CN112535468A - 基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置，包括机械手臂，脉冲微波源、波导转同轴、同轴电缆线、乳腺定型器组件、维瓦尔第天线、热声采集组件，热声采集组件包括数据采集组件和数据处理组件，数据采集组件包括超声换能器、低噪声放大器和64路数据采集组件，乳腺定型器包含聚苯乙烯透声组件和步进电机组件。本发明在热声成像的微波辐射天线上有较大改进，区别于传统的热声成像天线辐射微波方式，该装置的辐射天线使用异面维瓦尔第天线，其特点是功率容量高，尺寸轻薄，实用性强，可以方便地对乳腺进行三维热声成像，将维瓦尔第天线放置于超声换能器长边的两侧极大的减小了装置的尺寸，能够推动热声技术的产业化和临床应用。

Description

基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置
技术领域
本发明涉及微波热声成像技术领域，提出了一种基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置。
背景技术
物质吸收电磁波后转换为热能而引起局部热膨胀，进而产生声波的现象，称为热声效应。微波热声成像技术是一种高穿透深度、高时间和空间分辨率的非侵入式、非电离成像技术。微波热声成像技术通过非电离辐射的方式将微波以脉冲的方式辐射到生物组织上，生物组织将会吸收微波电磁能量进而产生瞬间的热膨胀，热膨胀过程中会产生压力波即超声波向组织的四周扩散，产生的超声波会被组织周围的超声阵列探测截获，通过超声信号的采集采集并通过延迟叠加算法反演出组织内部微波吸收差异图像。
正常乳腺组织的主要成分是脂肪，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，微波热声成像可以利用肿瘤和乳腺脂肪的微波吸收差异将肿瘤和正常的脂肪区分开来。但是传统微波热声成像的微波源辐射微波多采用波导辐射和喇叭天线辐射微波的形式，而传统热声成像所使用波导和喇叭天线由于尺寸较大、较为笨重，移动性差等原因极大地限制了微波热声成像的发展。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种方便的用于乳腺肿瘤筛查的基于微型贴片天线的三维热声成像方法所述方法包含以下步骤：
第一步，所述脉冲微波源连接220V电压后可输出重复频率为10-100Hz的脉冲微波，脉冲峰值功率可达350KW；
第二步，所述定型器由聚苯乙烯板和步进电机组成，聚苯乙烯的超声衰减较小可以作为透声材料放置于定型器底部与人体皮肤接触；定型器尺寸长210mm宽170mm高130mm；将两片维瓦尔第天线放置于线性超声换能器长边两侧，将超声换能器和两片维瓦尔第天线一起放置于乳腺定型器中，通过定型器内部的步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线做直线运动；
第三步，脉冲微波经由方形波导传输后再经波导转同轴将波导传输微波转为同轴线传输微波，最后经维瓦尔第天线向空间辐射频率为6.7GHz的脉冲微波，其中维尔瓦第天线长42.2mm，宽1.6mm，高74mm；经由维尔瓦第天线辐射出的微波在辐射到样品上后，样品吸收电磁能量产生瞬间温升膨胀，样品的瞬间温升将热能转化为机械波向周围扩散；
第四步，热声信号经由1.5mm厚的定型器底板和变压器油后被64路超声换能器接收，再经64路数字转换电路将每次采集到的数据传给主控计算机，采集到的数据以矩阵的形式保存于计算机中；
第五步，乳腺定型器所使用的步进电机尺寸为长28mm，宽28mm，高31mm，定型器使用的步进电机和数据采集系统均由自主编写的Labvie程序控制，Labview控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线移动一个确定的距离，待电机移动完成后会发出脉冲给采集系统告知采集系统开始接收热声信号，系统采集完成后再给步进电机脉冲，控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线继续移动下一个确定的距离，直至扫描完成整个乳腺；步进电机每次移动的最小距离可设置为0.01mm，根据信号平均次数的不同、乳腺的大小以及电机每次移动的距离不同完成一次全乳腺扫描需要的时间从30s到10分钟之间，完全满足实验要求；
