CN103202688A

CN103202688A - 超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置

Info

Publication number: CN103202688A
Application number: CN2013101437251A
Authority: CN
Inventors: 邢达; 计钟; 杨思华; 娄存广
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN103202688B

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置。该装置包括微波发生系统、数据采集系统、耦合系统、图像重建系统和微波防漏系统；微波发生系统、耦合系统、数据采集系统、图像重建系统依次连接；微波发生系统和耦合系统设置于微波防漏系统内。本发明利用热声效应，使用超短脉冲微波激发，极大的提高了激发效率，使得所需的微波功率密度极大的减小；利用多元环状阵列超声探测器和数据采集系统，可快速检测乳腺微波吸收差异，检测时间较短，时间分辨率高；检测时只辐照到待测部位，不会泄露到外部空间，不会对外部环境或外部仪器造成干扰；本发明适用性强、操作简便，连续运行时间长，造价低廉，能够有效推动热声技术的产业化和临床应用。

Description

超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置

技术领域

本发明属于热声成像技术领域，特别涉及一种超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置。

背景技术

微波热声成像是一种新型的无损检测技术，因其具有高对比度及高分辨率，安全无损，成像深度高等优点而受到越来越多地关注。用脉冲微波辐照某种物质时，该物质吸收微波能量可引起瞬间温升，如果微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，热能转化为机械能以超声波形式辐射出去，即为热声效应。

热声信号主要来源于组织内部对微波的吸收差异。一般而言，含水量多的组织或器官对微波的吸收较强，而含水量较少的组织或器官有较小的微波吸收。因此微波热声成像系统能对不同的组织器官的边界或者器官内部各成分差异进行成像；另一方面，由于各种病变或人为过程造成组织器官水，盐分等条件改变，影响微波吸收，此时可以通过热声成像系统对其进行检测。正常乳腺组织的主要成分是脂肪，而脂肪吸收的微波吸收系数较小，恶性肿瘤组织的不断生长，必然伴随有更多水分子、离子、微血管增生，这些物质改变了肿瘤内部的电解质平衡，造成了微波的强烈吸收。因此肿瘤组织与以脂肪组织为主的正常乳腺组织之间的介电常数与电导率属性差异较大，都在10倍左右，由电动力学微波吸收公式计算得知，肿瘤组织的微波吸收比正常乳腺组织大6倍左右，这就为乳腺癌成像提供了高对比原理上的基础和依据。微波热声成像系统可以对人体乳腺内部微波吸收差异对比信息，准确而直观的反映人体内部情况，为科学研究提供丰富的材料和信息。

脉冲微波激发的热声成像系统，激发源通常为峰值功率几百KW，脉冲宽度500ns～1μs，频率为1GHz左右的脉冲微波，微波脉冲能量密度约为几个mJ/cm²，成像分辨率约为500μm。热声成像从出现以来，相关的基础研究大都集中在模拟组织及算法研究方面，尽管热声成像具有较高的穿透深度及较好的成像分辨率，然而，其临床应用一直停滞不前。究其原因，我们认为主要来自成像过程中存在潜在微波热损伤，在实时成像的条件下，传统脉冲微波热声成像的辐射剂量远远超过美国国家标准学会（ANSI）的辐射剂量安全标准20mW/cm²，这对热声成像临床应用提出了较大的挑战。寻找提高热声激发效率的途径，减小辐射剂量也成为热声成像的主要研究方向。根据微波激发脉冲宽度与热声效应的关系，微波脉宽越窄，热声效应激发效率越高，所需激发能量密度越小，潜在热损伤越小。此外，时域热声信号是激发源脉冲波形与样品冲击响应的卷积，激发脉冲持续时间越短，相应的热声成像分辨率越高。因此本发明使用超短脉冲微波发生器做激发源。

超声探测器的作用为接收超声波并转换成电信号传导到数据采集-图像重建装置。超声探测器主要分以单元探测器和多元探测器两大类。单元探测器需要利用机械的转动一周采集信号才能重建一帧完整的图像，因此需要花费较多的时间，如果应用于检测乳腺时，被检查乳腺相对探测器移动，会造成图像模糊，影响分辨率，因此寻找能快速检测的超声探测器是当务之急。多元探测器由于多个阵元同时接收声信号，可以在较短的时间内完成数据采集，有效避免了由于采集时间过长带来的各种误差。由于超声波在空气中衰减极大，因此在发声物体到探测器之间要涂超声耦合液，超声耦合液一般是去离子水或者矿物质油。为了避免微波泄露周围仪器造成损害，整个热声发生过程都应在全封闭的微波防漏设备里进行。

