CN102715916B - 用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，包括圆周扫描转台，所述圆周扫描转台内部设置有辐射天线，辐射天线上方设置有扫描碗，扫描碗设置在圆周扫描转台上方，所述扫描碗上设置有若干个超声探头；所述圆周扫描转台的下方设置有若干个前置放大器，所述前置放大器与超声探头连接。该成像系统利用了肿瘤组织和正常组织在电磁能量吸收率上的强烈对比度以及超声波的波长短成像分辨力高的优点，利用微波热致超声效应，将肿瘤组织在电磁波脉冲照射下转换为超声脉冲源并利用时间反转成像技术对肿瘤组织进行成像与定位，没有电离辐射危害，检测灵敏度和成像分辨率高于传统B超设备，是肿瘤检测领域前沿研究方向和设备发展方向。

Description

用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统

技术领域

本发明涉及微波热致超声成像系统，主要用于乳腺癌早期发现以及诊断的需求。

背景技术

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，据资料统计，发病率占全身各种恶性肿瘤的7-10%。它的发病常与遗传有关，以及40—60岁之间、绝经期前后的妇女发病率较高。仅约1-2%的乳腺患者是男性。通常发生在乳房腺上皮组织的恶性肿瘤。乳腺癌是一种严重影响妇女身心健康甚至危及生命的最常见的恶性肿瘤之一，男性乳腺癌罕见。传统的检测方式有两种，一种是利用钼靶摄片，它是一种无创伤的方法。采用Siemens-ElemaAB 型乳腺X 线机，操作简便易行，其乳腺平片图像清晰，层次丰富，信息量大，对普查乳腺疾病特别是乳腺癌早期有着重要的意义。另一种是采用红外乳腺扫描，它是一种用于检查妇女乳腺疾病的绿色、无任何副作用且有效的方法。采用恒康伟业KJ-1002型乳腺诊断仪，让红外光透照扫描乳腺组织，通过专用红外CCD摄像机摄取图像，经计算机处理，将乳腺组织的各种病变显示在屏幕上，不同的组织变化呈现出各种影像，根据图像的不同灰度，血管的变化与灰度的关系，诊断出各类乳腺疾病。在临床上为医生诊断各类乳腺疾病提供准确依据。上述两种检测方式都是需要大型的设备检测设备作为支撑，体积大，成像的分辨率低，使得医生在判断时，容易出现误差，甚至某些方法具有电离危害，对患者的身心增加压力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，该微波热致超声成像系统充分利用了肿瘤组织和正常组织在电磁能量吸收率上的强烈对比度，以及超声波的波长短成像分辨力高的优点，利用微波热致超声效应，将肿瘤组织在电磁波脉冲照射下转换为超声脉冲源并利用时间反转成像技术对肿瘤组织进行成像与定位。发射的是L或S波段电磁波脉冲，没有电离辐射危害，平均功率低（与GSM手机通话过程相当），检测灵敏度和成像分辨率高于传统B超设备，是肿瘤检测领域炙手可热的前沿研究方向和设备发展方向。

本发明的目的通过下述技术方案实现：用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，包括圆周扫描转台，所述圆周扫描转台内部设置有辐射天线，辐射天线上方设置有扫描碗，扫描碗设置在圆周扫描转台上方，所述扫描碗上设置有若干个超声探头；所述圆周扫描转台的下方设置有若干个前置放大器，所述前置放大器与超声探头连接。

所述扫描碗上设置有若干个通孔，超声探头穿过通孔内部，且设置在碗内的一端与扫描碗的内壁面采用内适配环密封，设置在碗外的一端与扫描碗的外壁面采用外紧固环密封，外紧固环与扫描碗之间设置有O型圈，O型圈环绕在超声探头的外壁。

所述水平相邻的超声探头与扫描碗中心之间的角度为30°；所述竖直相邻的超声探头之间垂直距离为35mm。在扫描碗的外壁上呈一定的规律设置超声探头，保证360°方向都能够进行扫描。

所述圆周扫描转台内部设置有蜗轮以及与蜗轮啮合的蜗杆，所述蜗轮的内部设置有轴承托盘，轴承托盘中间设置有用于安装辐射天线的孔，扫描碗的底部正对辐射天线设置在轴承托盘上；所述蜗杆连接有步进电机，步进电机设置在圆周扫描转台侧壁上，步进电机连接有手轮。

