CN109350054A - 一种脑部成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脑部成像系统，利用微波信号收发单元向脑部发射微波信号并以及接收微波散射信号，上位机根据微波散射信号实现脑部成像，获取脑部组织的图像；克服现有技术中脑部图像获取设备体积庞大且不可移动的技术问题，脑部成像系统结构简单且微波信号收发一体化可有效降低脑部成像系统的体积。

Description

一种脑部成像系统
技术领域
本发明涉及成像领域，尤其是一种脑部成像系统。
背景技术
随着中国经济发展，人们工作生活压力的增大以及饮食不规律，脑卒中的发病率愈趋年轻化，逐渐成为一种高发型、高死亡率、高致残率的社会性疾病，严重脑卒中可造成永久性神经损伤，急性期如果不及时诊断和治疗可造成严重的并发症，甚至死亡。在医学上，三小时以内被认为是脑卒中疾病的黄金治疗期，正常脑组织在缺血三小时后可能出现不可逆变化，六小时后缺血脑细胞将出现坏死。如果因脑卒中引起的脑梗死患者及早就医诊断，就可能在脑血管没有发生完全不可逆转损伤之前，恢复氧供和血供功能，从而恢复患者的脑细胞组织全部或部分功能，实现脑卒中疾病的有效治疗。脑卒中的早诊断、早治疗可以明显降低致残、致死率。
目前针对脑卒中患者的常规检测手段包括MRI成像和头颅CT诊断设备，其体积庞大且不可移动，难以达到对脑卒中患者进行及时诊断的需求，可能存在延误病情诊断等情况，将错过脑卒中患者的黄金治疗期。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种脑部成像系统，用于获取脑部组织的图像。
本发明所采用的技术方案是：一种脑部成像系统，包括微波信号收发单元和上位机，所述微波信号收发单元与所述上位机连接，所述微波信号收发单元用于向脑部发射微波信号和接收微波散射信号，所述上位机用于根据所述微波散射信号进行脑部成像。
进一步地，所述微波信号收发单元包括信号发生源、数据采集及传输模块、微波信号收发模块、电子矩阵开关模块和微波天线阵列，所述信号发生源的输出端与所述数据采集及传输模块的输入端连接，所述数据采集及传输模块与所述微波信号收发模块、所述电子矩阵开关模块均连接，所述微波信号收发模块与所述电子矩阵开关模块连接，所述电子矩阵开关模块与所述微波天线阵列连接，所述上位机与所述数据采集及传输模块、所述电子矩阵开关模块均连接。
进一步地，所述微波信号收发单元还包括用于旋转微波天线的机械扫描旋转模块，所述微波天线阵列与所述机械扫描旋转模块连接，所述上位机与所述机械扫描旋转模块连接。
进一步地，所述微波天线阵列为半球形微波天线阵列。
进一步地，所述微波天线阵列为宽带天线阵列。
进一步地，所述信号发生源为矢量网络分析仪。
进一步地，所述微波天线阵列中的一个微波天线向脑部发射微波信号，所述微波天线阵列中其他的微波天线接收微波散射信号，所述电子矩阵开关模块切换发射微波信号的微波天线以实现多基地测量，所述上位机根据所述微波散射信号重构脑部图像。
进一步地，所述微波散射信号包括环境参考反射信号和脑部组织反射信号；
所述上位机根据所述微波散射信号重构脑部图像具体包括：
所述上位机根据所述环境参考反射信号和所述脑部组织反射信号获取相对应的时域信号，所述相对应的时域信号分别为环境时域信号和脑部组织时域信号；
根据所述环境时域信号和所述脑部组织时域信号获取第一校准信号，所述第一校准信号为所述脑部组织时域信号与所述环境时域信号的差值；
利用合成聚焦法获取所述微波天线阵列的微波信号往返时间；
根据所述第一校准信号和所述微波信号往返时间获取图像像素点的强度值；
根据所述像素点的强度值重构脑部图像。
进一步地，所述上位机还对所述第一校准信号进行去噪处理以获取第二校准信号，并根据所述第二校准信号和所述微波信号往返时间获取图像像素点的强度值重构脑部图像。
