CN111227832B - 一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法，属于热声成像技术领域。本发明包含系统支撑模块、手指固定模块、微波产生传输模块、信号接收和图像重建模块。微波产生/传输模块中提供了波导H面T型结和同轴波导适配器来实现反相位微波照射的关键，有助于纠正图像场依赖性对比度恶化；系统支撑模块使得只有被成像的手指需要浸没在油中，增强受试者的接受度，减轻受试者的疲惫感；手指固定模块使得成像系统适用于不同尺寸的手指关节，以完成人体病态手指关节的临床试点评估。初步的类风湿性关节炎/银屑病关节炎的评估结果表明，病态关节和正常关节之间以及不同病态关节之间可明显区分。

Description

一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法，属于热声成像技术领域。
背景技术
关节疾病是50岁以上人群残疾的主要原因，带来的影响包括活动受限、就业障碍、生活质量下降和医疗费用增加。关节疾病的早期诊断非常重要，若未能及早发现耽误治疗，病情进展至骨质的破坏，致残的进程则不可逆转。关节疾病的长期病情监测和疗效监测也很重要，原因有三：第一，疾病发展缓慢，例如骨关节炎，病情长达十几年甚至几十年；第二，疾病反复发作，例如类风湿性关节炎，即使被认为治愈，也可在后续短时间或几年内突然发作；第三，药物评估，临床上像骨关节炎和类风湿性关节炎尚无可治愈的药物，新药物因缺乏评估机制限制了临床应用。当前的临床影像学检测方法，例如X线成像、计算机体层成像、超声成像和磁共振成像，在评估关节疾病方面发挥巨大作用，然而因关节结构的复杂性和疾病的多样性，在疾病的早发现或长期监测上有限制。因此，发展一种协助关节疾病尽早确诊和长期监测，并可用于常规体检普查的新型影像学检测技术具有较大的临床意义。
作为一种新型医学成像方法，热声层析成像是一种无损的混合成像模式，结合了微波成像吸收对比度高、穿透深度深和超声成像分辨率高的优点。热声层析成像不仅可以提供组织的功能性信息，包括组织的微波能量吸收特性和介电特性(介电常数和电导率)，还可以提供组织的解剖结构信息。热声层析成像系统操作简单、成本低、便于携带。至今，热声层析成像技术已经被应用于乳腺癌成像、脑成像和血管成像等。
手指关节损伤常最早或最严重。例如，手指骨关节炎是骨关节炎全身性倾向的重要指标，类风湿关节炎主要影响手脚的小关节。因此，热声层析成像技术被发明人首次用于手指关节成像(Zihui Chi,et al.Thermoacoustic tomography of in vivo humanfinger joints.IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2019,66(6):1598-1608)。正常手指关节热声成像结果表明，热声层析图像与对应的磁共振图像吻合良好，能高分辨率显示关节内和关节外的各种组织(皮肤、皮下脂肪、血管、神经、伸肌腱、副韧带、屈肌腱、关节面和骨)。此外，病态手指关节模拟实验表明，损伤或异常(撕裂伤，血管翳和骨质增生)可以被热声层析成像技术识别出来。
然而，此研究的局限性限制了热声层析成像对诊断手指关节疾病的临床试点评估。局限性有三：第一，关节内微波能量分布不均，图像对比度恶化，对于热声层析成像检测微小病变(疾病早期，相对于周围环境具有低对比度的一些病变和小尺寸的一些病变)存在阻碍；第二，在数据采集过程中，几乎整只手和大部分手臂都浸在油(耦合介质)中，受试者接受度低且容易疲劳；第三，手指固定支架不具有调节性，每一位受试者因手指尺寸不同均需要一套特制的手指固定支架，这在临床试点评估实验中不可实现。其中对于第一点，发明人首次提出反相位微波照射使得关节内能量分布均匀，纠正场依赖性对比度恶化(ZihuiChi,et al.Technical Note:Antiphase microwave illumination basedthermoacoustic tomography of in vivo human finger joints.Medical Physics,2019,46(5):2363-2369)。但是，此研究中未提及利用波导H面T型结和同轴波导适配器来实现反相位微波照射的关键；未着墨如何确保只有被成像的手指需要浸没在油中；没有解决如何获得具备调节性的手指固定支架以适应不同尺寸的手指关节，以完成临床试点评估。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前研究中存在的局限性，改进提供了一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法，使得只有被成像的手指需要浸没在油中，且适用于不同尺寸的手指关节，并开始了首次人体病态手指关节热声层析成像的临床试点评估。此外，对于反相位微波照射的实现，提供了关键点和其它的波导组合方式。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明基于一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统，包括：系统支撑模块、手指固定模块、微波产生传输模块、信号接收和图像重建模块。
