CN112773351A - 一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了用于乳腺肿瘤筛查基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置和方法，利用脉冲微波透过聚苯乙烯耦合块后激发样品组织产生热声信号，经聚苯乙烯固体耦合介质，再与水平呈45°斜面空气层处进行反射后被128阵元的线阵超声换能器接收，在对成像的乳腺肿瘤进行观测时，只需将探头几何中心紧贴放置在乳房表面，进而观察肿瘤的断面结构，本发明阻抗匹配紧凑型探头适用性强、无需矿物油耦合、操作简便，能够有效推动热声技术的产业化和临床应用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，其提出了一种用于乳腺肿瘤筛查基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置与方法。
背景技术
作为一种新的医学成像方法，微波诱导的热声成像结合了电磁吸收的高对比度和超声成像的高分辨率的优点。用脉冲微波辐照某种物质时,可以产生小的温度升高，并且组织将膨胀并收缩成声源。当脉冲中传递的微波能量足以短便在脉冲期间可以忽略热扩散时，此时可以看做绝热膨胀，热能转化为机械能，以超声波形式辐射出去，即为热声效应。
乳腺癌是导致癌症的主要原因妇女中的癌症死亡人数，而死亡率可能是通过及早发现任何恶性肿瘤可有效减少。微波感应热声(TA)成像，结合了高成像对比度的优势电磁吸收和高分辨率超声技术，是潜在的替代成像生物医学应用技术。热声成像有效检测异常微波吸收生物组织，特别是乳腺肿瘤和异物。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。利用128多元线阵超声换能器，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,传统方法是在发声物体到探测器之间用去离子水或者矿物质油进行耦合，待测者需要平躺在检测耦合平台上,并将乳房放置在乳房匹配器内，将待测部位浸入耦合液中或用负气压气体耦合杯进行耦合，实验过程会引起待测者心理及生理的不适。
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基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置与方法。
本发明目的通过下述技术方案实现：发声物体到超声换能器之间用具有空气层的聚苯乙烯斜楔耦合块紧密相连，结构实现对声的反射，所以对成像的乳腺肿瘤进行观测时，只需将探头中心紧贴放置在乳房皮肤表面，为了降低空气—软组织界面上声强反射，我们可以仿照医用超声换能器，涂少量凡士林的方法来排出空气，实进而观察肿瘤的断面结构。由此可见，本发明制造适用性强、无需矿物油耦合、声阻抗匹配、操作简便、提供了一种安全高效的热声乳腺探头。并且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，将微波发生天线和线阵超声换能器通过固体耦合介质紧密连接,可以快速检测乳腺微波吸收差异,检测时间较短、无需矿物油耦合、声阻抗匹配、减少待测者的不适。
(2)实验中照射到样品表面的微波功率密度小于10mW/cm2，这比IEEE Std C95.1TM，2005标准规定的3GHz安全辐照功率为20mW/cm2的值要小，保证了实验的安全性和可以临床应用的前提，符合国家安全标准；
(3)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；能够有效推动热声技术的产业化和临床应用。
附图说明：
图1为本发明基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置的结构示意图。
图2为本发明对比有机玻璃及聚苯乙烯材料在不同超声频率下超声衰减因子。
图3为本发明对比矿物油及聚苯乙烯耦合块样品热声信号幅值。
图4为本发明探头对生物模拟样品实物图及热声成像深度图。
1控制计算机，2脉冲微波发生器系统，3同轴电缆线，4无油耦合探头，4-1发射天线4-2聚苯乙烯耦合块，4-3空气层，4-4128阵元线阵超声换能器，5待检测乳房，6低噪声预放大器，7主放大器，8数据采集系统