本发明的有益效果是：
本发明一种脑部成像系统，利用微波信号收发单元向脑部发射微波信号并以及接收微波散射信号，上位机根据微波散射信号实现脑部成像，获取脑部组织的图像；克服现有技术中脑部图像获取设备体积庞大且不可移动的技术问题，脑部成像系统结构简单且微波信号收发一体化可有效降低脑部成像系统的体积。
附图说明
图1是本发明一种脑部成像系统的一具体实施例结构示意图；
图2是本发明一种脑部成像系统的微波天线阵列的一具体实施例结构示意图；
图3是本发明一种脑部成像系统中多基地扫描的一具体实施例结构示意图；
图4是本发明一种脑部成像系统的图像重构算法的一具体实施例流程图；
图5是本发明一种脑部成像系统的微波天线阵列的一具体实施例位置示意图；
图6是本发明一种脑部成像系统的一具体实施例像素点位置示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种脑部成像系统，包括微波信号收发单元和上位机，微波信号收发单元与上位机连接，微波信号收发单元用于向脑部发射微波信号和接收微波散射信号，上位机用于根据微波散射信号进行脑部成像。
本发明一种脑部成像系统，利用微波信号收发单元向脑部发射微波信号并以及接收微波散射信号，上位机根据微波散射信号实现脑部成像，获取脑卒中患者的脑部组织的图像，利用脑部组织的图像可以有效地辅助对脑卒中患者的诊断治疗，降低脑卒中患者的致残、致死率；脑部成像系统结构简单，且采用微波信号收发单元的一体化设计将会大大的降低脑部成像系统的体积，具备有便携式和可移动性等优势，克服了现有技术中脑卒中患者的脑部图像获取设备体积庞大且不可移动的技术问题。
下面对脑部成像系统做具体说明：参考图1，图1是本发明一种脑部成像系统的一具体实施例结构示意图；微波信号收发单元包括信号发生源、数据采集及传输模块、微波信号收发模块、电子矩阵开关模块、微波天线阵列以及用于旋转微波天线的机械扫描旋转模块，信号发生源的输出端与数据采集及传输模块的输入端连接，数据采集及传输模块与微波信号收发模块、电子矩阵开关模块均连接，微波信号收发模块与电子矩阵开关模块连接，电子矩阵开关模块、机械扫描旋转模块均与微波天线阵列连接，上位机与数据采集及传输模块、电子矩阵开关模块、机械扫描旋转模块均连接。
进一步地，参考图1，本发明中，信号发生源为矢量网络分析仪，用于产生激励信号。而微波天线阵列是脑部成像系统的核心部分，利用微波天线阵列可以对脑缺血或者脑出血的脑组织进行微波图像重建。具体地，本发明的微波天线阵列为宽带天线阵列。微波探测信号一般有5GHZ的带宽，为减少高频率的微波信号在脑部组织中传播导致的严重的衰减，系统所选的微波频率在1-3GHZ之间，1-3GHz的超宽带信号和普通的单频信号相比，能够增强图像解析度，抑制噪声，减少误诊率。同时，体积过大的天线设计影响天线阵列的布局，因此，微波天线阵列为小型化宽带天线阵列。更进一步地，如图2所示，图2是本发明一种脑部成像系统的微波天线阵列的一具体实施例结构示意图；微波天线阵列为半球形微波天线阵列，多个用于发射和接收的微波天线均匀地分布于半球形区域内，以便能紧密的包裹脑部，通过微波天线阵列测量所得的散射场，可以还原被测脑部组织的介电特性，从而达到无创检测的目的。半球形微波天线阵列包含多个发射阵列和接收阵列，以便集中的波束发射到脑组织中，从而提高成像的分辨率。即微波天线阵列上每个微波天线都可以独立作为发射端或接收端，参考图3，图3是本发明一种脑部成像系统中多基地扫描的一具体实施例结构示意图；其中，圆圈表示微波天线，虚线为微波信号；当微波天线阵列的某些微波天线作为发射端口时，这些微波天线会依次有序地发射宽带微波信号，同时，微波天线阵列上其余的天线均为接收端测量散射场，通过各个接收端所测得的信号功率、天线参数来重构介电特性，这种测量方法被称为多基地扫描方法，通过利用经由不同传播路径接收到的信号来得到更丰富的关于脑组织病变的信息。通过使用多个极化天线(表示发射和接收天线方向相同的阵列)，可以进一步增强多角度的信号收集。