具体包括微波发生器，同轴线，同轴波导适配器，角锥喇叭天线，波导H面T型结，可移动桌，电控旋转台，有机玻璃缸(包含旋转部分和固定部分)，油，手指固定支架(包含指尖固定部分和指根固定部分)，计算机，超声探测器，放大器，数据采集卡和步进电机控制器。
所述系统支撑模块包括：可移动桌、电控旋转台、有机玻璃缸；所述有机玻璃缸包括有机玻璃缸旋转部分和有机玻璃缸固定部分；
所述手指固定模块包括：手指固定支架；所述手指固定支架包括指尖固定部分和指根固定部分；
所述信号接收和图像重建模块包括：步进电机控制器、超声探测器、计算机、数据采集卡；
所诉微波产生传输模块包括微波发生器；
所述系统支撑模块中的电控旋转台与信号接收和图像重建模块中的步进电机控制器通信连接；系统支撑模块中的有机玻璃缸的旋转部分与信号接收和图像重建模块中的超声探测器依赖封口膜和热熔胶相连固定；信号接收和图像重建模块中的计算机与微波产生传输模块中的微波发生器控制端通信连接；信号接收和图像重建模块中的内嵌计算机中的数据采集卡数字触发输入端与微波发生器的同步触发输出端通信连接；系统支撑模块中的可移动桌与手指固定模块中的指根固定部分依赖螺丝和支撑杆连接；系统支撑模块中的有机玻璃缸固定部分与手指固定模块中的指尖固定部分依赖螺丝连接。
所述可移动桌上固定电控旋转台，电控旋转台上固定有机玻璃缸的旋转部分，可移动桌上固定有机玻璃缸的固定部分，有机玻璃缸的固定部分和有机玻璃缸的旋转部分之间的中心位置有两个朝上的空心圆柱凸起，两个朝上的空心圆柱凸起按照套筒的形式通过密封圈相连；这种设计使得有机玻璃缸旋转部分旋转时固定部分保持不动，且缸中的油不会泄露。所述可移动桌和电控旋转台中间设有孔，允许微波输出端口自下而上靠在有机玻璃缸固定部分的底座上。所述有机玻璃缸旋转部分的缸壁上设有用于固定超声探测器的四个孔，有机玻璃缸固定部分的中心位置空心圆柱上设有用于固定手指固定模块的指尖固定部分的两个孔。
所述指尖固定部分是一系列带有不同孔径的圆环，被固定在有机玻璃缸固定部分的中心位置空心圆柱上成为手指指尖的停靠点；指跟固定部分通过支撑杆固定在可移动桌上，指跟固定部分采用螺钉A和螺钉B来调节孔的大小，用于固定手指指根，使其保持不动。手指固定模块使得成像系统适用于不同尺寸的手指关节，以完成人体病态手指关节的临床试点评估。
手指被手指固定模块固定以后，微波输出端口输出的微波脉冲照射到缸内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号，计算机通过驱动步进电机控制器来控制电控旋转台，带动系统支撑模块中的有机玻璃缸旋转，从而带动超声探测器以待成像的手指关节为中心进行旋转探测。系统支撑模块使得只有被成像的手指需要浸没在油中。在热声领域，用于关节成像的传统探测器只有1个探头，而本发明有四个探头，并且四个探头可以围着手指关节任意角度的旋转，使得探测精度更高。这种设计可以增强受试者的接受度，减轻受试者的疲惫感，提高受试者的舒适度，使得受试者不需用自己动自己的手指，就可以对手指进行全方位、高精度、多角度的探测。本发明，易于操控，方便医生更好的去检测病人的手指的病变。
微波产生传输模块采用两种微波照射方法：
第一种是喇叭天线照射，使用喇叭天线照射方法的微波产生传输模块包括：微波发生器、同轴线A、同轴波导适配器A、角锥喇叭天线；
所述微波发生器与同轴线A相连，同轴线A与同轴波导适配器A相连，同轴波导适配器A与角锥喇叭天线相连，角锥喇叭天线放置于有机玻璃缸下方，角锥喇叭天线输出脉冲微波。
第二种是反相位微波照射，使用反相位微波照射方法的微波产生传输模块包括：微波发生器、同轴线B、同轴波导适配器B、波导H面T型结、同轴波导适配器C、同轴波导适配器D、同轴线C、同轴线D、同轴波导适配器E、同轴波导适配器F；