具体实施方式：
下面将结合附图和对生物模拟样品以瘦肉作为乳腺肿瘤仿体，以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。图1右侧图为本装置的整体装置图，左侧图为手持探头原理图，本发明的整体装置包括主控计算机1，脉冲微波发生器系统2，脉冲微波发生器系统2包括脉冲微波发生器、同轴波导转换器，波导隔离器；同轴电缆线3，无油耦合手持探头4，待检测物5，低噪声预放大器6，主放大器7，数据采集系统8，其中无油耦合手持探头的具体结构如图1左侧所示，其包括发射微波天线，即线/圆极化天线4-1、聚苯乙烯耦合块4-2、聚苯乙烯耦合块与发射天线口面对应，以使得微波透射后的微波场更均匀的照射到需要检测的检测物，聚乙烯耦合块中间部具有与水平面呈45°的斜面空气层，空气层将聚乙烯耦合块分成了对置的具有45°斜面的两个斜楔，聚苯乙烯耦合块体积为长76mm,宽70mm,高25mm,空气层厚度为3mm，与斜楔外侧直角紧密相连的128阵元线阵超声换能器，其为具有128个信号通道的超声换能器，称为128线阵超声换能器，128线阵超声换能器其外径尺寸长50mm，宽15mm，阵元间距0.3mm，高0.4mm，主频优选为1～10MHz，带宽为80％，阵元数目等于128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％，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，其采样率为40～80MHz，低噪声预放大器的放大倍数为80dB。128线阵超声换能器接收热声信号并转换为电信号，128线阵超声换能器的128个阵元分别用128路并行信号引出，每一路都经过低噪声放大器对其预放大,然后这128路并行信号数据经过主放大器放大后被高速数据采集卡采集；经过对超声信号进行放大和采集后输入主控计算机并储存。
主控制计算机中具有控制脉冲微波发生器系统工作软件，以及图像重建软件，以及采集控制程序软件Labview，图像重建软件为MATLAB软件，可利用MATLAB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，其中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、显示模块和二维重建模块；数据排列模块的功能在于将采集卡采集到的热声信号排列在超声换能器前端；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。
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，并触发数据采集系统中的数据采集卡开始工作启动，并且微波脉冲发生器被频率控制器通过光纤控制产生具有可调重复频率的脉冲微波，启动后可以使得脉冲微波源输出微波，微波源可以采用的为两种，一种微波波长为10cm，频率为3GHz，脉冲峰值功率为75kW，脉冲宽度为70～700ns任意可调，脉冲重复频率为1～200Hz可调，辐照范围大于40c顰2，另一种为微波波长为5cm，频率为6GHz，峰值功率≥250kW，脉冲宽度0.5s，重复频率10Hz；采用上述两种微波源时辐照范围均大于40c顰2，并且照射到样品表面的微波功率密度都小于10mW/cm2，该功率密度小于IEEE Std C95.1TM，2005标准规定的3GHz安全辐照功率为20mW/cm2的值要小，保证了实验的安全性和可以临床应用的前提，符合国家安全标准；不同主频的微波采用不同的同轴波导转换器、波导隔离器、同轴电缆线、发射天线也即偶极耦合天线，产生的脉冲微波通过波导同轴转换器和微波隔离器，再经同轴电缆线后进入无油耦合手持探头的发射天线发出微波，根据热声效应原理，当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,热能转化为机械能以超声波形式辐射，而超声波在空气中衰减极大,传统检测方法是在发声物体到探测器之间用去离子水或者矿物质油进行耦合，本发明为了简化装置，不在采用离子水或者矿物质油进行耦合，而是利用脉冲微波透过聚苯乙烯耦合块后激发样品组织产生热声信号，产生的热声信号经聚苯乙烯固体耦合介质，再与水平呈45°斜面