参考图1，电子矩阵开关模块的主要功能是通过电子扫描的方式来选择微波天线阵列中所需要的发射天线和接收天线。为了提升成像的分辨率，采用多组微波天线构成的微波天线阵列工作模式，微波天线阵列通过电子矩阵开关模块与微波信号收发模块进行连接，上位机通过修改电子矩阵开关模块的工作时序，即能够实现微波信号收发模块的复合使用，能够大大的降低脑部成像系统的硬件成本；具体地，上位机将设定的逻辑时序传入电子矩阵开关模块以控制高低电平切换，从而控制某个微波天线进行信号传输并同时控制其他微波天线进行信号接收；同时，由于电子矩阵开关模块的打开和闭合功能，是由外部高低逻辑电平控制，更加提升了微波天线阵列的工作模式切换的灵活性。因此，在电子矩阵开关模块的辅助下，采用同一微波信号收发模块来实现微波天线阵列中各组微波天线的工作，相对采用多组微波信号收发模块来说，不仅能够降低脑部成像系统的硬件成本，同时也能够最大程度上保持微波信号收发模块的一致性和稳定，能够在一定程度上保持信号的保真度，降低了外部硬件因素的影响。
参考图1，机械扫描旋转模块用于控制微波天线阵列中微波天线的旋转，包括旋转步进、选择速度等，上位机通过设定机械扫描旋转模块的步进，可以很轻松的改变微波天线阵列的物理位置，既能避免天线阵列排列过于密集存在相互间耦合的问题，采用微步进移动也能够采集到更精确的微波数据信号，提升微波三维重建算法的精度。而数据采集及传输模块主要负责选取适当信号来作为激发天线信号，并采集1-3GHz的微波信号，同时也与负责重构图像的上位机进行对接，主要包括以下几个部分：
(a)、负责电子矩阵开关模块的逻辑电平的传输；将上位机设定的逻辑时序传入电子矩阵开关模块以控制其硬件的高低电平切换，从而控制某个微波天线进行信号传输并同时控制其他微波天线进行信号接收。
(b)、功率放大作用；用于把传输信号放大，提高信号的辐射强度，提升微波信号的穿透深度。
(c)、负责射频信号的降频处理，获取接收信号的幅度和相位信息，并进行模数转换以供上位机处理。
实际工作中，上位机通过数据采集及传输模块给微波信号收发模块及电子矩阵开关模块发送相应的控制信号，使得微波信号收发模块能够工作。在微波信号收发模块的发射端口，将微波电子信号经过电子矩阵开关模块传输到微波天线阵列端口，微波天线发射出微波辐射信号，在微波信号收发模块的接收端口，脑部组织散射的微波信号被接收端天线所接收，并经过电子矩阵开关模块传入接收端口，按照电子矩阵开关模块的开关工作时序完成该步骤，直至上位机所传输的控制时序均完成采集。此时，上位机给机械扫描旋转模块传输机械旋转指令(包括旋转速度、旋转步进等指令)，机械电机将带动微波天线阵列旋转到下一角度，并重复电子矩阵开关模块的工作时序，重复以上信号收发步骤直到完整的微波散射数据采集完成。通过一系列的操作(多基地扫描以及改变微波天线的物理位置)，能够平衡微波信号采集的精度和系统整体运行时间之间的关系。上位机包括图像重构算法，图像重构算法根据微波天线所获取得到的微波散射数据利用全息傅里叶变换的算法思想，将微波信号的频谱信息与空间距离信息构成对应关系，从而得出因为脑卒中导致脑组织信号产生变化的空间信息，重构出脑部组织的三维空间图像，继而根据脑部组织的图像可以确定脑卒中患者的病变部位的位置以及病变的类型。具体地，由于人体不同组织具有不同的电磁特性，即介电常数和电导率，这些参数的不同也是微波成像能够区分不同组织差异的关键因素。脑部组织产生病变后，会产生与正常组织不同的电磁特性，提取到脑功能信号模型的电常数后，可以形成频谱信息，再利用全息傅里叶变换的算法思想，将信号的频谱信息与空间距离构成对应关系，从而得出因为脑卒中导致脑组织信号产生变化的空间信息，重构出三维空间图像，这样可以得到脑卒中患者脑部的初步成像图。因为脑组织复杂性、信号的微弱性，重构图像必然包含不必要的噪声信息。因此，图像重构算法利用计算机降噪算法，去除背景噪声，提取图像的特征本量，对重构图像进行二次图像处理，可以有效地将目标物体从背景中分离出来，最终构成分辨率高的脑卒中患者脑部的重构图像，供患者或者医护人员检测分析。
