间还串联有型号为MC100ELT20的电平转换芯片。DS1023延时芯片的输入端连接AGC-整形电路的输出端Vout端，则DS1023延时芯片输出的信号经过MC100ELT20电平转换芯片将电平转换为PECL电平后接入MC10EP195延时芯片的输入端；两个延时芯片的控制由FPGA与移位寄存器完成，移位寄存器采用三片型号为SN74AHC595的移位寄存器级联构成，用于将FPGA的串行控制信号转换为并行信号输出。EP2C8Q208C8N型FPGA的DELAY_DLLE脚连接DS1023延时芯片的DELLE脚，EP2C8Q208C8N型FPGA的DELAY_LEN脚连接MC10EP195延时芯片的LEN脚，EP2C8Q208C8N型FPGA的DELAY_DATA脚连接第一个SN74AHC595移位寄存器的DATA脚，三个SN74AHC595移位寄存器通过QH脚和DATA脚的连接级联起来，EP2C8Q208C8N型FPGA的DELAY_RCLK脚均与三个SN74AHC595移位寄存器的RCLK脚相连，EP2C8Q208C8N型FPGA的DELAY_SRCLK脚均与三个SN74AHC595移位寄存器的SRCLK脚相连。

本实施方式中，采用的单稳态触发控制电路的型号为SN54221，如图6所示，延时电路的输出端，即MC10EP195延时芯片的输出Vout端通过一个型号为SN74AUC1G32的或门的一个输入端Vin端连接SN54221型稳态触发控制电路的B脚，该或门另一个输入端连接EP2C8Q208C8N型FPGA的PULSE_ST脚；SN54221型单稳态触发器输出信号经过四个型号均为SN74AUC08的与门扇出三路相同的信号SIG1、SIG2、SIG3，SIG1信号连接到激励信号发射电路中的AD815AYS型功率放大电路的OE端，SIG3信号输入至EP2C8Q208C8N型FPGA的高频计数模块进行脉冲个数计数，即接入EP2C8Q208C8N型FPGA的PULSE_CNT端，SIG2信号输入至计时电路的S1和S2中的任一端。

计时电路如图7所示，由型号为SN74AUC1G32的或门、型号为MAX2870的高频时钟发生器和型号为SN74AUC1G74的上升沿触发的D触发器构成。本实施方式正是采用MAX2870型高频时钟发生器产生高频时钟信号来进行计时，MAX2870型高频时钟发生器的控制信号输入端，即LD脚、MUX_OUT脚、CLK脚、DATA脚、LE脚和CE脚分别与EP2C8Q208C8N型FPGA的TIMER_LD脚、IMER_MO脚、IMER_CLK脚、IMER_DATA脚、IMER_LE脚和IMER_CE脚相连以受其控制。SN74AUC1G32型或门的的两个输入端作为计时模块的两个输入端，SN74AUC1G32型或门的输出端连接SN74AUC1G74型D触发器的输入端，这样计时模块的两个输入端的其中一个接收到脉冲信号都会使SN74AUC1G74型D触发器的输出端发生翻转，从而控制MAX2870型高频时钟发生器是否输出时钟信号进行计时。

本实施方式的开放式振荡电路的工作时序是这样的：从单稳态触发控制电路发出脉冲控制信号后，经过激励信号发射电路到产生激励电磁场的实际时间为T1。信号在信号调理电路、AGC-整形电路、单稳态触发控制电路以及激励信号发射电路中电子电路响应时间分别为T2、T3、T5、T6，且电路确定后T2、T3、T5、T6都是固定不变的。延时电路设定的延时时间为T4。所以，所述开放式振荡电路的振荡周期为T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6，其中，T2、T3、T4、T5、T6都是不变的，为系统固有时间，对于不同的生物组织，只有T1是不同的，同时T4时间越长振荡周期T也就越长，整个开放式振荡电路的振荡频率也就越小，这样就可以通过改变T4来达到控制所述开放式振荡电路的振荡频率的目的。

