CN114176554B - 多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统，属于微波热声成像领域。利用不同脉宽的微波辐射待成像生物组织，可以激发生物组织产生频谱信息不同的热声信号，该信号可被不同中心频率的超声探测器探测，从而呈现出不同深度及分辨率的热声图像。微波源输出不同脉宽的微波辐射生物组织，使生物组织产生频谱信息不同的热声信号，热声信号被超声探测器探测并被传输到放大器，经放大器放大滤波处理后经数据采集卡采集，最后被传输到计算机，在计算机中对热声信号进行图像重建，还原出多尺度热声图像。多尺度热声成像系统相对传统热声成像系统更加灵活，可重建不同尺度生物组织的图像，达到最佳成像深度与分辨率。
Description
技术领域
本发明属于微波热声成像技术领域，具体多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统。
背景技术
影像学检查在疾病诊断和治疗监测中具有重要地位，常规影像学检查方法包括：X射线成像、计算机体层成像、超声成像和核磁共振成像等。X射线用途广泛且其成本较低，成像方法和操作简单，对骨骼等成像优势明显；但X射线成像对软组织不敏感，且电离辐射会对人体产生损伤。计算机体层成像将传统X射线成像与电子计算机相结合，密度分辨率高且无重叠，相比于X射线可以更早的检测出小病变位置与病变范围；但CT成像的空间分辨率不高，对某些软组织病变仍不够敏感，且辐射剂量高于X射线成像。超声成像是当今医学影像学的重要支柱，可对软组织层次清晰成像，具有低成本、便携、无创与实时等优点，还可以提供血流动力学功能性参数；但超声成像对于骨骼，或含有气的器官成像效果较差，且对医师依赖性较高，难以长期定量检测。核磁共振成像可以清晰显示各种组织结构形态，脂肪和骨髓等，无电离辐射，空间分辨率高，可多方位多参数成像；但核磁共振成像对质子密度低的结构显示较差，设备昂贵，有禁忌症，时间分辨率不高。
因此，常规影像学检查方法在临床疾病诊断中发挥重要作用，但也各有一些缺点。发展新型影像技术用于疾病诊断或者辅助常规影像学检查方法进行疾病诊断是临床需求。
作为一种非侵入式、非电离的新型影像技术，微波热声成像技术结合微波成像高对比度与超声成像高分辨率的优点，成本低且便携。微波热声成像技术通过微波脉冲辐射生物组织，生物组织吸收微波能量进而产生热膨胀体积涨缩，涨缩过程会产生热声信号向组织四周扩散，扩散过程中的热声信号会被超声探测器探测，在计算机中通过图像重建算法对采集到的热声信号进行图像重建，从而得到生物组织内部微波吸收差异图像。
传统微波热声成像多采用单一脉宽，无法平衡不同尺寸生物组织对穿透深度与分辨率的不同需求。为弥补当前热声成像技术中的不足，提出基于多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统。
申请公开号为CN103776899B，一种变脉宽激励的脉冲涡流检测方法，其包括如下步骤：(1)将脉冲涡流传感器置于被测试件上；(2)设置当前激励脉宽PWcur＝t0，t0的取值范围为[1ms,100ms]；(3)获取检测信号，测量时间区间为[0,t]，其中，t的取值范围为[500ms,2000ms]；(4)计算检测信号在时间区间[t1,t2]上的积分INcur，其中，t1的取值范围为[10ms,100ms]，t2的取值范围为[300ms,2000ms]；(5)设置下一个激励脉宽PWnext＝PWcur+PWadd，脉宽增量PWadd的取值范围为[1ms,500ms]；(6)获取检测信号，测量时间区间为[0,t]；(7)计算检测信号在时间区间[t1,t2]上的积分INnext；(8)计算单位脉宽增量下积分值的相对增量RIcur＝(INnext-INcur)/INcurPWadd，将RIcur与预置门限值RIT比较，若RIcur<RIT，则执行步骤(9)，否则，PWcur＝PWnext，INcur＝INnext，返回步骤(5)；(9)记录当前激励脉宽PWcur，根据脉宽和检测区域特征的关系，得到被测试件的检测区域特征。变脉宽激励的作用为，随着脉冲宽度不断叠加增量，脉冲激励被测金属构件所产生的相邻脉冲激励的磁通量的增量(IMF)不断的减小，呈现衰减规律，即PEC检测信号中的结构信息趋于饱和，其衰减规律与试件壁厚相关。从IMF随脉宽变化规律中提取出合适的特征量，以实现不同厚度金属构件的壁厚缺陷检测。而微波热声成像中多脉宽的作用为，为了调整成像深度与分辨率之间的关系。即在频率与峰值功率一定的情况下，因为微波脉宽越窄，激励生物组织时产生的热声时域信号脉宽就越窄，对应的热声成像点扩散函数也越窄；脉宽越窄，其微波能量越小，在传播时转化成热声信号效率越高，即分辨率高；热声信号传播时损耗越大，即成像深度降低。区别为：