参考图4，图4是本发明一种脑部成像系统的图像重构算法的一具体实施例流程图，下面对图像重构算法做具体说明：
1、上位机通过电子矩阵开关模块控制微波天线阵列实现多基地扫描，微波信号经过脑部组织散射后，微波天线阵列可获取到微波散射信号，将微波天线阵列对应到覆盖面积为200mm*200mm的网格(6*6)中的36个位置上，如图5所示，图5是本发明一种脑部成像系统的微波天线阵列的一具体实施例位置示意图，图5中微波天线阵列以36个微波天线为例，下面的说明也以36个微波天线为例进行说明。
2、微波散射信号包括环境参考反射信号和脑部组织反射信号，可相应的得到两组频域数据，分别为EXY(f)和BEXY(f)，EXY(f)表示环境参考反射数据，BEXY(f)表示带有脑部组织环境下的反射数据，用逆快速傅里叶变换(IFFT)将天线阵列的频域测量EXY(f)和BEXY(f)转换为环境时域信号EXY(t)和脑部组织时域信号BEXY(t)，其中，
EXY(t)＝ifft(EXY(f))，
BEXY(t)＝ifft(BEXY(f))。
3、根据环境时域信号EXY(t)和脑部组织时域信号BEXY(t)获取第一校准信号BXY(t)，第一校准信号BXY(t)为脑部组织时域信号BEXY(t)与环境时域信号EXY(t)的差值：
BXY(t)＝BEXY(t)-EXY(t)。
4、为了减少环境以及天线耦合干扰，上位机对第一校准信号BXY(t)进行去噪处理以获取第二校准信号PXY(t)，具体的去噪处理方法为：以微波天线阵列有36个微波天线为例，对图5的网格内6*6共36个BXY(t)信号进行每行平均化处理，将每行BXY(t)相加后除以该行的数据量，即得到平均化脑部组织信号AX(t)；即
N表示每行天线的个数，在这里为定值6；则AX(t)的值分别为A1(t)......A6(t)；
然后将每个第一校准信号BXY(t)减去平均脑部组织信号AX(t)，得到第二校准信号PXY(t)；PXY(t)＝BXY(t)-AX(t)；得到一组6*6的第二校准信号PXY(t)。
5、利用合成聚焦法获取微波天线阵列的微波信号往返时间，具体的获取方法如下：
(1)生成像素点
为了在坐标X、Y处生成像素点，使用面积300mm*300mm的网格，提高图像的分辨率，如图6所示，图6是本发明一种脑部成像系统的一具体实施例像素点位置示意图；如图5所示，微波天线的位置覆盖区域是200mm*200mm，为了提高图像分辨率，人为的设定像素点面积在300mm*300mm的区域内，像素点的面积可以更大或者更小，但是过大或过小，会引起图像失真或边界模糊。以300mm*300mm为例，则微波天线的位置从200mm*200mm的区域对应到300mm*300mm的区域内，相当于放大。
(2)计算从每个微波天线位置到每个像素点的往返距离
每个微波天线位置X，Y到像素点的距离用以下公式计算：
其中，h是微波天线到脑部出血点的距离，xi、yj分别是像素点的坐标，微波天线位置坐标为(X，Y)，DXY(xi，yj)表示微波天线位置(X，Y)到像素点(xi，yj)的往返距离；具体地，可以利用微波雷达天线测量出介电常数不同的脑部组织出血点，脑部出血点的确定方法为现有技术，不再赘述。
(3)计算微波信号往返时间tXY(xi,yj)，
其中，c是微波传播速度，即光速；εr是传播介质的介电常数。