超短脉冲微波激发的效率较高，检测时所需的能量密度较小，功率密度与重复频率和能量密度成正比，在实时成像中脉冲重复频率较大，此时能量密度小可以使整体功率密度较小，所以此方法安全无损。实现实时成像需要较快的采集速度，利用环状阵列超声探测器和多元采集系统可以实现较快的采集。采集速度快可以使被检测者暴露在微波下的时间减少，也可以使图像的时间分辨率提高。由此可见，设计制造一种新型的，安全的，高效的，超短脉冲微波热声乳腺检测装置是必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，包括微波发生系统、数据采集系统、耦合系统、图像重建系统和微波防漏系统；微波发生系统、耦合系统、数据采集系统、图像重建系统依次连接；微波发生系统和耦合系统设置于微波防漏系统内；

所述的微波发生系统包括脉冲微波发生器、发射天线（或波导）和函数信号发生器；函数信号发生器与脉冲微波发生器连接，发射天线（或波导）设置于脉冲微波发生器上；函数信号发生器产生重复频率1～50Hz、脉冲宽度1-10us的电脉冲，触发脉冲微波发生器产生脉冲宽度20ns以下的短电脉冲，此短电脉冲通过发射天线（或波导）后，能量通过脉冲微波形式传播；

所述的脉冲微波发生器优选为高功率脉冲微波发生器，其脉冲峰值功率在100KW以上；所述的脉冲微波发生器的辐照范围大于100cm²，在辐照范围内的单脉冲能量密度范围优选为0.1～1Jcm²；重复频率可调，优选为1～20Hz；主频范围优选为100MHz～1GHz；脉冲宽度小于20ns；脉冲微波发生器微波发生系统主要用于激发脉冲微波；

所述的天线或波导要适于微波发生器主频处的微波辐射；

所述的数据采集系统包括依次连接的环状阵列超声探测器、前置放大器、切换装置、主放大器和数据采集卡，切换装置与函数信号发生器连接；环状阵列超声探测器的N个阵元分别用N路并行信号引出，每一路都经过前置放大器对其预放大，然后这N路并行信号经过切换装置分时分成N/M组数据（M为数据采集卡的通道数），每一组数据经过主放大器后被数据采集卡采集；数据采集系统的主要作用是对超声信号进行放大和采集；

所述的环状阵列超声探测器接收热声信号并转换为电信号，该电信号的全部通道经过前置放大器放大，然后依次经过切换电路、数据采集卡和主放大器输入计算机并储存；

所述的环状阵列超声探测器为多元环状阵列超声探测器，设置于耦合系统内；在工作中，多元环状阵列超声探测器不需移动；

所述的多元环状阵列超声探测器的内径范围优选为10～20cm；主频优选为1～10MHz；阵元数目大于或等于100个；回波响应大于60dB，各个阵元间响应强度差距小于或等于20%；

所述的切换装置利用时域波分复用技术，使各个阵元的信号分次经过数字采集卡采集；

所述的耦合系统包括检测耦合平台、乳房匹配器，声透镜和耦合液；检测耦合平台与乳房匹配器通过螺纹固定紧合；所述的环状阵列超声探测器设置于检测耦合平台上；所述的声透镜的外壁紧贴多元环状阵列超声探测器；耦合系统用于承载待测乳房和对超声波进行耦合；

所述的检测耦合平台为一有机玻璃容器，内部浸满耦合液；检测耦合平台用于支撑乳房和对超声波进行耦合；

所述的耦合液为去离子水或矿物质油；

所述的乳房匹配器为薄膜材料制成的半球形部件，用于承载待测乳房；

所述的薄膜材料优选为聚四氟乙烯材料，其微波吸收小，声阻抗介于水和人体组织之间，可尽量减小微波和超声的损失；为了减少被检查者不适感，乳房匹配器可以制成不同大小备用；