原理不同，一种变脉宽激励的脉冲涡流检测方法其原理基于电磁感应，导体在变化的电场中产生涡流，涡流又产生新的磁场，通过新产生的磁场对检测探头产生变化，分析该变化可得到金属构件壁厚的缺陷信息；而多脉宽微波激励多尺度热声成像原理基于热声效应，即物质吸收电磁波后转化为热能而引起的组织热膨胀体积涨缩，进而产生声波。利用超声探测器将声信号转化为电信号，分析电信号的变化即可得到物质的介电特性信息，热声信号经过图像重建算法处理(滤波反投影算法)便可得到含有物质介电特性分布的热声图像。
适用范围不同，脉冲涡流检测适用于工业检测领域，检测金属导电性构件。而热声成像主要应用于医学成像领域，也可进行工业探伤。
申请公布号为CN102058416A，一种基于压缩感知的微波热声成像装置，其特征在于：它包括微波发生器(1)、波导(2)、微波掩膜(3)、、伺服电机及驱动器(5)、支架(6)、样品池(7)、单阵元超声探测器(8)、计算机(9)和热声信号采集电路(10)，在样品池(7)的正上方设置有微波掩膜(3)，热声信号采集电路(10)的测量矩阵输出端与微波掩膜(3)的输入端相连，热声信号采集电路(10)的微波控制输出端与微波发生器(1)的控制端相连，微波发生器(1)输出的脉冲微波经过波导(2)发射至微波掩膜(3)表面，并透过该微波掩膜(3)照射在样品池(7)内，两个单阵元超声探测器(8)镜像设置在样品池内左右两侧，所述两个单阵元超声探测器(8)通过支架(6)和伺服电机及驱动器(5)的动力输出端固定连接，所述伺服电机及驱动器(5)能够通过支架(6)控制所述单阵元超声探测器(8)的阵元面的旋转角度每个单阵元超声探测器(8)的回波信号输出端与热声信号采集电路(10)的热声信号输入端相连，热声信号采集电路(10)将处理过的回波数据输出给计算机(9)，由计算机(9)基于压缩感知算法完成对回波数据进行图像重建，并将单阵元超声探测器(8)不同角度观测到的图像进行融合处理，获取待测样品(4)的微波热声图像。
申请公布号为为CN102058416A的中国专利申请文件公开了一种基于压缩感知的微波热声成像装置，属于微波热声领域。该专利存在时间分辨率低的问题，其成像时间相比于本发明时间较长。一种基于压缩感知的微波热声成像装置与本发明目的不同，前者侧重于通过算法优化来减少超声探测器的通道数，从而达到节约成本的目的。而本发明则是提出了一种多尺度热声成像方法，用于对不同尺度的生物组织进行快速热声成像，运用不同脉宽的微波激励生物组织，并且为了得到含有不同频谱信息的热声信号，采用多组中心频率不同的超声探测器进行热声信号的采集。两者目的不同，侧重点也不同。
发明内容
本发明旨在解决传统微波热声成像多采用单一脉宽而无法平衡不同尺寸生物组织对穿透深度与分辨率的不同需求的问题。提出了一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法及系统。本发明的技术方案如下：
一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其包括以下步骤：基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，采用频率固定且脉冲宽度可变的微波源辐射尺寸不同的生物组织，以产生含有不同频谱信息的热声信号；使用中心频率与所述热声信号频率相对应的超声探测器对所述热声信号进行采集；将采集的热声信号进行放大与滤波处理；数据采集系统对放大后的多组热声信号进行A/D转换，得到数字化的热声信号，并将热声信号发送给计算机进行存储；在计算机中利用滤波反投影图像重建算法，将含有不同频谱信息的热声信号进行图像重建，获得不同微波脉宽激励下的多尺度热声图像。
进一步的，所述采用频率固定且脉冲宽度可变的微波源是基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，即在频率与峰值功率一定的情况下，使用窄脉冲宽度的微波激励生物组织，窄脉冲能量低，生物组织转换效率高，其成像深度较浅，热声成像分辨率高；使用宽脉冲宽度的微波激励生物组织，宽脉冲能量高，生物组织转换效率低，其成像深度深，热声成像分辨率降低。