如图8所示，电磁波发射线圈1、电磁波接收线圈2分别通过直径为1.5cm、高为5cm的亚克力圆管制成的线圈固定支架13，固定在U形臂3的两臂上，两个线圈的相对位置固定不变，且电磁波发射线圈1与电磁波接收线圈2的轴线在同一水平线上；U形臂3的发射线圈所在的一端通过第二丝杠12与平移步进电机5-2的输出轴端相连接(平移步进电机5-2只要与U形臂3连接并能够平稳驱动U形臂3水平移动即可，连接位置无特殊要求)，即由平移步进电机5-2驱动U形臂带动上述两个线圈做平移运动；

直径为20cm的圆柱体载物台4的上顶面放置待测生物组织9，载物台4置于U形臂3的内腔中，与U形臂3的两臂之间的留有一定的间隙，该间隙的设置是为了使得U形臂3不影响载物台4的转动；载物台4通过丝杠11与旋转步进电机5-1的输出轴端相连接，即由旋转步进电机5-1驱动载物台4带动载物台上放置的待测生物组织进行旋转运动；由于载物台的转动速度很慢，在载物台4发生转动时，生物组织9不会发生移动。

所述U形臂的具体平移步长与所述载物台旋转步长可根据生物组织9的几何形状进行调整。

本实施方式中，采用的旋转步进电机驱动电路和平移步进电机驱动电路的结构相同，均采用的是THB6128步进电机驱动芯片，如图9所示。THB6128步进电机驱动芯片的输入端P1端与FPGA连接，输出端J1端则与步进电机的电源接入端相连接。

本实施方式，在实验开始前，采用0.5mm厚的铁皮制作封闭式屏蔽外壳10，将待测生物组织9、载物台4、旋转步进电机5-1、U形臂3、电磁波发射线圈1、电磁波接收线圈2和平移步进电机5-2包容在其中，对它们进行电磁屏蔽。

接下来采用本实施方式所述的生物组织的电磁波传播速度的测量装置，测量电磁波在生物组织中的传播速度的方法，如图10所示，包括如下步骤：

步骤1：生物组织9的电磁波传播速度的测量装置的初始化；

步骤1.1：从终端计算机发出初始化指令，并通过单片机将该指令传送给FPGA；

步骤1.2：接收到初始化指令后，EP2C8Q208C8N型FPGA控制激励信号发射电路、单稳态触发控制电路、计时电路和延时电路完成初始化工作；

步骤1.2.1：EP2C8Q208C8N型FPGA给激励信号发射电路发送控制信号，设定激励信号发射电路的信号发射频率；

步骤1.2.2：EP2C8Q208C8N型FPGA给单稳态触发控制电路发送复位信号，使单稳态触发控制电路复位；

步骤1.2.3：EP2C8Q208C8N型FPGA给计时电路发送控制信号，先使计时电路复位，然后设置计时电路的输出时钟频率；

步骤1.2.4：EP2C8Q208C8N型FPGA给延时电路发送控制信号，设置延时电路的延时时间；

步骤2：生物组织9的电磁波传播时间测量；

采用断层扫描法进行生物组织9的电磁波传播时间测量，如图11所示。

步骤2.1：在初始位置，即载物台4未进行旋转，U形臂3未进行平移，进行生物组织9的电磁波传播时间的测量；

步骤2.1.1：终端计算机发出开始测量指令并通过C8051F340型单片机将该指令传送给EP2C8Q208C8N型FPGA；

步骤2.1.2：EP2C8Q208C8N型FPGA发出一个启动测量的脉冲信号并传送至单稳态触发控制电路；

步骤2.1.3：单稳态触发控制电路接收到脉冲信号后被触发，产生三路50纳秒脉宽(脉冲信号宽度可以根据振荡频率进行调整)的脉冲信号；其中一路脉冲信号发送至EP2C8Q208C8N型FPGA中的高速计数模块，用于记录脉冲次数；另一路脉冲信号发送给计时电路，用于控制计时电路开始计时；第三路脉冲信号发送给激励信号发射电路；