所述微波发生器与同轴线B相连，同轴线B与同轴波导适配器B相连，同轴波导适配器B与波导H面T型结分支壁端口相连，波导H面T型结主波导两臂端口与同轴波导适配器C和同轴波导适配器D相连；同轴波导适配器C和同轴线C相连，同轴线C的另一端与同轴波导适配器E相连；同轴波导适配器D与同轴线D相连，同轴线D的另一端与同轴波导适配器F相连；同轴线C与同轴线D的长度相同；同轴波导适配器E与同轴波导适配器F平行放置于有机玻璃缸下方，形成两个输出端口，输出等幅反相位的微波脉冲。利用波导H面T型结来实现反相位微波照射的关键在于：当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的两个同轴波导适配器内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现时，形成输出端口的两个同轴波导适配器内部的阶梯状阻抗变换块相对出现；当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的两个同轴波导适配器内部的阶梯状阻抗变换块相对出现时，形成输出端口的两个同轴波导适配器内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现。
所述信号接收和图像重建模块包括：计算机、超声探测器、放大器、数据采集卡、步进电机控制器；
所述超声探测器固定于有机玻璃缸旋转部分的缸壁上的四个孔上，超声探测器的另一端与放大器相连，放大器与数据采集卡模拟输入端相连，数据采集卡置于计算机主机内插入计算机主板上的PCI插槽中，数据采集卡数字触发输入端与微波发生器的同步触发输出端连接；电控旋转台固定于可移动桌上，与步进电机控制器相连，步进电机控制器与计算机相连；计算机与微波发生器的控制端连接。
计算机控制微波发生器输出微波。微波输出端口(喇叭天线或者两个同轴波导适配器)的正上方设置有机玻璃缸，缸内放置待成像的手指关节。有机玻璃缸旋转部分通过缸壁上的孔固定超声探测器，通过底座被固定于电控旋转台上。微波输出端口输出的微波脉冲照射到缸内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号，被超声探测器探测。超声探测器与放大器相连，探测到的热声信号被放大器放大。放大器与数据采集卡模拟输入端相连，经过放大的热声信号被数据采集卡采样转换成数字信号。数据采集卡置于计算机主机内插入计算机主板上的PCI插槽中，由数据采集卡转换的热声数字信号被计算机储存；此外，数据采集卡数字触发输入端与微波发生器的同步触发输出端连接。电控旋转台固定于可移动桌上，与步进电机控制器相连，被步进电机控制器驱动，带动有机玻璃缸旋转部分从而带动超声探测器以待成像的手指关节为中心进行旋转探测。步进电机控制器与计算机相连，受计算机控制。采用计算机LabVIEW程序控制整个系统同步和数据采集过程。采用计算机MATLAB软件通过延迟叠加算法对热声信号进行重建获得手指关节热声图像。
一种利用波导H面T型结来实现反相位微波照射的方法，当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的同轴波导适配器C和同轴波导适配器D内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现时，形成输出端口的同轴波导适配器E和同轴波导适配器F内部的阶梯状阻抗变换块相对出现；当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的同轴波导适配器C和同轴波导适配器D内部的阶梯状阻抗变换块相对出现时，形成输出端口的同轴波导适配器E和同轴波导适配器F内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现。
一种热声层析成像系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、通过计算机对微波发生器进行参数设置并低压启动微波发生器预热，手指关节通过手指固定支架置于有机玻璃缸的正中心，高压启动微波发生器产生微波脉冲，照射到有机玻璃缸内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号；
当采用角锥喇叭天线时，微波脉冲依次经过同轴线A，同轴波导适配器A和角锥喇叭天线，照射到有机玻璃缸内的手指关节上；
当采用反相微波照射时，微波脉冲依次经过一根同轴线B，一个同轴波导适配器B、波导H面T型结、同轴波导适配器C和同轴波导适配器D、同轴线C和同轴线D、同轴波导适配器E和同轴波导适配器F，形成等幅反相微波脉冲，照射到有机玻璃缸内的手指关节上；
步骤二、启动计算机LabVIEW程序开始数据采集：微波发生器产生微波脉冲的同时给予数据采集卡触发，使其采集热声信号被计算机储存，后者具体包括超声探测器探测到的关节内各组织的热声信号经放大器放大、数据采集卡采样后被计算机储存，从而完成一个探测位置的热声信号采集；