所述扫描碗采用聚四氟乙烯制成。

所述圆周扫描转台连接有弯波导，所述弯波导远离圆周扫描转台的一端依次连接有环行器、检波器、变径波导以及磁控管，所述变径波导上设置有风冷扇。

还包括吸收负载，所述吸收负载通过水冷管道分别与磁控管和环行器连接；所述磁控管与环行器之间通过水冷管道连接。

所述检波器与圆周扫描转台连接。

所述前置放大器主要由依次连接的AD797、四阶滤波器、OPA847、四阶滤波器、OPA846构成。

所述圆周扫描转台底部设置有支架。支架用于对圆周扫描转台进行支持，在变径波导、吸收负载下方也设置有支架，支架能够进行高度调整。

综上所述，本发明的有益效果是：该微波热致超声成像系统充分利用了肿瘤组织和正常组织在电磁能量吸收率上的强烈对比度，以及超声波的波长短成像分辨力高的优点，利用微波热致超声效应，将肿瘤组织在电磁波脉冲照射下转换为超声脉冲源并利用时间反转成像技术对肿瘤组织进行成像与定位。发射的是L或S波段电磁波脉冲，没有电离辐射危害，平均功率低（与GSM手机通话过程相当），检测灵敏度和成像分辨率高于传统B超设备，是肿瘤检测领域炙手可热的前沿研究方向和设备发展方向。

附图说明

图1是扫描碗的结构示意图；

图2是超声探头的安装示意图；

图3是圆周扫描转台的结构示意图；

图4是本发明的波导组装图；

图5是系统控制系统及其周边部件连接示意图；

图6 是AD797的电路图；

图7是滤波器的原理图；

图8是前置放大器的结构示意图；

图9是扫描碗的加载电场图；

图10为图9的对比图；

图11是聚四氟乙烯扫描碗的反射示意图；

图12是金属扫描碗的反射示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1—磁控管；2—风冷扇；3—检波器；4—环行器；5—变径波导；6—吸收负载；7—扫描碗；8—超声探头；9—内适配环；10—外紧固环；11—O型圈；12—蜗杆；13—步进电机；14—手轮；15—轴承托盘；16—蜗轮；17—圆周扫描转台。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1：

如图1所示，用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，包括圆周扫描转台17，所述圆周扫描转台17内部设置有辐射天线，辐射天线上方设置有扫描碗7，扫描碗7设置在圆周扫描转台17上方，所述扫描碗7上设置有若干个超声探头8；所述圆周扫描转台17的下方设置有若干个前置放大器，所述前置放大器与超声探头8连接。电磁能量到声能量的转换过程，电磁能量由天线辐射到空间中并穿透被测组织，超声信号由病变组织发出并传播至超声探头8再次变回电信号。这个过程中，电磁波能量的峰值功率是KW级别，超声探头8输出的电信号是uV级别。二者的强弱差别非常明显，况且强电磁能量对压电式超声探头8存在去极化效应，必须尽量避免电磁波能量直接冲击超声探头8，所以二者应尽量避免对置，考虑到乳房断层成像的需求以及其物理外形特征，设计采用辐射天线主瓣正对乳房放置，而超声探头8在乳房侧面进行接收的方式。微波辐射天线可用的开口空间大，便于设计各种类型的天线形式，甚至采用面阵进行波束聚焦；超声探头8排列灵活，可在一个柱面或者锥面上排布成阵列，可采用机械扫描并留有余地可以进行电扫；微波脉冲能量的传播方向与超声探头8的主瓣中心指向相差90度，尽可能的降低对后者的干扰，并减弱去极化效应影响。

如图2所示，所述扫描碗7上设置有若干个通孔，超声探头8穿过通孔内部，且设置在碗内的一端与扫描碗7的内壁面采用内适配环9密封，设置在碗外的一端与扫描碗7的外壁面采用外紧固环10密封，外紧固环10与扫描碗7之间设置有O型圈11，O型圈11环绕在超声探头8的外壁。由于超声探头8为圆柱形，与轴向正交的扫描碗7壁相配合必须加入柱面适配组件以及相应的密封组件，以防止声耦合油液渗漏，采用内适配环9在内部进行密封，采用外紧固环10和O型圈11在外部进行密封，保证密封效果良好，通过了声耦合液（变压器油）的48小时渗漏实验。