第七步，计算机对采集到的数据进行数据处理，将每次采集得到的数据导入MATLAB，通过滤波反投影算法对数据进行滤波反投影得到乳腺三维热声图像。
2一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，包括：机械手臂、主控计算机、脉冲微波源、波导转同轴、维瓦尔第天线、乳腺定型器、超声换能器、信号放大器、64路数字转换电路、数据采集装置，脉冲微波源的脉冲频率为6.7GHz；峰值功率可达350KW，脉冲宽度为500ns，重复频率1-100Hz可调。
进一步的：乳腺定型器底板采用聚苯乙烯材料可以减小超声的反射，定型器内部装有小型步进电机带动维瓦尔第天线和超声换能器。
进一步的：维瓦尔第天线采用辐射金属片异面的结构，由于空气击穿场强为3KV/mm，同面结构维瓦尔第天线的两个辐射贴片距离最小处仅有1.6mm，而实验室使用的脉冲微波峰值电压为25KV，很容易在空气中发生击穿现象，而异面结构通过FR4介质将两辐射贴片隔离起来，其中FR4基板材料的击穿场强为45KV/mm，而两片金属贴片的最近距离为1.6mm，因此异面维瓦尔第天线完全可以满足实验要求；同时，为配合使用该天线高功率特性而选择使用定制的N型接头用于连接同轴电缆线和维瓦尔第天线，仿真结果证实两个维瓦尔天线置于探头两侧后辐射出的微波可以在探头的正前方形成一个较为均匀的能量场。
进一步的：将两片维瓦尔第天线放置于超声换能器长边的两侧可以极大减小测量装置的体积，同时该结构中天线和超声换能器的搭配方式极大的提高了热声成像装置的灵活性。
进一步的：超声换能器使用64路的线性聚焦阵列超声换能器，超声换能器带宽80.4%，中心频率为2MHz，阵元间距1mm，有效孔径64mm。
进一步的：数据采集系统由高速数据采集卡和控制计算机组成，所述高速数字采集卡采样频率为25MHz-50MHz可调，所述采集系统由自主编写的Labview控制。
进一步的：所使用的步进电机尺寸长28mm，宽28mm，高28mm，步距角为1.8°，螺距为2mm；步长0.01mm，最高可以获得间隔0.01mm的二维图像，最终通过Volview软件将二维图拼接成三维热声图像。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：患者平躺于医疗床上并将乳腺露出，将乳腺定型器放置于乳腺上方适当用力将乳腺压平，为更好的耦合超声信号可在定型器于乳腺之间加入少量凡士林作为热声信号耦合剂，将两片维瓦尔第天先放置于超声换能器的两侧，并将超声换能器和天线一起放置于乳腺定型器中，并使用定型器中的步进电机带动超声换能器和天线沿水平方向进行扫描，进而实现对乳腺的全覆盖扫描。本发明有适用性强、天线轻薄、声阻抗匹配、操作简便的优势，提供了一种安全高效的热声乳腺三维成像装置。与现有的热声成像微波辐射方式相比，本发明具有如下的优点及效果:
（1）在热声成像的微波辐射方式激上有很大的改进，突破以往基于波导和喇叭天线辐射微波的方式，采用基于高功率的异面维瓦尔第天线辐射短脉冲微波的形式可以大大提高该天线的功率容量。
（2）经过自主设计的高功率异面维瓦尔第天线辐射微波后，在探头正前方形成了一定区域的辐射均匀区，这将会大大减少因为微波辐射不均导致热声图像的像素值差异，这对基于组织内部微波吸收差异成像的热声成像技术有积极的意义，对热声成像技术向临床的应用有很好的推动，有着巨大的临床应用前景。
（3）自主设计的维瓦尔第天线采用将两片辐射单元放置于天线两侧的形式辐射微波，同时采用N公头将同轴线与天线相连的方式可以大大提高该天线的功率容量。
附图说明
图1为本发明提出的基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置的整体示意图；
图2为本发明提出的乳腺定型器示意图；
图3为本发明天线的示意图；
图4为本发明装置的热声分辨率图；