步骤2.1.4：接收到脉冲信号后，激励信号发射电路驱动电磁波发射线圈1产生电磁波；该电磁波穿过生物组织9，通过电磁波接收线圈2传送至信号调理电路；

步骤2.1.5：信号调理电路对接收的电磁波进行滤波放大处理后，传送至AGC-整形电路；

步骤2.1.6：接收到滤波放大后的电磁波信号，AGC-整形电路对其进行自动幅值调整并将其整形为矩形脉冲信号后传送至延时电路；

步骤2.1.7：延时电路接收到矩形脉冲信号后，产生的延时信号同时传入计时电路与单稳态触发控制电路；

步骤2.1.8：接收到延时信号后，计时电路停止计时，同时单稳态触发电路被重新触发(与第一次触发不同，开放式振荡电路只有第一次的启动测量脉冲信号是EP2C8Q208C8N型FPGA发出的，之后的每个振荡周期，EP2C8Q208C8N型FPGA不再发出启动测量脉冲信号)；

步骤2.1.9：重复执行步骤2.1.3至2.1.8，直到EP2C8Q208C8N型FPGA中高速计数模块的计数值达到事先设定的最大计数值(最大值需要根据生物组织9与振荡频率的实际情况而定)后，EP2C8Q208C8N型FPGA发出复位信号使单稳态触发控制电路复位，即开放式振荡电路停止振荡；

步骤2.1.10：根据最大计数值和开放式振荡电路停止振荡时的计时器给出的时间值，EP2C8Q208C8N型FPGA计算生物组织的电磁波传播时间，记为D₀₀；

电磁波传播时间的计算方法为计时器传送的时间值除以对应的最大计数值；

步骤2.2：保持载物台4不动，U形臂3进行平移运动，测量生物组织9的电磁波传播时间；

EP2C8Q208C8N型FPGA通过平移电机驱动电路驱动平移步进电机5-2运转，使U形臂3按照事先确定的步长进行水平移动；U形臂3每移动到一个新的位置后，按照步骤2.1.1至步骤2.1.10测得生物组织9的电磁波传播时间；U形臂3移动n次后，测得一组生物组织9的电磁波传播时间数据，分别记为D₀₁，D₀₂，...，D_0n；

步骤2.3：载物台4旋转，且U形臂3平移，测量生物组织9的电磁波传播时间；

EP2C8Q208C8N型FPGA通过旋转电机驱动电路驱动旋转步进电机5-1转动，使载物台4按照事先确定的步长进行旋转，载物台4每旋转到一个新的位置后，重复执行步骤2.1至步骤2.2，测得载物台4的一次旋转对应U形臂3不动和U形臂3移动n次的电磁波传播时间数据；则通过重复执行步骤2.1至步骤2.2，在载物台4每旋转到一个新的位置后，都可以获得一组数据，则载物台4完成360度旋转，旋转次数为m后，得到的生物组织9的电磁波传播时间的数据集为：

$D=\left[\begin{array}{ccccc}{D}_{00}& D_{01}& D_{02}& ...& D_{0n}\\ D_{10}& D_{11}& D_{12}& ...& D_{1n}\\ D_{20}& D_{21}& D_{22}& ...& D_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ D_{m0}& D_{m1}& D_{m2}& ...& D_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

这种方法的优点在于可以很容易的获取所述生物组织9整个360度范围的测量数据，同时在每一度位置上可以覆盖整个生物组织9的测量范围。

综上所述，可以理解出本发明采用的是断层扫描测量法，U形臂3或载物台4每到一个新的位置后，就会执行一次生物组织9的电磁波传播速度测量。例如，当旋转步长r为10度，平移步长l为2cm，若生物组织9的最大宽度w为20cm，则意味着整个测量需要进行的次数为：