6、根据第二校准信号PXY(t)和微波信号往返时间tXY(xi,yj)获取图像像素点的强度值；
每个像素点(xi，yj)的强度值即可表示为
其中，r是每列微波天线的天线个数；
C是每行微波天线的天线个数；
I(xi,yj)是像素点(xi，yj)的强度值。
7、根据像素点的强度值重构脑部图像。
至此，本发明采用微波信号收发单元的一体化设计，降低了成像系统的体积，同时采用先进的三维成像算法，加速成像结果的处理和分析，获取脑卒中患者的脑部图像，以辅助医生快速、有效对脑卒中患者进行诊断治疗，降低脑卒中的致残、致死率。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种脑部成像系统，其特征在于，包括微波信号收发单元和上位机，所述微波信号收发单元与所述上位机连接，所述微波信号收发单元用于向脑部发射微波信号和接收微波散射信号，所述上位机用于根据所述微波散射信号进行脑部成像。
2.根据权利要求1所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波信号收发单元包括信号发生源、数据采集及传输模块、微波信号收发模块、电子矩阵开关模块和微波天线阵列，所述信号发生源的输出端与所述数据采集及传输模块的输入端连接，所述数据采集及传输模块与所述微波信号收发模块、所述电子矩阵开关模块均连接，所述微波信号收发模块与所述电子矩阵开关模块连接，所述电子矩阵开关模块与所述微波天线阵列连接，所述上位机与所述数据采集及传输模块、所述电子矩阵开关模块均连接。
3.根据权利要求2所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波信号收发单元还包括用于旋转微波天线的机械扫描旋转模块，所述微波天线阵列与所述机械扫描旋转模块连接，所述上位机与所述机械扫描旋转模块连接。
4.根据权利要求2或3所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波天线阵列为半球形微波天线阵列。
5.根据权利要求2或3所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波天线阵列为宽带天线阵列。
6.根据权利要求2或3所述的脑部成像系统，其特征在于，所述信号发生源为矢量网络分析仪。
7.根据权利要求2或3所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波天线阵列中的一个微波天线向脑部发射微波信号，所述微波天线阵列中其他的微波天线接收微波散射信号，所述电子矩阵开关模块切换发射微波信号的微波天线以实现多基地测量，所述上位机根据所述微波散射信号重构脑部图像。
8.根据权利要求7所述的脑部成像系统，其特征在于，所述微波散射信号包括环境参考反射信号和脑部组织反射信号；
所述上位机根据所述微波散射信号重构脑部图像具体包括：
所述上位机根据所述环境参考反射信号和所述脑部组织反射信号获取相对应的时域信号，分别为环境时域信号和脑部组织时域信号；
根据所述环境时域信号和所述脑部组织时域信号获取第一校准信号，所述第一校准信号为所述脑部组织时域信号与所述环境时域信号的差值；
利用合成聚焦法获取所述微波天线阵列的微波信号往返时间；
根据所述第一校准信号和所述微波信号往返时间获取图像像素点的强度值；
根据所述像素点的强度值重构脑部图像。
9.根据权利要求8所述的脑部成像系统，其特征在于，所述上位机还对所述第一校准信号进行去噪处理以获取第二校准信号，并根据所述第二校准信号和所述微波信号往返时间获取图像像素点的强度值重构脑部图像。
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