步骤三、计算机LabVIEW采集程序控制步进电机控制器，驱动电动旋转台，带动有机玻璃缸旋转部分，从而带动固定在缸壁上的超声探测器旋转到下一个探测位置进行热声信号采集；此过程不断重复，直至完成所有探测位置的热声信号采集；
步骤四、计算机MATLAB软件对于超声探测器所有探测位置的热声信号基于延迟叠加算法进行图像重建，获得手指关节热声图像。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明中系统支撑模块的设计使得只有被成像的手指需要浸没在油中，增强受试者的接受度，减轻受试者的疲惫感。
2、本发明中具备调节性的手指支架使得成像系统适用于不同尺寸的手指关节，以完成人体病态手指关节的临床试点评估。
3、本发明中提供了利用波导H面T型结和同轴波导适配器来实现反相位微波照射的关键，这种利用常规标准波导就可以实现反相位微波照射的新方法，简单可靠。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明系统示意图。
图2是微波产生传输模块喇叭天线照射示意图。
图3是微波产生传输模块反相位微波照射示意图。
图4是微波产生/传输模块反相位微波照射-波导H面T型结相连同轴波导适配器同侧示意图。
图5是微波产生/传输模块反相位微波照射-波导H面T型结相连同轴波导适配器相对示意图。
图6是系统支撑模块示意图。
图7是手指固定模块示意图。
图8是信号接收和图像重建模块示意图。
图9是临床试点评估结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
21-微波发生器，22-同轴线A，23-同轴线B，24-同轴线C，25-同轴线D，26-同轴波导适配器A，27-同轴波导适配器B，28-同轴波导适配器C，29-同轴波导适配器D，210-同轴波导适配器E，211-同轴波导适配器F，212-角锥喇叭天线，213-波导H面T型结，31-可移动桌，32-电控旋转台，33-有机玻璃缸，34-密封圈，331-有机玻璃缸旋转部分，332-有机玻璃缸固定部分，41-指尖固定部分，42-指根固定部分，43-支撑杆，421-螺钉A，422-螺钉B，51-计算机，52-超声探测器，53-放大器，54-数据采集卡，55-步进电机控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式基于一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法(图1)，包括微波产生/传输模块(图2和图3)、系统支撑模块(图6)、手指固定模块(图7)、信号接收和图像重建模块(图8)。具体包括：
微波发生器21，自制，中心频率3GHz，峰值功率≥60kW，脉冲宽度70-600ns可调，脉冲重复频率1-200Hz，控制方式以光纤与电脑通信控制；
同轴线A，同轴线B，同轴线C，同轴线D，迈可博，A02-07-07-1.5M；
同轴波导适配器A，同轴波导适配器B，同轴波导适配器C，同轴波导适配器D，同轴波导适配器E，同轴波导适配器F，欧拉微波，CAWG32NEC10；
角锥喇叭天线212，自制，S波段，10dB标准增益喇叭天线，孔径114×144mm2；
波导H面T型结213，欧拉微波，HT2.8T3.2C10；
可移动桌31，自制，长×宽×高390×350×600mm3，桌面开孔120×120mm2，可移动万向轮；
电控旋转台32，卓立汉光，RAK350；
有机玻璃缸33，自制，包含有机玻璃缸旋转部分331和有机玻璃缸固定部分332，其中旋转部分331包含内外两个圆柱和一个开孔底座，外圆柱(即缸壁)内径140mm、外径160mm、缸壁上含有四个孔，内圆柱内径40.5mm、外径50mm，底座直径300mm、孔径40.5mm；固定部分包含一个圆柱和一个底座，圆柱内径20mm、外径39mm、含有两个孔，底座直径190mm；缸内装油；
手指固定支架，自制，包含指尖固定部分41和指根固定部分42，其中指尖固定部分41是一系列带有不同孔径的圆环；指根固定部分42依赖螺钉(螺钉A和螺钉B)15-26mm可调；
计算机51；
超声探测器52，Olympus，V326；
放大器53，自制，四通道，电压增益58.7dB，-3dB带宽570KHz-2MHz；
数据采集卡54，中科动态，PCI4732；
步进电机控制器55，卓立汉光，MC600；