即每10次平移后旋转10度，每次平移或旋转到一个新的位置后执行一次所述电磁波传播速度测量，获得350个独立测量数据。而这350个独立测量数据是在本发明只使用一个发射线圈与一个接收线圈采用断层扫描的方法获得的。也就是说，本发明能够在不需要许多发射线圈和接收线圈的情况下增加独立的测量数据，同时每个测量数据之间的影响达到最小，也不会出现存在多个线圈的情况下线圈之间互相干扰的情况，这样获得的数据更加稳定。从而基于本发明提出的这种生物组织电磁波传播速度的测量装置及方法，可以通过简单的机械控制操作来获得高分辨率的生物组织介电常数分布图像。

步骤3：EP2C8Q208C8N型FPGA通过单片机将上述数据集中的数据实时逐一上传至终端计算机，终端计算机根据电磁波发射线圈1与电磁波接收线圈2间的距离，利用速度公式计算出上述数据对应的生物组织9各个位置的电磁波传播速度数据集为：

$V=\left[\begin{array}{ccccc}{V}_{00}& V_{01}& V_{02}& ...& V_{0n}\\ V_{10}& V_{11}& V_{12}& ...& V_{1n}\\ V_{20}& V_{21}& V_{22}& ...& V_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ V_{m0}& V_{m1}& V_{m2}& ...& V_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

步骤4：终端计算机启动图像重建程序，利用步骤3获得的数据集V，采用正则化高斯牛顿重建算法(NOSER)对生物组织9进行图像重建，得到生物组织9的重建图像；

图像重建从麦克斯韦方程组出发，根据电磁场波动方程,假定生物组织是均匀且各向同性的，即磁导率μ和介电常数ε不随位置变化，也不随场的方向变化。复传输系数k可以表示为k＝α+jβ，其中α被称为电磁波的衰减系数，可以描述平面波每单位距离的衰减程度，其表达式为式(1)：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\ω}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ\ϵ}}^{\′}}{2}}{(\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}\right)}^2}-1)}^2---\left(1\right)$

β为电磁波的相位系数，表示每单位距离滞后的相位，其表达式为式(2)：

$\mathrm{\β}=\mathrm{\ω}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ\ϵ}}^{\′}}{2}}{(\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}\right)}^2}+1)}^2---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中，ε′为复介电常数的实部，若介电常数的虚部ε″存在，则α不等于零，因而存在着损耗。ε″/ε′称之为损耗角正切。在理想的介质中，ε″＝0，则有ε＝ε′。从而得到α＝0，有

$v=\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\μ\ϵ}}^{\′}}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{f\sqrt{{\mathrm{\μ\ϵ}}^{\′}}}---\left(4\right)$

由式(3)和式(4)可知，电磁波在生物组织中的传播速度由其介电常数和磁导率决定。其中，生物组织的磁导率与真空中磁导率十分相近，故电磁波在生物组织中的速度主要取决于其介电常数。因此，从理论上证明可以通过测量电磁波在生物组织中传播速度来重建生物组织介电常数图像。

根据发射线圈1和接收线圈2与待测生物组织9的实际尺寸和物理性质，采用有限元方法建立发射线圈1、接收线圈2与待测生物组织9的仿真模型，同时，根据步骤2.2和步骤2.3中的测量方法，在仿真模型中对发射线圈1、接收线圈2和待测生物组织9的位置关系进行设置；

根据步骤2.2和步骤2.3中的测量方法和仿真模型，采用有限元法模拟电磁波在生物组织中的传播速度的测量过程，同时利用有限元方法计算本发明中测量电磁波在生物组织中的传播速度的灵敏度矩阵。

同样，生物组织9的每个位置对应一个有限元求解计算得到的电磁波传播速度，得到仿真求解的生物组织9的电磁波传播速度数据集为：

$V^{\′}=\left[\begin{array}{ccccc}{V}_{00}^{\′}& V_{01}^{\′}& V_{02}^{\′}& ...& V_{0n}^{\′}\\ V_{10}^{\′}& V_{11}^{\′}& V_{12}^{\′}& ...& V_{1n}^{\′}\\ V_{20}^{\′}& V_{21}^{\′}& V_{22}^{\′}& ...& V_{2n}^{\′}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ V_{m0}^{\′}& V_{m1}^{\′}& V_{m2}^{\′}& ...& V_{\mathrm{mn}}^{\′}\end{array}\right]$

