CN105816172B - 一种脑肿瘤微波检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种脑肿瘤微波检测系统，包括在脑皮层的表面均匀地放置若干根信号发射/接收一体天线，所述的信号发射/接收一体天线还同信号源和计算机图像处理系统相连接，用于发射和接收超宽带微波信号，所述的信号源为超宽带微波信号源，所述的计算机图像处理系统包括有图像显示系统和图像存储系统。该脑肿瘤微波检测系统采用超宽带微波源，对人体无害，而且装置的制造成本大大低于磁共振成像设备。

Description

一种脑肿瘤微波检测系统
技术领域
本发明属于微波检测技术领域，也属于临床医学检查影像技术领域，具体涉及一种脑肿瘤微波检测系统，尤其涉及一种医用肿瘤检查装置。
背景技术
目前，传统的X射线技术、计算机断层扫描技术会辐射出射线，破坏人体细胞，对人体的伤害较大。另外，传统的磁共振成像技术，虽然成像效果较好，但是费用昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种脑肿瘤微波检测系统，该脑肿瘤微波检测系统采用超宽带微波源，对人体无害，而且装置的制造成本大大低于磁共振成像设备。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种脑肿瘤微波检测系统及其方法的解决方案，具体如下：
一种脑肿瘤微波检测系统，包括在脑皮层的表面均匀地放置若干根信号发射/接收一体天线，所述的信号发射/接收一体天线还同信号源和计算机图像处理系统相连接，用于发射和接收超宽带微波信号，所述的信号源为超宽带微波信号源，所述的计算机图像处理系统包括有图像显示系统和图像存储系统，基于自主的ICCG-SFDTD电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法，将若干根信号发射/接收一体天线扫描收集到的信息数据进行贮存运算，经计算机处理、重建的脑部图像显示在显示屏上。
在此过程中，图像显示系统采用自主的ICCG-SFDTD电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法求解，利用得到的各个天线接收点的有脑肿瘤时的信号和无脑肿瘤时的信号，然后两者相减，以此来去除从信号发射点到接收点的直达信号和脑部头骨反射回的信号，即可获得脑肿瘤的散射信号；还要对散射信号做积分处理，将散射信号波形的中心从零变为最大值，通过叠加能量使信号变强；另外，当超宽带微波信号进入头骨层后，要经过头骨-脑组织分界面的折射后方才能够进入脑组织内部，此时则需要先计算出脑肿瘤散射信号在脑组织-皮肤分界面上的折射点，然后在求得折射点的坐标后，再计算出脑肿瘤散射信号到各个接收点的传播距离，进而计算出脑肿瘤散射信号从脑肿瘤所在的位置到每个接收点的时延值。这个时候还需要对每个接收点的信号做正确的时延补偿，若在实际脑肿瘤位置处进行时延补偿后，这些信号就可以同相叠加，在叠加后能量会相对较强；而在非脑肿瘤位置处进行时延补偿后，由于信号的相位并不同相，叠加后能量会相互抵消，变得相对较弱，从而能根据信号的强弱显示出脑肿瘤所在的位置。
本发明的有益效果为：
（1）该装置采用超宽带微波源，相比X射线等，对人体无害。
（2）该装置的制造成本相比其他脑肿瘤检测装置要低得多。
(3)该装置在定位脑肿瘤位置的同时，还可以准确杀死癌细胞，达到发现即治疗脑肿瘤的目的，这是现有的脑肿瘤检测装置所不能具备的功能。
附图说明
图1是针对有脑肿瘤的脑组织的微波检测装置的简易说明图。
图2是R2发射/接收天线上脑肿瘤信号积分后的波形仿真图。
图3是R4发射/接收天线上脑肿瘤信号积分后的波形仿真图。