进一步的，所述基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，具体为：脉冲宽度越窄，微波在组织内传播时转化为热能的效率越高，微波损耗越大，其成像分辨率越高，穿透深度越浅；相反，脉冲宽度越宽，微波在组织内传播时转化为热能的效率越低，微波损耗越小，其成像分辨率降低，穿透深度加深。
进一步的，所述热声信号的采集是在耦合液的配合下完成，耦合液用于填充生物组织与超声探测器间的空隙，减小含有不同频谱信息的热声信号的衰减，耦合液填充在超声探测器与生物组织之间。
进一步的，所述将采集的热声信号进行放大与滤波处理，具体包括：将采集的含有不同频谱信息的热声信号输出至阵列放大器，采用高频带通放大器对热声信号进行放大与滤波处理，放大器每个通道相对独立，之间互不干扰。
进一步的，所述数据采集卡将经过放大的含有不同频谱信息的热声信号进行A/D转换，触发方式为外部触发，触发信号由微波源给出。
一种多脉宽微波激励多尺度热声成像系统，其包括：多脉宽微波产生传输模块，由微波源、同轴线及偶极子天线组成，不同脉宽的微波由微波源发出，由偶极子天线辐射待成像生物组织，两者通过同轴线连接；其中微波源为频率固定且脉冲宽度可变的微波源，用于辐射尺寸不同的生物组织，以产生含有不同频谱信息的热声信号；
多频率信号接收与图像重建模块，由不同中心频率的超声探测器、阵列放大器、阵列数据采集卡及计算机依次连接而成，所述超声探测器的中心频率与所述热声信号频率相对应并对对所述热声信号进行采集；阵列放大器将采集的热声信号进行放大与滤波处理；阵列数据采集卡对放大后的多组热声信号进行A/D转换，得到数字化的热声信号，并将热声信号发送给计算机进行存储；在计算机中利用滤波图像重建算法，将含有不同频谱信息的热声信号进行图像重建，获得不同微波脉宽激励下的多尺度热声图像。
进一步的，所述微波源为220V供电，微波频率选择3GHz，辐射生物组织的冲宽度选择范围为70ns～600ns，微波辐射射选用偶极子天线。
进一步的，使用脉冲宽度为70ns～250ns的微波辐射生物组织时，采用中心频率为5.00MHz的超声探测器对热声信号进行采集；使用脉冲宽度为250ns～450ns的微波辐射生物组织时，使用中心频率为2.25MHz的超声探测器对热声信号进行采集；使用脉冲宽度为450ns～600ns的微波辐射生物组织时，使用中心频率为1.00MHz的超声探测器对热声信号进行采集。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明具有更高的灵活度，多脉宽微波激励可以满足不同尺寸的生物组织对分辨率与成像深度的不同需求。对不同尺寸的生物组织用不同脉冲宽度的微波进行辐射，使生物组织产生携带有不同频谱信息的热声信号，配合使用相应中心频率的超声探测器对频谱信息不同的热声信号采集，可得到多尺度微波热声成像。
在热声成像领域中，权利要求1多脉宽微波激励多尺度热声成像方法是一个创新的点，即在激励源其他参数不变的情况下，仅改变激励源的微波脉冲宽度，对不同尺寸的生物组织进行辐射，从而得到高质量的多尺度热声图像。在现有热声成像方法中，有采用不同频段的激励源来实现多尺度热声成像。例如，使用S波段(2G～4G)与VHF频段(30MHz～100MHz)辐射待成像生物组织，进行多尺度热声成像。但是，与多脉宽微波激励多尺度热声成像方法有着本质的不同，从而成像效果上也有较大的差异。此前并没有人书面提出过基于变脉宽微波激励的多尺度热声成像。
激励中心频率的多尺度与本发明的意义不同。前者运用不同中心频率的微波激励同一生物组织，不同中心频率的微波激励出的生物组织介电特性不同，通过算法重建出的热声图像也不同，例如，某些组织对于VHF频段敏感，而对于S波段不敏感，所以同一组织反映出的介电特性是不同的，使用图像重建算法后得到的热声图像也不同。而基于变脉宽的多尺度是利用同一频段不同脉宽激励不同尺度的生物组织，从而得到最佳成像深度与分辨率的热声图像。
并且，激励频段的多尺度可与本发明进行结合，可以在多个中心频率的激励中运用变脉宽的热声成像方法，针对不同尺寸的生物组织可以得到最佳分辨率与成像深度的热声图像。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例多脉宽微波激励多尺度热声成像方法示意图。
图2是实施例中所述的多脉宽微波激励多尺度热声成像系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
实施例1。
如图1，本发明提供了一种多脉宽微波激励多尺度微波热声成像方法。