所述水平相邻的超声探头8与扫描碗7中心之间的角度为30°；所述竖直相邻的超声探头8之间垂直距离为35mm。在俯卧状态下自然下垂的乳房本体直径绝大多数小于15厘米，考虑到圆周扫描转台17的口径加工问题，拟设计扫描碗7口径为18厘米，安装超声探头8后，超声探头8内径约束下的乳房最大直径满足15厘米要求。扫描碗7深度可根据超声探头8阵列需要进行修改，由于扫描碗壁上将有大量钻孔用于安置超声探头8及相应的密封件，故碗壁厚度设计为8mm，相应的碗底厚度也设计为8mm，碗底固定用法兰边沿为10mm厚度。由20cm直径的聚四氟乙烯实心棒进行车、铣、切综合工艺加工而成。超声探头8阵列的布置，应满足声参数的半波长要求，采用分时扫描方式在圆弧向、轴向两个方向上组成合成孔径，以实现超声探头8阵列对于半波长间隔的要求。为了更清晰的描述探头8的安装布置方式，扫描碗7在做以自身中轴线为轴的圆周运动的时候，每一层的4个探头8将划过90度方位角，4个超声探头8的数据拼接实现整个360度的超声探头8孔径，并且，其圆周运动的步进角（即每两次超声探头8采样之间的角度差）就是该断层圆周超声探头8阵列的阵元间距。举例说明，如果扫描碗7每次旋转3.6度后停下进行回波采样，则25次操作后每个超声探头8都扫过了90度的方位角，拼接数据后在一个圆周上形成了100个采样点，等效于100个间隔3.6度分布的超声探头8所围成的密集阵列进行了单次同步接收。

如图3所示，所述圆周扫描转台17内部设置有蜗轮16以及与蜗轮16啮合的蜗杆12，所述蜗轮16的内部设置有轴承托盘15，轴承托盘15中间设置有用于安装辐射天线的孔，扫描碗7的底部正对辐射天线设置在轴承托盘15上；所述蜗杆12连接有步进电机13，步进电机13设置在圆周扫描转台17侧壁上，步进电机13连接有手轮14。扫描碗7在工作过程中必须以其中轴线为轴进行360度旋转进行扫描，所以必须设计一个可以精确旋转指定度数的圆周扫描转台17，将扫描碗7固定在该平台上实现圆周扫描。

采用蜗轮16和蜗杆12结构传动。蜗轮16蜗杆12结构的特殊性（蜗杆12旋转1周带动蜗轮16旋转1齿）决定扫描精度和驱动扭矩可以确定满足甚至超过要求。根据圆周扫描转台17的中轴开口尺寸，设计圆周扫描转台17的蜗轮盘直径290mm，按照惯例设计其边沿蜗齿个数为288个，即蜗轮16蜗杆12传动机构变比为288：1。圆周扫描转台17带动扫描碗7旋转90度，则驱动电机就需要旋转25920度，若采用2相4线步进电机（半步0.9度）则需要在要求的2分钟内转过28800步，即步进电机驱动频率为240Hz，在此驱动频率下的输出扭矩足以驱动蜗杆的步进电机13。在半步驱动模式下，最高扫描精度达到0.003度，最快扫描速度达到15秒/90度。

所述扫描碗7采用聚四氟乙烯制成。如图9、图10、图11、图12所示，采用100mm高度聚四氟乙烯壁和150mm高度金属壁做了对比试验，通过加载电场的分布和加载反射系数的对比，矩圆过渡喇叭的电场分布随碗底介质板厚度变化较小，但是反射系数有较大的变化，当碗底介质板的厚度为5mm时，在2.5GHz的反射系数大约为-21dB，能量几乎全部穿透碗底介质板。当碗底介质板的厚度增大到10mm时，在2.5GHz的反射系数大约为-14dB, 当碗底介质板厚度继续增大到15mm 时，在2.5GHz的反射系数大约为-11dB，因此可以看出，随着碗底介质板的厚度的增加，碗底介质板的反射也增加，考虑到扫描碗所需的强度，选取5-10mm为最佳值。聚四氟乙烯极低的相对介电常数优势（约为2.1～2.2）再次得以发挥，其存在与否基本不影响近场的电磁波能量分布，金属碗壁则较好的杜绝了侧向泄漏的能量，全部能量都集中在扫描碗内，但是其内部的电场均匀度存在质疑，不利于后期算法对辐射能量的均匀度进行插值补偿。容器与喇叭之间的缝隙对反射几乎不产生影响。经过实验得出，最终扫描碗的设计参数为碗底厚度在5～10mm之间，壁厚10mm以内，高度不限，碗底与碗壁材料均为聚四氟乙烯。