图4是脑肿瘤逆散射成像仿真图。
具体实施方案
下面结合附图对本专利作进一步详细说明
如图1-图4所示，脑肿瘤微波检测系统，图1是针对有脑肿瘤的脑组织的微波检测装置的简易说明图，即为自上而下剖分自眼睛以上的半脑，大体简单设置其为一个半圆形的模型，在脑组织电磁模型最外层为头骨层，在头骨层下面的是呈类半圆形的脑组织，主要影响其介电性质的生物介质为脑脊髓液，并且，在脑组织的下层为脑部肌肉。图中，R为脑组织的半径，黑点位置假设为检测出脑肿瘤所在的位置。在脑皮层的表面均匀地放置如图中所示的R1-R6 6根信号发射/接收一体天线，用于发射和接收超宽带微波信号，以保证可能出现的误差最小化，提高接受信号的准确性。（天线数量可以根据需要相应地增加，可以增加到覆盖整个3D半脑的32根或更多根发射/接收天线）。原理上有些类似于MRI (磁共振成像)系统中梯度线圈的原理，所述的信号发射/接收一体天线还同信号源和计算机图像处理系统相连接，用于发射和接收超宽带微波信号，所述的信号源为超宽带微波信号源，所述的计算机图像处理系统包括有图像显示系统和图像存储系统，基于自主的ICCG-SFDTD电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法，将若干根信号发射/接收一体天线扫描接收到的信息数据进行贮存运算，经计算机处理、重建的脑部图像显示在显示屏上。本发明的脑肿瘤微波检测系统的计算机图像处理系统部分采用的是自主的电磁场算法，相对于传统的电磁场算法，计算精度更高，计算更为准确。装置的图像显示系统采用的是微波逆散射成像算法，在乳腺癌的微波成像中应用较多，比较成熟，但还未应用到脑肿瘤的微波成像中。
本发明的装置采用微波源作为检测信号源，尤其是超宽带（ UWB）微波源，相对于传统的X射线（X-ray）技术、计算机断层扫描（CT）技术及磁共振成像（MRI）技术, 对人体的伤害要小许多。而且，相比上述技术，成本也要低很多，可以快速、准确地早期检测脑肿瘤。比如CT成像技术有和X-ray成像技术一样的缺陷，即二者的X射线辐射会穿透细胞，进而破坏细胞的DNA结构，甚至诱发细胞癌变，不适合在短时间内做反复的检查，对人体的伤害较大，相对并不安全；而MRI技术灵敏度高，成像效果好，但和CT成像技术一样，费用十分昂贵，一次检测费用在几百元到千元，普通病患难以承受。该装置不仅可以检测脑肿瘤，而且在定位脑肿瘤位置后通过微波源的热效应，同时杀死脑肿瘤，达到发现即治疗脑肿瘤的目的。但是，脑部有如脑神经，脑下垂体，淋巴组织以及血管等组织，都会影响脑肿瘤检测及成像的准确性，这就需要精度高的算法来准确辨别这些组织以及脑肿瘤。所以，在计算机图像处理系统部分的ICCG-SFDTD电磁算法上，由于算法本身具有高精度、低数值色散性的特点，可以满足脑肿瘤检测的精度要求。
如上所述，该脑肿瘤微波检测系统的整套检测方案是利用超宽带微波信号源，采用ICCG-SFDTD电磁算法以及微波逆散射成像算法，反演来得到脑肿瘤的位置，并在定位脑肿瘤位置后还可通过超宽带微波的热效应，同时杀死癌细胞，即可以达到发现即治疗脑肿瘤的目的；当向脑部表面某一部位发射超宽带微波信号后，信号会经过脑肿瘤目标，在脑组织内部产生散射，接收点则以此获得脑肿瘤的散射场信息，这其中包含了脑肿瘤的形状及空间位置等信息。
在此过程中，图像显示系统需要采用具有高精度、低数值色散性的自主的ICCG-SFDTD电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法求解，利用得到的各个天线接收点的有脑肿瘤时的信号和无脑肿瘤时的信号，然后两者相减，以此来去除从信号发射点到接收点的直达信号和脑部头骨反射回的信号，即可获得脑肿瘤的散射信号；