本实施方式在生物组织电磁参数图像重建模块中，采用正则化高斯牛顿重建算法重建生物组织9介电常数的图像。用数据集V与数据集V′之差构造一个具有平方和形式的目标泛函。

测量速度v与被测生物组织9离散介电常数ε之间的关系为，

v＝Ψ(ε)(5)

构造L₂范数:

$Q={\left|\right|v-\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right|}_2^2---\left(6\right)$

求解ε^k使得Q达到最小值，对Q求一阶导数，并令其为0:

Q′＝[Ψ′(ε)]^T[v-Ψ(ε)]＝0(7)

使Q′在ε^k处作Taylor展开，略去高次项，只取线性项，则有:

Q′＝Q′(ε^(k))+Q″(ε^(k))Δε^(k)(8)

Q′为Hessian矩阵，对式(7)求导，近似求得:

Q″＝-[Ψ′(ε)]^TΨ′(ε)(9)

将式(7)与式(8)代入式(9)，整理得:

Δσ^(k)＝{[Ψ′(ε^(k))]^TΨ′(ε^(k))}·[Ψ′(ε^(k))]^T·(v-Ψ(ε^(k)))(10)

其中Ψ′(ε^(k))为灵敏度矩阵，用S表示，式(10)简化为:

Δε^(k)＝(S^TS)^-1S^T·(v-Ψ(ε^(k)))(11)

对式(11)进行Tikhonov正则化修正，可提高算法收敛性和稳定性。

取正则化因子λ＞0，I为单位矩阵:

cond(S^TS+λI)₂＜cond(S^TS)₂(12)

引入范函数重构范数L₂:

$Q={\left|\right|v-\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right|}_2^2+\mathrm{\λ}{\left|\right|\mathrm{\Δ\ϵ}\left|\right|}_2^2---\left(13\right)$

对Ψ做Taylor展开略去高阶项代入式(13)，得到目标泛函为式(14):

$Q={\left|\right|S^T(v-\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\ϵ}\right))-\mathrm{S\Δ\ϵ}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\λ}{\left|\right|\mathrm{\Δ\ϵ}\left|\right|}_2^2---\left(14\right)$

取式(14)的极小值，得到方程:

(S^TS+λI)Δε^(k)＝S^T(v-Ψ(ε^(k)))(15)

求解式(15)可得:

Δε^(k)＝(S^TS+λI)^-1S^T(v-Ψ(ε^(k)))(16)

进而有:

ε^(k+1)＝ε^(k)+Δε^(k)(17)

根据正问题有限元数值建模求解的电磁波传播速度数据集V′，赋予重建区域每点一个初值1，然后根据式(17)进行迭代运算，即将步骤2.2和步骤2.3中的测量值与步骤4的电磁波速度的有限元计算值进行比较，结合正则化技术进行迭代运算。每一步迭代运算中对结果进行修正，再在新修正的结果上进行新的迭代运算，通过不断迭代并不断重新计算灵敏度矩阵使目标泛函式(14)最小，从而获得介电常数分布图像，如图12所示为本发明对一个直径为7cm的烧杯成像结果，烧杯中放有浓度1％的氯化钠溶液用于模拟生物组织，烧杯放置在载物台中间位置。综上所述，可以得知，利用电磁波在生物组织中的传播速度可以重建生物组织介电常数图像。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：包括：电磁波发射线圈、电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式振荡电路；

所述控制单元主要由FPGA、单片机和终端计算机构成；所述单片机与FPGA互连，单片机同时还与终端计算机互连；

所述开放式振荡电路用于通过反复振荡对电磁波在生物组织中传播的时间进行累积，其包括：单稳态触发控制电路、激励信号发射电路、信号调理电路、AGC-整形电路、延时电路和计时电路；