如图4所示，所述圆周扫描转台17连接有弯波导，所述弯波导远离圆周扫描转台17的一端依次连接有环行器4、检波器3、变径波导5以及磁控管1，所述变径波导5上设置有风冷扇2。还包括吸收负载6，所述吸收负载6通过水冷管道分别与磁控管1和环行器4连接；所述磁控管1与环行器4之间通过水冷管道连接。所述检波器3与圆周扫描转台17连接。冷风扇2对磁控管1进行辅助降温，防止温度过高导致微波功率下降以及磁控管1老化过快。检波器3时刻监测磁控管1所产生的微波峰值功率，保证圆周扫描转台17内的微波辐射峰值功率达到设计要求（峰值功率8KW以上，平均功率100mW以下）。水冷管用于对磁控管1、吸收负载6、环行器4的降温。

实施例2：

如图6、图7、图8所示，实施例2与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：所述前置放大器主要由依次连接的AD797、四阶滤波器、OPA847、四阶滤波器、OPA846构成。

超声信号微弱（峰峰值在200uV左右），为实现信号的采样和后期的数字信号处理，需要先对信号进行放大处理。由于数据采集卡的输入信号动态范围是±2V，为充分利用采集卡的分辨力，预计将信号放大到该范围,因此放大器的电压增益在4V/200uV=20000左右。超声脉冲信号的频谱宽度大约在50KHz                                                

800KHz，但是为对超声信号达到高保真的效果，放大器的带宽应远远大于800KHz。由于同时有多个探头在不同位置同时观测超声信号，要求各通道之间的增益失配小于1dB，然而探头的输出阻抗在1 KW附近离散，为满足失配要求，放大器要求较大的输入阻抗。设计放大器的输入阻抗为100K，以满足要求。并且，在高增益下必须还要具有驱动长同轴电缆的能力。

常采用低噪声高速宽带集成运算放大器。集成运放是由PN节和电阻构成，为非理想器件，存在着散弹噪声和热噪声等，放大器的自身噪声会随着信号放大的同时被放大。对于前级放大器，信号较小，为提高系统的噪声性能，放大器自身的噪声要小。此外，当后级放大器的增益越小时，后级的噪声对系统噪声的贡献就越小，同时对后级的噪声性能要求也可适当降低。因此，为保证整体放大器的增益，增益主要集中在低噪声的前级。由于前级的功能是实现微弱信号的宽带放大，那么其需要有足够的增益带宽积和极低的噪声。后级放大器主要实现大信号的输出和一定的带载能力，其需要有足够的压摆率和和驱动能力。与此同时，为滤除宽带噪声，在放大器中加入带通滤波器，实现信号的带限和带外噪声的隔离，以提高信噪比。单级放大器的选择需要考虑直流偏移带来的放大器饱和和驱动滤波器的问题，以及足够的电源抑制比（PSRR）以减小供电的影响。

除选择低噪声的放大器外，放大器外围器件也要低噪声。如电阻的选择在允许的条件下选择最小值以减小其热噪声的影响。在放大器抗干扰方面，要注意放大器的输入信号线的屏蔽和放大器的整体屏蔽，以及电源的去耦、接地等工作。