所述的声透镜优选为一环形有机玻璃，内壁做成具有负曲率（即凹形）的透镜状；声透镜的主要作用是提高探测器的层析能力；声透镜有两种状态，即on和off，off状态中不使用声透镜，此时层析能力较弱，但是在竖直方向（z方向）视野范围较大（一般有1～3cm），适合快速筛选检测；on状态中使用声透镜，此时层析能力较强（0.5～2mm），z方向视野小，如做三维成像需要较多的步数，扫描时间长，适合复检；

所述的图像重建系统包括计算机和图像重建软件；图像重建软件安装于计算机内，计算机与数据采集卡连接；图像重建系统利用malab（或c语言等）软件编写的多元滤波反投影程序将采集到的数据重建出反映乳腺内微波吸收差异的图像；

所述的多元滤波反投影程序包括数据排列模块、滤波模块、投影画弧模块、显示模块和三维重建模块；数据排列模块的功能在于将采集卡采集到的热声信号均匀排列在探测器直径大小的圆周上；滤波模块的主要作用是将数据进行频域滤波，小波变化，取最大值，归一化等处理；投影画弧模块的主要作用是将处理过的信号反投影在二维面上；显示模块的主要作用是将二维图像显示到显示器上；三维重建模块的主要作用是将多组二维图像组成三维图像；

所述的微波防漏系统包括微波屏蔽室和微波吸收材料，微波吸收材料贴于微波屏蔽室的内壁上；所述的微波发生系统和耦合系统设置于微波屏蔽室内；微波防漏系统主要起微波屏蔽作用，防止微波泄露到外部空间，避免对外部环境或外部仪器造成干扰；

所述的微波屏蔽室的侧面优选设置有截止波导管；截止波导管可以作为接信号线用的孔，其余部分全封闭；

所述的微波屏蔽室的侧面优选靠近数据采集系统的侧面；

所述的截止波导管的直径和长度根据微波主频计算：d<17.6×10⁹/fc式中：d是圆形波导管的内直径，单位是cm，fc的单位是Hz；长度理论上越长越好，在实际情况下，一般要0.5m以上；

所述的微波屏蔽室优选为5～10mm厚的铁箱；铁箱的所有缝隙用铜网塞紧并接地处理；微波遇到金属后会发生趋肤效应，即只在金属表层有微波存在，其趋肤深度在微米量级，形成电流经接地线导向大地，大部分能量被导走，因而不会在微波防漏设备内部来回反射；

所述的微波吸收材料的厚度优选为5～10cm；

所述的微波吸收材料为磁损型微波吸收材料，优选为填充磁性材料的聚合物；

所述的磁性材料优选为铁氧体或羰基铁粉；

所述的聚合物优选为环氧聚硫、硅橡胶、尿烷或氟弹性体制成的薄层材料；

运用上述超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置的乳腺成像检测方法，包括以下步骤：

（1）待测者平躺在检测耦合平台上，并将乳房放置在乳房匹配器内，调节高度使待测部位平行于环状阵列探测器平面，待测部位浸入耦合液中；

（2）开启脉冲微波发生器产生超短脉冲微波，经微波天线（或波导）传输到待测者上，利用热声效应激发产生超声波信号；超声波信号经耦合液传输到环状阵列超声探测器上，在环状阵列超声探测器上转换为电信号传入数据采集系统；

如需进行乳腺三维图像，则探测前需加声透镜，调节升降电机，重复上述步骤；

超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置的工作原理为：脉冲微波发生器发出脉冲微波，经发射天线（或波导）辐照到待测乳腺上，待测乳腺吸收微波能量引起瞬间温升，此时微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，产生热声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。此热声信号反映了乳腺体内组织或器官微波吸收差异的信息，环状阵列探测器中每个通道接收到同一平面不同位置的热声信号，全部通道的热声信号转换成电信号传导到计算机中，经过图像重建系统可还原出完整的反映乳房微波吸收差异的图像。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明利用热声效应，将微波发生系统和耦合系统设置于微波防漏系统内，可以快速检测乳腺微波吸收差异，检测时间较短，极大的提高了时间分辨率，还可以对乳房内的某些分子或物质的分布情况进行实时监测；检测时只辐照到待测部位，不会泄露到外部空间，不会对外部环境或外部仪器造成干扰；脉冲微波辐照在皮肤上的功率在20mW/cm²以下，符合国家安全标准；