所述单稳态触发控制电路与FPGA互连，同时单稳态触发控制电路的一个输入端连接延时电路的一个输出端，单稳态触发控制电路的一个输出端连接激励信号发射电路的输入端，单稳态触发控制电路的另一个输出端连接计时电路的一个输入端；所述激励信号发射电路的输出端连接电磁波发射线圈，同时激励信号发射电路通过数据总线连接FPGA，单向接收FPGA发送的数据；所述计时电路的另一个输入端连接延时电路的另一个输出端，同时计时电路还与FPGA互连；所述延时电路的输入端连接AGC-整形电路的输出端；所述AGC-整形电路的输入端连接信号调理电路的输出端；所述信号调理电路的输入端连接电磁波接收线圈；

所述电磁波发射线圈用于在激励信号发射电路的驱动下产生能够穿过生物组织的电磁波；

所述电磁波接收线圈用于接收穿过生物组织的电磁波；

所述电磁波发射线圈、电磁波接收线圈分别固定在U形臂的两臂上，且电磁波发射线圈与电磁波接收线圈的轴线在同一水平线上；

所述载物台用于放置待测生物组织，置于U形臂的内腔中，且与U形臂的两臂之间留有相应的间隙；

所述电机单元用于驱动U形臂进行平移运动及载物台进行旋转运动，其包括：平移步进电机用于驱动U形臂进行平移运动；旋转步进电机用于驱动载物台进行旋转运动；

所述电机驱动单元用于驱动电机单元中电机的运行，其包括：平移步进电机驱动电路为所述平移步进电机的驱动电路，用于驱动平移步进电机的平移运行；旋转步进电机驱动电路为所述旋转步进电机的驱动电路，用于驱动旋转步进电机的旋转运行；

U形臂与平移步进电机的输出轴端相连接，所述平移步进电机的电源接入端连接平移步进电机驱动电路的输出端，所述平移步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；

所述载物台与旋转步进电机输出轴端相连接；所述旋转步进电机的电源接入端连接旋转步进电机驱动电路的输出端，所述旋转步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；

所述的终端计算机内还设置有生物组织电磁参数图像重建模块，用于对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。

2.根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：采用0.5mm厚的铁皮制作封闭式屏蔽外壳，该屏蔽外壳将待测生物组织、载物台、旋转步进电机、U形臂、电磁波发射线圈、电磁波接收线圈和平移步进电机包容在其中，对它们进行电磁屏蔽。

3.根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：所述载物台置于U形臂的内腔时，其与U形臂的两臂之间的间隙以U形臂不影响载物台转动为原则进行调整。

4.根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：载物台为圆柱体，其上顶面放置待测生物组织。

5.根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：载物台和U形臂均通过丝杠分别与旋转步进电机的输出轴端和平移步进电机的输出轴端相连接。

6.采用权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置的生物组织电磁参数成像方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：装置初始化；

步骤2：测量生物组织的电磁波传播时间，得到生物组织的电磁波传播时间数据集D；

步骤2.1：在初始位置，即载物台未进行旋转，U形臂未进行平移，进行生物组织的电磁波传播时间的测量；

步骤2.1.1：终端计算机发出开始测量指令并通过单片机将该指令传送给FPGA；

步骤2.1.2：FPGA发出一个启动测量的脉冲信号并传送至单稳态触发控制电路；

步骤2.1.3：单稳态触发控制电路接收到脉冲信号后被触发，产生三路脉冲信号；其中一路脉冲信号发送至FPGA中的高速计数模块，用于记录脉冲次数；另一路脉冲信号发送给计时电路，用于控制计时电路开始计时；第三路脉冲信号发送给激励信号发射电路；