微波产生传输模块采用两种微波照射方法。第一种是喇叭天线照射，相关设备依靠以下方式连接：微波发生器21与同轴线22相连，同轴线22与同轴波导适配器26相连，同轴波导适配器26与角锥喇叭天线212相连，喇叭天线输出脉冲微波。第二种是反相位微波照射，相关设备依靠以下方式连接：微波发生器21与同轴线23相连，同轴线23与同轴波导适配器27相连，同轴波导适配器27与波导H面T型结213分支壁端口相连，波导H面T型结213主波导两臂端口与两个同轴波导适配器(28和29)相连，两个同轴波导适配器(28和29)通过相同长度的同轴线(24和25)与另外两个同轴波导适配器(210和211)相连，后两个同轴波导适配器(210和211)平行放置形成两个输出端口，输出等幅反相位的微波脉冲。利用波导H面T型结来实现反相位微波照射的关键在于：当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的两个同轴波导适配器(28和29)内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现时，形成输出端口的两个同轴波导适配器(210和211)内部的阶梯状阻抗变换块相对出现；当与波导H面T型结主波导两臂端口连接的两个同轴波导适配器(28和29)内部的阶梯状阻抗变换块相对出现时，形成输出端口的两个同轴波导适配器(210和211)内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现。
系统支撑模块(图6)的相关设备依靠以下方式连接：可移动桌31上固定电控旋转台32，电控旋转台32上固定有机玻璃缸的旋转部分331，可移动桌上固定有机玻璃缸的固定部分332，有机玻璃缸的固定部分332和旋转部分331之间按照套筒的形式通过密封圈34相连，这种设计使得有机玻璃缸旋转部分331旋转时固定部分332保持不动，且缸中的油不会泄露。可移动桌31和电控旋转台32中间设有孔，允许微波输出端口(角锥喇叭天线212或者两个同轴波导适配器210和211)自下而上靠在有机玻璃缸固定部分332的底座上。有机玻璃缸旋转部分的331缸壁上有四个孔用于固定超声探测器52，有机玻璃缸固定部分332的圆柱上有两个孔可以固定手指固定模块(图7)中的指尖固定部分41。系统支撑模块的设计使得只有被成像的手指需要浸没在油中。
手指固定模块(图7)的相关设备依靠以下方式连接：手指固定模块主要由手指固定支架组成，包含指尖固定部分41和指跟固定部分42。指尖固定部分41是一系列带有不同孔径的圆环，被固定在有机玻璃缸固定部分332的圆柱上，成为手指指尖的停靠点。指跟固定部分42被固定在可移动桌31上，依赖两个螺钉(421和422)来调节孔的大小，用于固定手指指根，使其保持不动。手指固定模块的设计使得成像系统适用于不同尺寸的手指关节。
信号接收和图像重建模块(图8)的相关设备以如下方式连接(结合微波产生传输模块、系统支撑模块、手指固定模块三个模块，共同完成计算机、微波发生器、手指关节、超声探测器、放大器、数据采集卡和计算机依次的通信连接)：计算机51控制微波发生器21输出微波。微波输出端口(角锥喇叭天线212或者两个同轴波导适配器210和211)的正上方设置有机玻璃缸33，缸内放置待成像的手指关节。有机玻璃缸旋转部分331通过缸壁上的孔固定超声探测器52，通过底座被固定于电控旋转台32上。微波输出端口输出的微波脉冲照射到缸内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号，被超声探测器52探测。超声探测器52与放大器53相连，探测到的热声信号被放大器53放大。放大器53与数据采集卡54模拟输入端相连，经过放大的热声信号被数据采集卡54采样转换成数字信号。数据采集卡置于计算机51主机内插入计算机主板上的PCI插槽中，由数据采集卡转换的热声数字信号被计算机51储存；此外，数据采集卡54数字触发输入端与微波发生器21的同步触发输出端连接。电控旋转台32固定于可移动桌31上，与步进电机控制器55相连，被步进电机控制器55驱动，带动有机玻璃缸旋转部分331从而带动超声探测器52以待成像的手指关节为中心进行旋转探测。步进电机控制器55与计算机51相连，受计算机51控制。
采用计算机LabVIEW程序控制整个系统同步和数据采集过程。采用计算机MATLAB软件通过延迟叠加算法对热声信号进行重建获得手指关节热声图像。
基于如上所述的一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法包括以下步骤：
步骤一、通过计算机51对微波发生器21进行参数设置并低压启动微波发生器21预热，手指关节通过手指固定支架(41和42)置于有机玻璃缸的正中心，高压启动微波发生器21产生微波脉冲，照射到有机玻璃缸33内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号。