图5为本发明对生物模拟样品深度图；
图6为本发明的流程示意图。
图中：1计算机，2微波源，3波导转同轴，4同轴电缆线，5步进电机，6乳腺，7肿瘤，8变压器油，9维瓦尔第天线，10超声换能器，11热声信号，12 前置放大器，13 主放大器，14采集箱
具体实施方式：
下面将结合附图，以猪肉脂肪作为乳房仿体为例，具体实施方式做进一步详细的说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考本发明图-6，本发明的整体装置包括机械手臂支柱，机械手臂，波导转同轴，同轴电缆线，乳腺定型器，其中乳腺定型器中又包含维瓦尔第天线，超声换能器，步进电机和定型器外壳。其中定型器外壳的尺寸为长210mm，宽170mm，高130mm，两片维瓦尔第天线以15度的角度放置在超声换能器的两侧。超声换能器使用线性阵列超声换能器，主频优选为1~10MHz。回波响应大于60dB。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。其中数据采集系统为高速数字采集卡，其采样率可在25MHz-50MHz可调，前置放大器的放大倍数为56dB。
通过操控主控计算机中的控制微波发生软件，利用主控计算机发射的脉冲序列触发微波发生系统产生脉冲微波，并同步触发数据采集系统中的数据采集卡开始工作启动，微波源有两种，一种是频率为6.7GHz，重复频率10-100Hz可调的脉冲微波源，微波脉冲峰值功率为250KW，脉冲宽度为500ns，另一个微波源的频率为3GHz，脉冲宽度为70~700 ns任意可调，重复频率在1-200Hz之间可调。采用上述两种微波源时辐照范围均大于40cm2，并且照射到样品表面的微波功率密度都小于10 mW/cm 2 ，该功率密度小于 IEEE Std C95.1 TM ，2005 标准规定的 安全辐照功率为 20 mW/cm 2 的值要小，保证了实验的安全性，符合国家安全标准。不同主频的微波采用不同的波导同轴转换器，产生的微波经过波导同轴转换器后再经同轴电缆线后进入维瓦尔第天线，最终向空间辐射微波。自主设计的维瓦尔第天线在6.7GHz和3GHz都有比较好的辐射效率，这样可以避免使用不同微波源需要更换不同天线。
超声换能器接收到的热声信号转换为电信号再经过前置低噪声放大器放大后通过自行编写的Labview控制程序控制两块高速数据采集卡采集和两块FPGA板卡将信号以文本文件的形式存储于主控计算机中。利用自行编写的MATLAB程序将采集到的信号进行滤波反投影重建最终得到乳腺内部不同组织的三维微波吸收差异图像。能更加直观的反应乳腺内部的真实情况。图二所示为系统的分辨率实验结果，从图中可以看到目前该系统的横向分辨率为0.86mm，纵向分辨率为0.78mm，而肿瘤的大小远大于该尺寸，因此完全可以满足实验要求。图三为装置的深度实验结果，从结果看，该装置对乳腺深度6cm处仍有较好的信噪比，而正常的乳腺组织被压平后深度远小于6cm，因此该装置在肿瘤深度方面可以有很好的成像效果。

Claims (8)

1.一种基于微型贴片天线的三维热声成像方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
第一步，所述脉冲微波源连接220V电压后可输出重复频率为10-100Hz的脉冲微波，脉冲峰值功率可达350KW；
第二步，所述定型器由聚苯乙烯板和步进电机组成，聚苯乙烯的超声衰减较小可以作为透声材料放置于定型器底部与人体皮肤接触；定型器尺寸长210mm宽170mm高130mm；将两片维瓦尔第天线放置于线性超声换能器长边两侧，将超声换能器和两片维瓦尔第天线一起放置于乳腺定型器中，通过定型器内部的步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线做直线运动；
第三步，脉冲微波经由方形波导传输后再经波导转同轴将波导传输微波转为同轴线传输微波，最后经维瓦尔第天线向空间辐射频率为6.7GHz的脉冲微波，其中维尔瓦第天线长42.2mm，宽1.6mm，高74mm；经由维尔瓦第天线辐射出的微波在辐射到样品上后，样品吸收电磁能量产生瞬间温升膨胀，样品的瞬间温升将热能转化为机械波向周围扩散；