（2）本发明的装置适用性强，操作简便，一体化程度高，工作稳定，连续运行时间长，造价低廉；对于实现热声技术的产业化和临床有巨大的推动作用。

附图说明

图1实施例1的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置的结构示意图；其中：1-1脉冲微波发生器、1-2发射天线、1-3函数函数信号发生器、1-4环状阵列超声探测器、1-5前置放大器、1-6切换装置、1-7主放大器、1-8数据采集卡、1-9检测耦合平台、1-10乳房匹配器、1-11声透镜、1-12耦合液、1-13计算机、1-14微波屏蔽室、1-15微波吸收材料。

图2是实施例1的数据采集系统的信号走向图；其中：2-1256阵元的环状阵列超声探测器、2-2切换装置、2-364路数据采集卡。

图3是实施例2的离体乳腺肿瘤成像结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置包括微波发生系统、数据采集系统、耦合系统、图像重建系统和微波防漏系统；微波发生系统、耦合系统、数据采集系统、图像重建系统依次连接；微波发生系统和耦合系统设置于微波防漏系统内；

微波发生系统包括脉冲微波发生器1-1（辐射微波的峰值功率为4～40MW，脉冲宽度为10ns）、发射天线1-2和函数信号发生器1-3；脉冲微波发生器1-1和函数信号发生器1-3连接，发射天线1-2设置于脉冲微波发生器1-1上；

脉冲微波发生器1-1为高功率脉冲微波发生器；其峰值功率为40MW，辐照范围为500cm²，在辐照范围内的单脉冲能量密度约为0.8mJ/cm²；工作时重复频率为20Hz，；主频范围为450MHz；脉冲宽度为10ns；

发射天线1-2适于脉冲微波发生器1-1主频处的微波辐射；

数据采集系统包括依次连接的环状阵列超声探测器1-4、前置放大器1-5、切换装置1-6、主放大器1-7和数据采集卡1-8，切换装置1-6与函数信号发生器1-3连接；

多元环状阵列探测器1-4的256个阵元分别用256路并行信号引出，每一路都经过前置放大器1-5对其预放大，然后这N路并行信号经过切换装置1-6分时分成4组数据（64为数据采集卡的通道数），每一组数据经过主放大器1-7后被数据采集卡1-8采集，数据采集系统的信号走向图如图2所示；

环状阵列超声探测器1-4接收热声信号并转换为电信号，该电信号的全部通道经过前置放大器1-5放大，然后依次经过切换装置1-6、主放大器1-7和数据采集卡1-8输入计算机1-13并储存；

环状阵列超声探测器1-4为256阵元的环状阵列超声探测器（主频在10MHz），设置于耦合系统内；在工作中，256阵元的环状阵列超声探测器不需移动；256阵元的环状阵列超声探测器的内径为20cm；主频为10MHz；回波响应为69dB，各个阵元间响应强度差距小于20%；切换装置1-6利用时域波分复用技术，使各个阵元的信号分次经过数字采集卡1-8采集；

耦合系统包括检测耦合平台1-9、乳房匹配器1-10、声透镜1-11和耦合液1-12；检测耦合平台1-9与乳房匹配器1-10通过螺纹固定紧合；环状阵列超声探测器1-4设置于检测耦合平台1-9上；声透镜1-11的外壁紧贴环状阵列超声探测器1-4；

检测耦合平台1-9为一有机玻璃容器，内部浸满耦合液1-12；

耦合液1-12为去离子水；

乳房匹配器1-10为薄膜材料制成的半球形部件；薄膜材料为聚四氟乙烯材料，乳房匹配器可以制成不同大小备用；

声透镜1-11为一环形有机玻璃，内壁做成具有负曲率（即凹形）的透镜状；

图像重建系统包括计算机1-13和图像重建软件；图像重建软件安装于计算机内，计算机1-13与数据采集卡1-8连接；

图像重建系统利用malab软件编写的多元滤波反投影程序将采集到的数据重建出反映乳腺内微波吸收差异的图像；

多元滤波反投影程序包括数据排列模块、滤波模块、投影画弧模块、显示模块和三维重建模块；数据排列模块的功能在于将采集卡采集到的热声信号均匀排列在探测器直径大小的圆周上；