步骤2.1.4：接收到脉冲信号后，激励信号发射电路驱动电磁波发射线圈产生电磁波；该电磁波穿过生物组织，通过电磁波接收线圈传送至信号调理电路；

步骤2.1.5：信号调理电路对接收的电磁波进行滤波放大处理后，传送至AGC-整形电路；

步骤2.1.6：接收到滤波放大后的电磁波信号，AGC-整形电路对其进行自动幅值调整并将其整形为矩形脉冲信号后传送至延时电路；

步骤2.1.7：延时电路接收到矩形脉冲信号后，产生的延时信号同时传入计时电路与单稳态触发控制电路；

步骤2.1.8：接收到延时信号后，计时电路停止计时，同时单稳态触发控制电路被重新触发；

步骤2.1.9：重复执行步骤2.1.3至2.1.8，直到FPGA中高速计数模块的计数值达到事先设定的最大计数值后，FPGA发出复位信号使单稳态触发控制电路复位，即开放式振荡电路停止振荡；

步骤2.1.10：根据最大计数值和开放式振荡电路停止振荡时的计时器给出的时间值，FPGA计算生物组织的电磁波传播时间，记为D₀₀；

电磁波传播时间的计算方法为计时器传送的时间值除以对应的最大计数值；

步骤2.2：保持载物台不动，U形臂进行平移运动，测量生物组织的电磁波传播时间；

FPGA通过平移步进电机驱动电路驱动平移步进电机运转，使U形臂按照事先确定的步长进行水平移动；U形臂每移动到一个新的位置后，按照步骤2.1.1至步骤2.1.10测得生物组织的电磁波传播时间；U形臂移动n次后，测得一组生物组织的电磁波传播时间数据，分别记为D₀₁，D₀₂，...，D_0n；

步骤2.3：载物台旋转，且U形臂平移，测量生物组织的电磁波传播时间；

FPGA通过旋转步进电机驱动电路驱动旋转步进电机转动，使载物台按照事先确定的步长进行旋转，载物台每旋转到一个新的位置后，重复执行步骤2.1至步骤2.2，测得载物台的一次旋转对应U形臂不动和U形臂n次移动的电磁波传播时间数据；则通过重复执行步骤2.1至步骤2.2，在载物台每旋转到一个新的位置后，都可以获得一组数据，则载物台完成360度旋转，旋转次数为m后，得到的生物组织的电磁波传播时间的数据集D，如下所示：

$D=\left[\begin{array}{ccccc}{D}_{00}& D_{01}& D_{02}& ...& D_{0n}\\ D_{10}& D_{11}& D_{12}& ...& D_{1n}\\ D_{20}& D_{21}& D_{22}& ...& D_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ D_{m0}& D_{m1}& D_{m2}& ...& D_{mn}\end{array}\right];$

步骤3：FPGA通过单片机将生物组织的电磁波传播时间实时上传至终端计算机，终端计算机根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算生物组织各个位置的电磁波传播速度，得到的电磁波传播速度数据集V，如下所示：

$V=\left[\begin{array}{ccccc}{V}_{00}& V_{01}& V_{02}& ...& V_{0n}\\ V_{10}& V_{11}& V_{12}& ...& V_{1n}\\ V_{20}& V_{21}& V_{22}& ...& V_{2n}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ V_{m0}& V_{m1}& V_{m2}& ...& V_{mn}\end{array}\right]$

步骤4：利用步骤3获得的电磁波传播速度数据集V，采用正则化高斯牛顿重建算法对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。

7.根据权利要求6所述的生物组织电磁参数成像方法，其特征在于：所述步骤1中的装置初始化过程，包括如下步骤:

步骤1.1：从终端计算机发出初始化指令，并通过单片机将该指令传送给FPGA；

步骤1.2：接收到初始化指令后，FPGA控制激励信号发射电路、单稳态触发控制电路、计时电路和延时电路完成初始化工作；

步骤1.2.1：FPGA给激励信号发射电路发送控制信号，设定激励信号发射电路的信号发射频率；

步骤1.2.2：FPGA给单稳态触发控制电路发送复位信号，使单稳态触发控制电路复位；

步骤1.2.3：FPGA给计时电路发送控制信号，先使计时电路复位，然后设置计时电路的输出时钟频率；

步骤1.2.4：FPGA给延时电路发送控制信号，设置延时电路的延时时间。