第四步，热声信号经由1.5mm厚的定型器底板和变压器油后被64路超声换能器接收，再经64路数字转换电路将每次采集到的数据传给主控计算机，采集到的数据以矩阵的形式保存于计算机中；
第五步，乳腺定型器所使用的步进电机尺寸为长28mm，宽28mm，高31mm，定型器使用的步进电机和数据采集系统均由自主编写的Labvie程序控制，Labview控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线移动一个确定的距离，待电机移动完成后会发出脉冲给采集系统告知采集系统开始接收热声信号，系统采集完成后再给步进电机脉冲，控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线继续移动下一个确定的距离，直至扫描完成整个乳腺；步进电机每次移动的最小距离可设置为0.01mm，根据信号平均次数的不同、乳腺的大小以及电机每次移动的距离不同完成一次全乳腺扫描需要的时间从30s到10分钟之间，完全满足实验要求；
第七步，计算机对采集到的数据进行数据处理，将每次采集得到的数据导入MATLAB，通过滤波反投影算法对数据进行滤波反投影得到乳腺三维热声图像。
2.一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：包括：机械手臂、主控计算机、脉冲微波源、波导转同轴、维瓦尔第天线、乳腺定型器、超声换能器、信号放大器、64路数字转换电路、数据采集装置，脉冲微波源的脉冲频率为6.7GHz；峰值功率可达350KW，脉冲宽度为500ns，重复频率1-100Hz可调。
3.根据权利要求1所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：乳腺定型器底板采用聚苯乙烯材料可以减小超声的反射，定型器内部装有小型步进电机带动维瓦尔第天线和超声换能器。
4.根据权利要求3所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：维瓦尔第天线采用辐射金属片异面的结构，由于空气击穿场强为3KV/mm，同面结构维瓦尔第天线的两个辐射贴片距离最小处仅有1.6mm，而实验室使用的脉冲微波峰值电压为25KV，很容易在空气中发生击穿现象，而异面结构通过FR4介质将两辐射贴片隔离起来，其中FR4基板材料的击穿场强为45KV/mm，而两片金属贴片的最近距离为1.6mm，因此异面维瓦尔第天线完全可以满足实验要求；同时，为配合使用该天线高功率特性而选择使用定制的N型接头用于连接同轴电缆线和维瓦尔第天线，仿真结果证实两个维瓦尔天线置于探头两侧后辐射出的微波可以在探头的正前方形成一个较为均匀的能量场。
5.根据权利要求4所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：将两片维瓦尔第天线放置于超声换能器长边的两侧可以极大减小测量装置的体积，同时该结构中天线和超声换能器的搭配方式极大的提高了热声成像装置的灵活性。
6.根据权利要求3、4所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：超声换能器使用64路的线性聚焦阵列超声换能器，超声换能器带宽80.4%，中心频率为2MHz，阵元间距1mm，有效孔径64mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：数据采集系统由高速数据采集卡和控制计算机组成，所述高速数字采集卡采样频率为25MHz-50MHz可调，所述采集系统由自主编写的Labview控制。
8.根据权利要求1所述的一种基于微型贴片天线的三维扫描装置，其特征在于：所使用的步进电机尺寸长28mm，宽28mm，高28mm，步距角为1.8°，螺距为2mm；步长0.01mm，最高可以获得间隔0.01mm的二维图像，最终通过Volview软件将二维图拼接成三维热声图像。
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