微波防漏系统包括微波屏蔽室1-14和微波吸收材料1-15，微波吸收材料1-15贴于微波屏蔽室1-14的内壁上；微波发生系统和耦合系统设置于微波屏蔽室1-14内；

微波屏蔽室1-14的侧面设置有0.5m长截止波导管；截止波导管作为接信号线用的孔，其余部分全封闭；

微波屏蔽室1-14的侧面为靠近数据采集系统的侧面；

微波屏蔽室1-14为10mm厚的铁箱；铁箱的所有缝隙用铜网塞紧并接地处理；微波吸收材料为填充四氧化三铁粉末的硅橡胶（大连东信微波吸收材料有限公司，SA-600），其厚度为10cm；

脉冲微波发生器1-1发出脉冲微波，经发射天线1-2辐照到待测乳腺上，待测乳腺吸收微波能量引起瞬间温升，此时微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，产生热声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。此热声信号反映了乳腺体内组织或器官微波吸收差异的信息，环状阵列探测器中每个通道接收到同一平面不同位置的热声信号，全部通道的热声信号转换成电信号传导到计算机中，经过图像重建系统可还原出完整的反映乳房微波吸收差异的图像。

实施例2

运用实施例1的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置的乳腺成像检测方法，包括以下步骤：

（1）待测者平躺在检测床上，并将乳房放置在乳房匹配器内，调节高度使待测部位平行于环状阵列探测器平面，待测部位浸入耦合液中；

（2）开启脉冲微波发生器产生超短脉冲微波，经微波天线传输到乳腺体上，利用热声效应激发产生超声波信号；超声波信号经耦合液传输到超声探测器上，在超声探测器上转换为电信号传入数据采集系统；成像结果如图3所示；

图3是使用本发明装置，对一个离体肿瘤的做热声成像。图像中亮区域代表肿瘤实际位置，对应强微波吸收。暗区代表脂肪，对应弱微波吸收。由图3可见，利用本发明的装置，能够区分正常乳房组织与肿瘤组织，从而实现对乳腺的检测。本发明检测装置的热声成像分辨率达到0.1mm，足以辨析百微米量级微小肿瘤；图像对比度很高，可以在临床中推广。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于包括微波发生系统、数据采集系统、耦合系统、图像重建系统和微波防漏系统；微波发生系统、耦合系统、数据采集系统、图像重建系统依次连接；微波发生系统和耦合系统设置于微波防漏系统内；

所述的微波发生系统包括脉冲微波发生器、发射天线和函数信号发生器；函数信号发生器与脉冲微波发生器连接，发射天线设置于脉冲微波发生器上；

所述的数据采集系统包括依次连接的环状阵列超声探测器、前置放大器、切换装置、主放大器和数据采集卡，切换装置与所述的函数信号发生器连接；

所述的耦合系统包括检测耦合平台、乳房匹配器，声透镜和耦合液；检测耦合平台与乳房匹配器通过螺纹固定紧合，耦合液置于检测耦合平台内；所述的环状阵列超声探测器设置于检测耦合平台上；声透镜的外壁紧贴环状阵列超声探测器；

所述的图像重建系统包括计算机和图像重建软件；图像重建软件安装于计算机内，计算机与数据采集卡连接；

所述的微波防漏系统包括微波屏蔽室和微波吸收材料，微波吸收材料贴于微波屏蔽室的内壁上。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的脉冲微波发生器为高功率脉冲微波发生器，其脉冲峰值功率在100KW以上，脉冲宽度小于20ns，辐照范围大于100cm²，在辐照范围内的单脉冲能量密度范围为0.1～1mJ/cm²；重复频率为1～20Hz；主频范围为100MHz～1GHz。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的微波发生系统和耦合系统设置于微波屏蔽室内。

4.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的环状阵列超声探测器为多元环状阵列超声探测器。

5.根据权利要求4所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的多元环状阵列超声探测器的内径范围为10～20cm，主频为1～10MHz，阵元数目大于或等于100个，回波响应大于60dB，各个阵元间响应强度差距小于或等于20%。

6.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的检测耦合平台为一有机玻璃容器，内部浸满耦合液。

7.根据权利要求1或6任一项所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的耦合液为去离子水或矿物质油。

8.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的声透镜为一环形有机玻璃，内壁做成具有负曲率的透镜状。

9.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的微波屏蔽室为5～10mm厚的铁箱；铁箱的所有缝隙用铜网塞紧并接地处理。

10.根据权利要求1所述的超短脉冲微波热声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述的微波吸收材料的厚度为5～10cm。