当采用角锥喇叭天线212时，微波脉冲依次经过同轴线22，同轴波导适配器26和角锥喇叭天线212，照射到有机玻璃缸33内的手指关节上。
当采用反相微波照射时，微波脉冲依次经过一根同轴线23，一个同轴波导适配器27、波导H面T型结213、两个同轴波导适配器(28和29)、两根同轴线(24和25)和两个同轴波导适配器(210和211)，形成等幅反相微波脉冲，照射到有机玻璃缸33内的手指关节上。
步骤二、启动计算机LabVIEW程序开始数据采集：微波发生器21产生微波脉冲的同时给予数据采集卡54触发，使其采集热声信号被计算机51储存，后者具体包括超声探测器52探测到的关节内各组织的热声信号经放大器53放大、数据采集卡54采样后被计算机51储存，从而完成一个探测位置的热声信号采集。
步骤三、计算机LabVIEW采集程序控制步进电机控制器55，驱动电动旋转台32，带动有机玻璃缸旋转部分331，从而带动固定在缸壁上的超声探测器52旋转到下一个探测位置进行热声信号采集。此过程不断重复，直至完成所有探测位置的热声信号采集。
步骤四、计算机MATLAB软件对于超声探测器所有探测位置的热声信号基于延迟叠加算法进行图像重建，获得手指关节热声图像(例如图9)。
图9是临床试点评估结果。包括正常手指关节、类风湿性关节炎手指关节(大尺寸)和银屑病关节炎手指关节(小尺寸)的热声层析图像。从图像中，病态关节和正常关节之间以及不同病态关节之间可明显区分。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统，其特征在于，包括：
系统支撑模块、手指固定模块、微波产生传输模块、信号接收和图像重建模块；
所述系统支撑模块包括：可移动桌(31)、电控旋转台(32)、有机玻璃缸(33)；所述有机玻璃缸(33)包括有机玻璃缸旋转部分(331)和有机玻璃缸固定部分(332)；
所述手指固定模块包括：手指固定支架；所述手指固定支架包括指尖固定部分(41)和指根固定部分(42)；
所述信号接收和图像重建模块包括：步进电机控制器(55)、超声探测器(52)、计算机(51)、数据采集卡(54)；
所诉微波产生传输模块包括微波发生器(21)；
所述系统支撑模块中的电控旋转台(32)与信号接收和图像重建模块中的步进电机控制器(55)通信连接；系统支撑模块中的有机玻璃缸的旋转部分(331)与信号接收和图像重建模块中的超声探测器(52)依赖封口膜和热熔胶相连固定；信号接收和图像重建模块中的计算机(51)与微波产生传输模块中的微波发生器(21)控制端通信连接；信号接收和图像重建模块中的内嵌计算机中的数据采集卡(54)数字触发输入端与微波发生器(21)的同步触发输出端通信连接；系统支撑模块中的可移动桌(31)与手指固定模块中的指根固定部分(42)依赖螺丝和支撑杆连接；系统支撑模块中的有机玻璃缸固定部分(332)与手指固定模块中的指尖固定部分(41)依赖螺丝连接；
所述可移动桌(31)上固定电控旋转台(32)，电控旋转台(32)上固定有机玻璃缸的旋转部分(331)，可移动桌(31)上固定有机玻璃缸的固定部分(332)，有机玻璃缸的固定部分(332)和有机玻璃缸的旋转部分(331)之间的中心位置有两个朝上的空心圆柱凸起，两个朝上的空心圆柱凸起按照套筒的形式通过密封圈(34)相连；所述可移动桌(31)和电控旋转台(32)中间设有孔；所述有机玻璃缸旋转部分(331)的缸壁上设有用于固定超声探测器的四个孔，有机玻璃缸固定部分(332)的中心位置空心圆柱上设有用于固定手指固定模块的指尖固定部分的两个孔；
所述指尖固定部分(41)是一系列带有不同孔径的圆环，被固定在有机玻璃缸固定部分(332)的中心位置空心圆柱上成为手指指尖的停靠点；指跟固定部分(42)通过支撑杆(43)固定在可移动桌(31)上，指跟固定部分(42)采用螺钉A(421)和螺钉B(422)来调节孔的大小；
微波产生传输模块还包括：同轴线A(22)、同轴波导适配器A(26)、角锥喇叭天线(212)；
所述微波发生器(21)与同轴线A(22)相连，同轴线A(22)与同轴波导适配器A(26)相连，同轴波导适配器A(26)与角锥喇叭天线(212)相连，角锥喇叭天线(212)放置于有机玻璃缸(33)下方，角锥喇叭天线(212)输出脉冲微波；
微波产生传输模块还包括：同轴线B(23)、同轴波导适配器B(27)、波导H面T型结(213)、同轴波导适配器C(28)、同轴波导适配器D(29)、同轴线C(24)、同轴线D(25)、同轴波导适配器E(210)、同轴波导适配器F(211)；