空气层处进行反射后被128阵元的线阵超声换能器接收，其中前述的聚苯乙烯耦合块尺寸可以确保超声波在耦合块传播中遇到45°空气层可以全反射到128阵元线阵超声换能器中，热声信号经过128阵元线阵超声换能器转换为电信号，如前面所述的，利用软件控制装置采集完全部信号后，导入主控计算机中，利用计算机MATLAB软件将利用聚苯乙烯耦合块获得的热声信号进行滤波反投影进行成像，最后可得到图4，其为检测生物模拟样品，用瘦肉模拟肿瘤组织，肥肉模拟乳房组织，在处于探头下的不同的深度处的热声成像图像，从结果可以看出深度为6cm的模拟肿瘤，本发明的聚苯乙烯耦合完全替代目前热声成像矿物油或去离子水耦合装置仍然可以精准的检测出图像，这对于医学检测装置的便携化设置是有极大意义的，而如图2所示，其为聚苯乙烯和有机玻璃在不同频率响应下的超声衰减因子，可以看出，在不同频率下，，聚苯乙烯的超声衰减因子非常小，并且聚苯乙烯耦合块介质微波透射率大，声阻抗介于水和人体组织之间，可尽量减少微波和超声的损失，所以在常用固体耦合介质中，采用聚苯乙烯材料作为替代去离子水或者矿物质油作为耦合介质的可行性最高；声波在耦合材料中不同频率的声波承受着不同程度的衰减，其衰减都随频率的增加而增大，其中声波反射满足关系，设有一束平面波pi斜入射到由媒介Ι与媒介Π构成的平界面上。入射角为θi,两种媒质的特性阻抗分别为R1＝ρ1c1,R2＝ρ2c2，其中c为材料的声速，ρ为材料密度，用pr代表反射波，反射角为θr；以pt代表折射波，折射角为θt。引入符号
为入射波法向声阻抗率；
为折射波法向声阻抗率。根据波传播定律得声波在接触界面处，反射系数为:
此外，本发明的手持探头外壳利用超高分子量聚乙烯材料，其并不会改变天线微波场辐射方向，更进一步保证了检测的准确性，为了减少被检查者不适感，可在探头与皮肤接触处涂少量凡士林。图3中(a)图为聚苯乙烯耦合块实物图，(b)为模拟样品经过矿物油耦合后的热声信号幅值图，图(c)为经过聚苯乙烯耦合块后的热声信号幅值图，图(d)经过聚苯乙烯耦合块后的热声信号幅值图放大图，从附图中可以看出利用本发明采用耦合块获得的热声信号值与通过矿物油耦合测得的热声信号值是相同的，更进一步验证了采用耦合块的可行性，采用本发明的装置，乳腺待测者可以坐姿、站姿、或仰卧在检测平台上,在探头与皮肤接触处涂少量凡士林，探头中心紧贴放置在乳房表面就可以方便的便捷的进行检测，和数据收集，进而观察肿瘤的断面结构，本发明阻抗匹配紧凑型探头适用性强、无需矿物油耦合、操作简便，能够有效推动热声技术的产业化和临床应用，以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (12)
1.一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其包括主控计算机，脉冲微波发生器系统，同轴电缆线，无油耦合手持探头，低噪声预放大器，主放大器，数据采集系统，其中所述的脉冲微波发生器系统包括脉冲微波发生器、波导隔离器、同轴波导转换器、同轴电缆线、；其特征在于：所述的无油耦合手持探头包括发射微波天线、聚苯乙烯耦合块，并且聚苯乙烯耦合块与发射天线口面对应，以使得微波透射后的微波场更均匀的照射到需要检测的检测物，所述的聚乙烯耦合块中间部具有与水平面呈45°的斜面空气层，空气层将聚乙烯耦合块分成了对置的具有45°斜面的两个斜楔，与斜楔外侧直角紧密相连的128个信号通道的超声换能器，即128阵元的线阵超声换能器，简称128线阵超声换能器，所述的聚苯乙烯耦合块体积为长76mm,宽70mm,高25mm,空气层厚度为3mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：待测样品产生热声信号经过与水平呈45°斜面空气层处反射后，被位于斜楔直角边且紧密相连的128线阵超声换能器接收，声波在接触界面处，反射系数为:
式中的各个参数为：平面波pi斜入射到由媒介Ι与媒介Π构成的平界面上，入射角为θi，两种媒质的特性阻抗分别为R1＝ρ1c1，R2＝ρ2c2，用pr代表反射波，反射角为θr，以pt代表折射波，折射角为θt，符号
为入射波法向声阻抗率；
为折射波法向声阻抗率，c为材料的声速，ρ为材料的密度。