在稳定性方面，需要考虑放大器寄生耦合造成的正反馈，以及输入输出的负载参数对稳定性造成的影响。

放大器设计为输入阻抗100KW，为保证各通道放大器之间的增益失配小，同时确保增益确定，通道间的输入阻抗值差异要小。由于运算放大器的输入阻抗离散，采用的方法是在放大器输入端并联100KW的电阻到地。第一级放大器要求输入阻抗极高，这样才能保证外部的100KW的电阻与输入端内部阻抗的并联值与100KW的相差小。然而，放大器的输入端有偏置电流，该电流流过100K电阻会产生输入端的直流偏移，该偏移经过放大后会影响运放的交流信号输出摆幅，严重会致使运放饱和不能放大。那么要求运放有较小的偏置电流。此外，放大器还需要有极低的内部噪声，在这里选用的是超声波前级放大器AD797。AD797是电压反馈型的低噪声低失真运算放大器，在±5V供电，增益为10时，-3dB带宽为8MHz。其共模输入阻抗为100MW，输入偏置电流最大值为2uA。在1KHz处的电压电流噪声密度最大值分别为1.2nv/和2pA/。此外，对于电源供电，在1MHz处其对于正负电源的抑制比（PSRR）大于40dB。下面计算说明该放大器用作前级放大的可行性。

首先，该放大器在增益为10时其-3dB带宽可以满足放大的整体要求。在输入阻抗方面，100KW与100MW的并联值仅减小要求阻抗的0.1%，该比例已经远小于普通电阻的精度（1%），即输入阻抗是满足要求的。输入偏置电流最大2uA。该电流乘以100KW再乘以放大器的直流增益得到最大输出直流漂移2V。由于放大器工作在正负5V供电，其有效输出摆幅最小为±2.5V。由于直流漂移的影响，那么交流输出正弦信号的峰峰值有效摆幅为±0.5V。AD797用作前级放大，增益为10，输入为交流耦合，且信号小于200uV，那么输出有效信号小于2mV，因此±0.5V的交流摆幅完全可以满足要求。

在噪声方面，当放大器输入端接入超声波探头时，将输入电流噪声视为一个电流源，其交流负载就是探头阻抗（<1KW）、放大器输入设定阻抗（100KW）的并联值，估算最大值为1KW。那么噪声电流在阻抗上呈现出的噪声电压密度为噪声电流密度与负载阻抗的乘积，即为2nV/ 

。同时，1KW的源阻抗在室温300K的条件下噪声热密度为4nV/ 

。那么放大器的整体等效输入噪声密度为电压密度、电流密度和热噪声密度的平方和的开方。计算得4.6nV/ 

在估算8MHz的带宽下，等效输入噪声幅度为

，即完全可以达到系统要求的信噪比，满足系统设计要求。需要补充的是，放大器在1MHz时的电源抑制比大于40dB，由于所选电源通过旁路屏蔽可以极大减小高频噪声，可以保证放大器的工作带宽内的噪声有效值小于100uV，那么电源噪声在放大器的输入端的等效输入值小于1uV，因而其噪声影响是可以忽略的。在输出方面，由于信号此时极其微弱，那么其驱动滤波器是可以的。

AD797做第一级放大，在增益为10时在各方面满足要求，当增益更大时，由于增益带宽积的限制，其工作带宽已不能够满足放大器的要求。但是在前面的设计分析中提出：考虑到低噪声的要求，增益主要集中在前级放大器。因此需要低噪声高增益带宽积的放大器作为第二级，实现高增益的放大。在此选用OPA847作为第二级放大芯片。OPA847 是电压反馈型放大器，其增益带宽积高达3.9GHz,输入电压噪声密度最大为1nv/ 

，电流噪声密度最大为3.7pA/ 

，适合做宽带高增益放大。其在100W负载，±5V供电时输出摆幅最小为±2.9V，可以满足滤波器的驱动需求。相比于AD797，OPA847的输入偏置电流大：42uA,输入阻抗不够大：2.3MW。若用该放大器的做第一级，那么42uA的偏置电流在100KW电阻上的压降会使运放完全饱和，无法实现正常的放大；其不够大的输入阻抗与100KW输入电阻的并联值会带来放大器输入阻抗的离散性，从而带来增益的离散性。此外其电流噪声性能不如AD797。在作为第二级放大时，由于放大器的输入端并联滤波器所需的50W匹配电阻，那么输入偏置电流造成的对输出摆幅的影响将会很小。对比之下，OPA847适合做第二级放大，并且暂定其放大倍数为151倍便于分析噪声和带宽特性。