所述微波发生器(21)与同轴线B(23)相连，同轴线B(23)与同轴波导适配器B(27)相连，同轴波导适配器B(27)与波导H面T型结(213)分支壁端口相连，波导H面T型结(213)主波导两臂端口与同轴波导适配器C(28)和同轴波导适配器D(29)相连；同轴波导适配器C(28)和同轴线C(24)相连，同轴线C(24)的另一端与同轴波导适配器E(210)相连；同轴波导适配器D(29)与同轴线D(25)相连，同轴线D(25)的另一端与同轴波导适配器F(211)相连；同轴线C(24)与同轴线D(25)的长度相同；同轴波导适配器E(210)与同轴波导适配器F(211)平行放置于有机玻璃缸(33)下方，形成两个输出端口，输出等幅反相位的微波脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统，其特征在于，所述信号接收和图像重建模块还包括：放大器(53)、数据采集卡(54)；
所述超声探测器(52)固定于有机玻璃缸旋转部分(331)的缸壁上的四个孔上，超声探测器(52)的另一端与放大器(53)相连，放大器(53)与数据采集卡(54)模拟输入端相连，数据采集卡(54)置于计算机(51)主机内插入计算机主板上的PCI插槽中，数据采集卡(54)数字触发输入端与微波发生器(21)的同步触发输出端连接；电控旋转台(32)固定于可移动桌(31)上，与步进电机控制器(55)相连，步进电机控制器(55)与计算机(51)相连；计算机(51)与微波发生器(21)的控制端连接。
3.一种利用波导H面T型结来实现反相位微波照射的方法，其特征在于，当与波导H面T型结(213)主波导两臂端口连接的同轴波导适配器C(28)和同轴波导适配器D(29)内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现时，形成输出端口的同轴波导适配器E(210)和同轴波导适配器F(211)内部的阶梯状阻抗变换块相对出现；当与波导H面T型结(213)主波导两臂端口连接的同轴波导适配器C(28)和同轴波导适配器(29)D内部的阶梯状阻抗变换块相对出现时，形成输出端口的同轴波导适配器E(210)和同轴波导适配器F(211)内部的阶梯状阻抗变换块同侧出现。
4.一种热声层析成像系统的使用方法，其特征在于，应用如权利要求3所述的一种利用波导H面T型结来实现反相位微波照射的方法，包括以下步骤：
步骤一、通过计算机对微波发生器(21)进行参数设置并低压启动微波发生器(21)预热，手指关节通过手指固定支架置于有机玻璃缸的正中心，高压启动微波发生器(21)产生微波脉冲，照射到有机玻璃缸(33)内的手指关节上，手指关节内各组织产生热声信号；
当采用角锥喇叭天线(212)时，微波脉冲依次经过同轴线A(22)，同轴波导适配器A(26)和角锥喇叭天线(212)，照射到有机玻璃缸(33)内的手指关节上；
当采用反相微波照射时，微波脉冲依次经过一根同轴线B(23)，一个同轴波导适配器B(27)、波导H面T型结(213)、同轴波导适配器C(28)和同轴波导适配器D(29)、同轴线C(24)和同轴线D(25)、同轴波导适配器E(210)和同轴波导适配器F(211)，形成等幅反相微波脉冲，照射到有机玻璃缸(33)内的手指关节上；
步骤二、启动计算机LabVIEW程序开始数据采集：微波发生器(21)产生微波脉冲的同时给予数据采集卡(54)触发，使其采集热声信号被计算机(51)储存，后者具体包括超声探测器(52)探测到的关节内各组织的热声信号经放大器(53)放大、数据采集卡(54)采样后被计算机(51)储存，从而完成一个探测位置的热声信号采集；
步骤三、计算机LabVIEW采集程序控制步进电机控制器(55)，驱动电动旋转台(32)，带动有机玻璃缸旋转部分(331)，从而带动固定在缸壁上的超声探测器(52)旋转到下一个探测位置进行热声信号采集；此过程不断重复，直至完成所有探测位置的热声信号采集；
步骤四、计算机MATLAB软件对于超声探测器所有探测位置的热声信号基于延迟叠加算法进行图像重建，获得手指关节热声图像。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114176554B (zh) * 2021-12-07 2024-07-19 重庆邮电大学 多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统
CN114264628B (zh) * 2021-12-16 2024-07-19 北京航空航天大学 一种基于太赫兹谱学成像的银屑病关节炎成像系统
CN114587326B (zh) * 2022-04-07 2024-06-21 重庆邮电大学 微波热声显微成像系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2702275A1 (en) * 2006-10-10 2008-04-17 Medical Device Innovations Limited Surgical antenna