3.根据权利要求1所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：脉冲微波发生器系统被频率控制器通过光纤控制产生具有可调重复频率的脉冲微波。
4.根据权利要求3所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：脉冲微波发生器系统产生的微波波长为10cm，频率为3GHz，脉冲峰值功率为75kW，脉冲宽度为70～700ns任意可调，脉冲重复频率为1～200Hz可调，辐照范围大于40cm2，照射到样品表面的微波功率密度小于10mW/cm2。
5.根据权利要求3所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：脉冲微波发生器系统产生的微波波长为5cm，频率为6GHz，峰值功率≥250kW，脉冲宽度0.5s，重复频率10Hz；波源时辐照范围均大于40cm2，照射到样品表面的微波功率密度小于10mW/cm2。
6.根据权利要求4、5所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：所述128阵元线阵超声换能器外径尺寸长50mm，宽15mm，阵元间距0.3mm，高0.4mm，主频为5MHz，带宽为80％。
7.根据权利要求4、5所述的一种基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置，其特征在于：数据采集系统包括高速数字采集卡，所述高速数字采集卡的采样率为40～80MHz；低噪声预放大器的放大倍数为80dB。
8.一种如权利要求1所述的基于无油耦合与阻抗匹配紧凑型探头的热声成像装置的检测方法：
(1)在无油耦合手持探头探头与皮肤接触处涂少量凡士林，无油耦合手持探头紧贴放置在乳房表面；
(2)通过主控计算机开启脉冲微波发生器系统以及，脉冲微波发生器系统被频率控制器通过光纤控制产生具有可调重复频率的脉冲微波，脉冲微波通过波导同轴转换器和微波隔离器，经发射微波天线发出，透过聚苯乙烯耦合块辐射到待测乳房表面；
(3)利用热声效应激发产生超声波信号；超声波信号透过经聚苯乙烯耦合块，再与水平呈45°斜面空气层处进行反射，128线阵超声换能器检测该超声波信号，并转换为电信号，经过低噪声预放大器与主放大器后传入数据采集系统；其中聚苯乙烯固体耦合介质与空气斜面处的反射系数满足：
式中的各个参数为：平面波pi斜入射到由媒介Ι与媒介Π构成的平界面上，入射角为θi，两种媒质的特性阻抗分别为R1＝ρ1c1，R2＝ρ2c2，用pr代表反射波，反射角为θr，以pt代表折射波，折射角为θt，符号
为入射波法向声阻抗率；
为折射波法向声阻抗率，c为材料的声速，ρ为材料密度；
(4)全部通道的热声信号转换成电信号传导到主控计算机中，经过MATLAB图像重建软件的多元滤波反投影算法将采集到的数据还原出乳房肿瘤微波吸收差异的断面图像。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：脉冲微波发生器系统产生的微波波长为10cm，频率为3GHz，脉冲峰值功率为75kW，脉冲宽度为70～700ns任意可调，脉冲重复频率为1～200Hz可调，辐照范围大于40cm2，照射到样品表面的微波功率密度小于10mW/cm2。
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：脉冲微波发生器系统产生的微波波长为5cm，频率为6GHz，峰值功率≥250kW，脉冲宽度0.5s，重复频率10Hz；波源时辐照范围均大于40cm2，照射到样品表面的微波功率密度小于10mW/cm2。
11.根据权利要求9或10所述的检测方法，其特征在于：所述128阵元线阵超声换能器外径尺寸长50mm，宽15mm，阵元间距0.3mm，高0.4mm，主频为5MHz，带宽为80％。
12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于：数据采集系统包括高速数字采集卡，所述高速数字采集卡的采样率为40～80MHz；低噪声预放大器的放大倍数为80dB。
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2019
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