在输出摆幅和带宽方面，OPA847的输入偏置电流最大为42uA，在50W上的压降为2.1mV，那么经过151倍放大后的直流输出为317mV。其输出交流有效摆幅范围为±（2.9-0.317）V。由于输入信号最大为1mVpp（滤波器阻抗匹配使输入信号幅度衰减为原来一般），那么输出信号最大为151mVpp。因此摆幅是完全满足要求的。在带宽方面，其在增益为151时，理论工作带宽为3900MHz/151,约为26MHz，考虑到寄生参数等的影响，实际带宽不会这么宽，但是满足8MHz的带宽是没问题的。

在噪声方面，由同相输入端向外看的交流阻抗为第一级AD797的输出阻抗和本级输入阻抗的并联值，即为25W，那么电阻在300K时热噪声密度为0.63nV/

。因此其等效输入噪声密度为，约为1.18nV/

。该密度小于第一级的4.6nV/

，能够满足放大器的噪声需求。

相对于前两级放大器而言，第三级的放大器主要实现大信号放大输出和负载的驱动。该级增益相对于前面较小，对于噪声性能的要求也降低。OPA847同样可以为第三级放大，为降低成本，这里选用OPA846。该放大器与OPA847的结构和基本参数是一致的，主要区别在于增益带宽积较小：1.75GHz，输入电流噪声密度较大：3.6pA/，输入电压噪声密度为1.5nV/

，输入偏置电流为20uA，在50W输入阻抗上产生1mV偏置电压，则放大后输出直流偏置为53.2mV，那么其输出交流有效摆幅范围为±（2.9-0.05）V，可以满足要求。在噪声方面由于与第二级性能接近，同时由于是最后一级，增益不大，噪声性能能够满足设计需求。

OPA846不论电压还是电流噪声密度分布在大于100KHz时都很小且平坦。然而在小于10KHz时，随着频率降低，噪声密度急剧增加。事实上一般的高速运算放大器都具有这样的特性：具有优秀的高频噪声性能，但在低频段却有着很强的

噪声。

在低频段呈现出很大的幅度，会严重恶化放大器的性能。由于信号的有效-3dB频带为50KHz

8MHz，可以采用截止频率为50KHz的高通滤波的方法滤除低频噪声，同时保证能完整放大信号。在高频段，频率越高，外界的噪声越容易进入放大器。为减小带外高频噪声的影响，需要在信号通路中加入带通滤波。因此在放大的通路中加入带通滤波器有利于尽可能多的放大信号和减小带外噪声。要实现带通滤波，可以用无源或有源的方式实现。相对于无源滤波，有源滤波器由于使用到运放，必然会带来更多的额外噪声，同时也会增加成本，因此选用无源滤波器。无源滤波器常用的有RC式和LC式。RC式滤波器的缺点在于插入损耗大，带内不平坦，难以实现平坦的高阶滤波，同时电阻也会带来额外的热噪声。因此采用LC滤波器。LC有不同的结构，不同的结构具有不同的衰减特性、起伏特性和相位特性。为保证足够的带内平坦度，这里选择带内平坦的巴特沃斯滤波器。

带通滤波器多采用截止频率为信号的频带上限的带通滤波器和截止频率为信号频带下限的高通滤波器级联来实现。然而，由于低通和高通分别需要一组元件实现。那么该方法的缺点在于要实现高阶滤波时，元件数量特别多，元件值的离散性对通带宽度，带内平坦度的影响较大，不利于调试和放大器的批量生产。解决的办法是滤波器采用巴特沃斯结构的低通滤波器的同时，放大器的级间耦合采用交流耦合。交流耦合使得滤波器的信号源（放大器输出）阻抗不为纯阻抗特性，同时低频带的衰减不足，因此牺牲一定的通带性能。

由于要求带外衰减大于40dB/oct,根据每阶滤波器的衰减率为6dB/oct计算，滤波器的结束必须大于等于7阶，这里在第一级和第二级分别加入五阶滤波器实现整体10阶滤波，理论上60dB/oct的衰减。

根据前面分析和器件的选择，确定放大器的结构和增益的分配，同时确定供电为±6V。

放大器的输入以及级间均采用交流耦合，在实现高通的同时避免前级放大器输出的直流漂移导致后级放大器摆幅不够甚至饱和。在每两级放大器之间加入5阶的巴特沃斯低通滤波器。滤波器的-3dB截止频率为8MHz。各级放大器均为同相放大，第一级输入端阻抗为100KW，第二、三级同相端输入阻抗均为50W，三级放大器的输出阻抗均为50W。由于第二级和第三级放大器的输入端均有滤波器，而滤波器的阻抗匹配（源阻抗与负载阻抗均为50W）会带来6dB的增益损失，因此后两级放大器需要补偿该损失。那么整个放大器的实际增益为：