WO2010107308A1 (en) * 2009-02-25 2010-09-23 Cornelis Maria De Blok Multistage traveling wave thermoacoustic engine with phase distributed power extraction
WO2016153427A1 (en) * 2015-03-26 2016-09-29 Nanyang Technological University Photo-acoustic imaging apparatus and methods of operation

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7266407B2 (en) * 2003-11-17 2007-09-04 University Of Florida Research Foundation, Inc. Multi-frequency microwave-induced thermoacoustic imaging of biological tissue
US20130190596A1 (en) * 2012-01-23 2013-07-25 Alexander A. Oraevsky Dynamic Optoacoustic Angiography of Peripheral Vasculature
CN103240220B (zh) * 2013-05-09 2015-06-17 电子科技大学 一种压电式阵列超声换能器
US9959477B2 (en) * 2014-03-03 2018-05-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Mapping of blood vessels for biometric authentication
CN112494015A (zh) * 2015-12-30 2021-03-16 曜谛测氧股份有限公司 用于进行经腹胎儿血氧饱和度监测的系统及方法
CN106299573A (zh) * 2016-08-26 2017-01-04 成都九洲迪飞科技有限责任公司 带高通滤波功能的波导功分器
CN107692975B (zh) * 2017-10-26 2020-08-28 电子科技大学 三维光声层析成像装置及方法
WO2020008332A1 (en) * 2018-07-03 2020-01-09 Tubitak Portable ultrasonic power meter (pug) device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2702275A1 (en) * 2006-10-10 2008-04-17 Medical Device Innovations Limited Surgical antenna
WO2010107308A1 (en) * 2009-02-25 2010-09-23 Cornelis Maria De Blok Multistage traveling wave thermoacoustic engine with phase distributed power extraction
WO2016153427A1 (en) * 2015-03-26 2016-09-29 Nanyang Technological University Photo-acoustic imaging apparatus and methods of operation

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Zihui Chi.Technical Note: Anti-phase microwave illumination-based thermoacoustic tomography of in vivo human finger joints.《Medical Physics》.2019,第46卷(第46期),2363-2369. *
黄林.用于乳腺癌检测的微波热声成像技术研究.《中国博士论文全文数据库医药卫生科技辑》.2016,(第undefined期),E072-179. *

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