但是，由于脑肿瘤的散射信号很微弱，所以还要对散射信号做积分处理，将散射信号波形的中心从零变为最大值，通过叠加能量使信号变强，使得其容易被检测出来，为后续的逆散射成像做准备工作；另外，当超宽带微波信号进入头骨层后，要经过头骨-脑组织分界面的折射后方才能够进入脑组织内部，此时则需要先计算出脑肿瘤散射信号在脑组织-皮肤分界面上的折射点，然后在求得折射点的坐标后，再计算出脑肿瘤散射信号到各个接收点的传播距离，进而计算出脑肿瘤散射信号从脑肿瘤所在的位置到每个接收点的时延值。这个时候还需要对每个接收点的信号做正确的时延补偿，若在实际脑肿瘤位置处进行时延补偿后，这些信号就可以同相叠加，在叠加后能量会相对较强；而在非脑肿瘤位置处进行时延补偿后，由于信号的相位并不同相，叠加后能量会相互抵消，变得相对较弱，从而能根据信号的强弱，清晰地显示出脑肿瘤所在的位置。
图2和图3是R2，R4发射/接收天线上脑肿瘤信号积分后的波形仿真图。
由于R2发射/接收天线距离脑肿瘤位置相对较近，所以接收到的脑肿瘤散射信号峰值较高。相反，R4发射/接收天线距离脑肿瘤位置相对较远，接收到的脑肿瘤散射信号峰值则整体较低。而且各个发射/接收天线初始时刻探测到的信号为零，这是由于超宽带微波信号的传播存在一定的时延造成的。验证了使用超宽带微波源作为该脑肿瘤检测装置的可行性和可靠性。
图4是脑肿瘤逆散射成像仿真图
通过获得6根发射/接收天线上的时延信号，然后信号聚焦叠加，可得到各成像点的能量在计算空间的分布，最后将其能量值按比例转化为像素的灰度值，即可看出能量分布较强的区域，也就是图4中颜色明显突出的圆形部分，即为脑肿瘤所在的位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种脑肿瘤微波检测系统，其特征在于包括在脑皮层的表面均匀地放置若干根信号发射/接收一体天线，所述的信号发射/接收一体天线还同信号源和计算机图像处理系统相连接，用于发射和接收超宽带微波信号，所述的信号源为超宽带微波信号源，所述的计算机图像处理系统包括有图像显示系统和图像存储系统，基于自主的ICCG-SFDTD完全乔列斯基共扼梯度-高阶辛时域有限差分电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法，对若干根信号发射/接收一体天线上扫描接收到的信息数据进行贮存运算，通过计算机处理，重建的脑部图像会显示在显示屏上；图像显示系统采用自主的ICCG-SFDTD电磁算法以及自主的微波逆散射成像算法来求解，利用得到的各个天线接收点的有脑肿瘤时的信号和无脑肿瘤时的信号，然后两者相减，以此来去除从信号发射点到接收点的直达信号和脑部头骨反射回的信号，即可获得脑肿瘤的散射信号；还要对散射信号做积分处理，将散射信号波形的中心从零变为最大值，通过叠加能量使信号变强；另外，当超宽带微波信号进入头骨层后，要经过头骨-脑组织分界面的折射后方才能够进入脑组织内部，此时则需要先计算出脑肿瘤散射信号在脑组织-皮肤分界面上的折射点，然后在求得折射点的坐标后，再计算出脑肿瘤散射信号到各个接收点的传播距离，进而计算出脑肿瘤散射信号从脑肿瘤所在的位置到每个接收点的时延值；
这个时候还需要对每个接收点的信号做正确的时延补偿，若在实际脑肿瘤位置处进行时延补偿后，这些信号就可以同相叠加，在叠加后能量会相对较强；而在非脑肿瘤位置处进行时延补偿后，由于信号的相位并不同相，叠加后能量会相互抵消，变得相对较弱，从而能根据信号的强弱显示出脑肿瘤所在的位置；所述的信号发射/接收一体天线的数量为32根或更多根；
天线数量越多，检测脑肿瘤的准确度越高。
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