，与设计预期相吻合。

信号输入端采用交流耦合，C15和R2构成截止频率小于20Hz的高通滤波器，可以隔离直流信号的输入。二极管D1、D2构成双向限幅，一方面防止过大信号输入损坏运放。由R5和R27构成的反馈网络实现10倍增益，同时电阻选取尽可能小的值，从而减小电阻的热噪声。对放大器的电源供电采用磁珠与电容结合的反“G”型低通滤波器，该方式一方面可以减少电源线上各种耦合到放大器中，另一方面可以确保运放的去耦，保证运放的快速响应。此外由于后级放大输出大信号通过辐射、寄生电容等方式可能耦合到电源线，若该信号再通过电源线耦合到前级放大器，当满足正反馈的条件时，会造成放大器的自激振荡。因此，该方式还具有改善放大器稳定性的作用。运放的输出端为交流耦合，由于输出阻抗极小（小于1W），那么串联电阻R26作为滤波器匹配的源电阻的同时，还可以改善运放的容性负载驱动能力，确保运放工作的稳定。

后两级放大器的结构与第一级类似。只是输入端R2的位置采用的是50W，可以减小直流漂移和噪声影响。

滤波器采用五阶巴特沃斯滤波器。50W源阻抗即为放大器输出端的串联电阻，50W负载阻抗为下一级放大器的同相端输入电阻。

放大器的大小并联去耦电容靠近供电引脚尽可能地近，电容的接地引脚也要就近接地。电容的引线越短，串联阻抗ESR越小，高频响应越好；同时引线的串联电感小，电容的谐振频率高，可去耦的频率范围更宽。

运算放大器的反相输入端和输出端对容性负载极其敏感，极小的电容可能都会导致运放自激或工作带宽不足。因此这两个引脚向外的引线应该尽可能短，从而减小对地的寄生电容。

信号流向按照弱信号到大信号方向沿一个方向流动，即第一级到第三级放大器物理位置在一条直线上，在尽可能小的PCB空间中尽可能大的保证小信号放大器到大信号放大器之间的距离，减小后级放大器的大信号输出耦合到前级放大器，造成正反馈，致使运放自激振荡。

电源供电从输出级的位置输入，这样各级放大器的电流都从输出级的位置流回，而输出级的电流不会留到输入级，可以避免输出电流在地线阻抗上的压降反应到输入级，造成正反馈。

放大器的级间的连线尽可能短，且尽量走直线，减小信号环路，减小寄生耦合。走线转角避免90°转角，使用45°转角。由于PCB为两层，底层作为地平面。为确保干净的地参考，地平面应尽量的完整，尽可能少地布放大面积元件，尽可能少地走线从而导致地平面分块。主要器件置于顶层，电源线从顶层走线，走线与信号线保持一定距离，同时尽可能多地避免与信号线平行。

放大器在设计时考虑了器件的选择，合理的放大结构、具体物理设计和电源的选择，这些工作将放大器本身内部的噪声限制到了最小。然而，该放大器的增益高达20000倍，对于环境的电磁辐射极其敏感。微弱的电磁辐射在信号通路中产生的电压被放大都会恶化放大器的噪声性能，严重者甚至完全淹没信号，使被放大的信号难以检测或无法检测。环境噪声主要通过信号输入线，电源线，PCB电路上的走线等的天线作用进入电路，因此主要方法就是屏蔽这些部分。

直流稳压电源放置于MITAT综合控制器机箱中，放大器采用导磁的软铁屏蔽壳包装，放大器的信号地和电源地与屏蔽壳连接。电源通过双芯屏蔽线传输到放大器，电源地连接到屏蔽壳，电源屏蔽线的屏蔽层在两侧均连接到相应的屏蔽壳。信号输入输出线均采用单芯同轴线连接。信号输入线的探头一侧屏蔽层连接到探头的金属外壳，放大器一侧屏蔽层连接到屏蔽壳。信号输出线屏蔽层连接到放大器屏蔽壳。信号的输入输出连接均采用标准的BNC接头，电源线采用双芯的航空插头，从而确保屏蔽的360°搭接和机械结构的可靠。

放大器的输出信号线包含地线（屏蔽层），该地线会与下一级系统相连。放大器除输出屏蔽线外不能与下一级系统的参考地进行连接，否则可能构成地环路，地环路的噪声会严重影响系统的噪声性能。因此，超声探头外壳、放大器外壳以及输入信号线、电源传输线的屏蔽层均与下级系统保持电气隔离，保证只有信号输出线与下级一点相连。

所述圆周扫描转台17底部设置有支架。圆周扫描转台17由可调高度的支架支撑，微波辐射天线从支架中穿过，天线开口向上，正对扫描碗7底部辐射。

微波热致超声成像系统的控制系统如图5所示，系统控制器和信号处理平台之间通过LPT接口连接。系统控制器内集成有低纹波线性电源、开关电源、采样触发发生器、电机驱动器、微波脉冲触发器以及IO接口板。其中低纹波线性电源产生专门用于为12路前置超声放大器供电的±6V直流电源，该电源要求噪声小、纹波小，本方案采用LM317/LM337线性稳压集成电路和NE5532运算放大器组成的双电压伺服电源。开关电源（24V/3A）用于产生扫描步进电机和微波脉冲触发器所需要的24V直流功率电源。微波脉冲触发器用于产生一个24V电平的上升沿，微波脉冲调制器在该上升沿到来的时刻调制2.45GHz磁控管发射高功率微波脉冲。该脉冲包络经检波后进入采样触发器，采样触发器利用此包络信号产生一个TTL-5V电平标准的下降沿信号用于控制信号处理平台内的三张PCI-1714U数据采集卡对放大后的超声波信号进行同步采样。

微波热致超声成像系统对样品有较好的成像检测能力，分辨率可以达到毫米量级。

采取上述方式，就能较好地实现本发明。

Claims (6)

1.用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，包括圆周扫描转台（17），其特征在于：所述圆周扫描转台（17）内部设置有辐射天线，辐射天线上方设置有扫描碗（7），扫描碗（7）设置在圆周扫描转台（17）上方，所述扫描碗（7）上设置有若干个超声探头（8）；所述圆周扫描转台（17）的下方设置有若干个前置放大器，所述前置放大器与超声探头（8）连接；所述扫描碗（7）上设置有若干个通孔，超声探头（8）穿过通孔内部，且设置在碗内的一端与扫描碗（7）的内壁面采用内适配环（9）密封，设置在碗外的一端与扫描碗（7）的外壁面采用外紧固环（10）密封，外紧固环（10）与扫描碗（7）之间设置有O型圈（11），O型圈（11）环绕在超声探头（8）的外壁；水平相邻的超声探头（8）与扫描碗（7）中心之间的角度为30°；竖直相邻的超声探头（8）之间垂直距离为35mm。

2.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，其特征在于：所述圆周扫描转台（17）内部设置有蜗轮（16）以及与蜗轮（16）啮合的蜗杆（12），所述蜗轮（16）的内部设置有轴承托盘（15），轴承托盘（15）中间设置有用于安装辐射天线的孔，扫描碗（7）的底部正对辐射天线设置在轴承托盘（15）上；所述蜗杆（12）连接有步进电机（13），步进电机（13）设置在圆周扫描转台（17）侧壁上，步进电机（13）连接有手轮（14）。

3.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，其特征在于：所述扫描碗（7）采用聚四氟乙烯制成。

4.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，其特征在于：所述圆周扫描转台（17）连接有弯波导，所述弯波导远离圆周扫描转台（17）的一端依次连接有环行器（4）、检波器（3）、变径波导（5）以及磁控管（1），所述变径波导（5）上设置有风冷扇（2）。

5.根据权利要求4所述的用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，其特征在于：还包括吸收负载（6），所述吸收负载（6）通过水冷管道分别与磁控管（1）和环行器（4）连接；所述磁控管（1）与环行器（4）之间通过水冷管道连接。

6.根据权利要求5所述的用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声成像系统，其特征在于：所述检波器（3）与圆周扫描转台（17）连接，圆周扫描转台（17）底部设置有支架；所述前置放大器主要由依次连接的AD797、四阶滤波器、OPA847、四阶滤波器、OPA846构成。 

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