使用不同脉冲宽度的微波辐射不同尺寸的生物组织，可以重建出不同尺度的热声图像。使用窄脉冲宽度的微波辐射小尺寸生物组织，微波在组织内传播时转化为热能的效率高，其成像分辨率高，脉宽微波在组织内传播的损耗大，穿透深度较浅；使用宽脉冲宽度的微波辐射大尺寸生物组织，微波在组织内传播时转化为热能的效率低，其成像分辨率下降，宽脉宽微波在组织内传播的损耗小，穿透深度深。
不同脉冲宽度的微波对生物组织进行辐射，生物组织吸收微波能量产生含有不同频谱信息的热声信号，其通过机械波的形式向四周扩散。
使用的超声探测器其中心频率应与不同脉宽激励生物组织产生的热声信号的频率相对应，以对含有不同频谱信息的热声信号进行采集，保证热声信号所在频段的信息被超声探测器完整采集。
将超声探测器采集到的含有不同频谱信息的热声信号输出至阵列放大器对热声信号进行放大、滤波。
阵列数据采集卡对热声信号进行A/D转换，经转换的热声信号被计算机存储。
在计算机中利用图像重建算法对含有不同频谱信息的热声信号进行重建，从而得到多尺度的热声图像。
实施例2。
下面结合图2说明本实施方式，本实施方式提供了一种应用于生物组织热声图像重建的多脉宽微波激励多尺度热声成像系统，其包括，多脉宽微波产生传输模块、多频率信号接收与图像重建模块。
具体包括:微波源，同轴线，偶极子天线，耦合液(变压器油或超声耦合剂)，超声探测器，阵列放大器，阵列数据采集卡，计算机。
微波源，中心频率3GHz，峰值功率≥60kW，脉冲宽度70ns～600ns，脉冲重复频率50Hz-100Hz。
同轴线，用于连接微波源与偶极子天线，传输微波。
偶极子天线用于多脉宽微波的发射。
耦合液，变压器油或超声耦合剂。
超声探测器，本系统中运用了三种不同中心频率的阵列式超声探测器分别为1MHz、2.25MHz和5MHz，分别用于采集频谱信息不同的热声信号。
优选的，阵列放大器，128通道，-3dB带宽0.25MHz～7MHz，增益57dB。
优选的，阵列数据采集卡，128通道，采样率50MHz，分辨率12bit。
多脉宽微波产生传输模块，由微波源，同轴线，偶极子天线组成，不同脉宽的微波由微波源发出，由偶极子天线辐射待成像生物组织，两者通过同轴线连接。
多频率信号接收与图像重建模块，由不同中心频率的超声探测器，阵列放大器，阵列数据采集卡，计算机依次连接而成。
优选的，多脉宽微波产生传输模块，设置微波源发出三种不同脉宽分段的微波分别为70ns～250ns，250ns～450ns、450ns～600ns，通过同轴线，连接到偶极子天线，通过手持偶极子天线对需要成像的部位进行微波辐射。不同尺寸的生物组织对成像深度与分辨率的需求不同，根据生物组织的尺寸大小对微波脉冲宽度进行选择，使用窄脉冲宽度的微波对偏小尺寸的生物组织进行辐射；使用宽脉冲宽度的微波对偏大尺寸的生物组织进行辐射。
多频率信号接收与图像重建模块，采用三种中心频率不同的超声探测器，对不同脉宽微波辐射的生物组织所产生的不同频谱信息的热声信号进行采集，采集时可以将待成像部位浸入变压器油中，采用阵列式超声探测器对准需成像部位进行滑动扫描，也可以将超声耦合剂涂抹至待成像部位，使用超声探测器紧贴待成像部位滑动扫描。针对窄脉冲宽度微波辐射的待成像部位所产生的热声信号采用高频超声探测器进行采集，宽脉冲宽度微波激励的待成像部位所产生的热声信号采用低频超声探测器进行采集。
本系统中采用70ns～250ns脉宽的微波对小尺寸待成像部位辐射时，采用5MHz中心频率的阵列式超声探测器，对高频信息相对丰富的热声信号进行采集。
采用250ns～450ns脉宽的微波对待成像部位进行辐射时，采用2.25MHz中心频率的阵列式超声探测器对热声信号进行采集。
采用450ns～600ns脉宽的微波对大尺寸成像部位辐射时，采用1MHz中心频率的阵列式超声探测器，对相对低频的热声信号进行采集。
携带有不同频谱信息的热声信号经过阵列放大器，对含有不同频谱信息的热声信号进行放大与滤波处理。经处理的热声信号进入阵列数据采集卡进行A/D转换，阵列数据采集卡采用外部触发，触发信号由微波源给出，经转换后的数字热声信号被计算机存储。在计算机中运用图像重建算法，对采集到含有不同频谱信息的热声信号进行图像重建，从而得到不同尺度下的热声图像。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，采用频率固定且脉冲宽度可变的微波源辐射尺寸不同的生物组织，以产生含有不同频谱信息的热声信号；使用窄脉冲宽度的微波对偏小尺寸的生物组织进行辐射；使用宽脉冲宽度的微波对偏大尺寸的生物组织进行辐射；使用中心频率与所述热声信号频率相对应的超声探测器对所述热声信号进行采集；将采集的热声信号进行放大与滤波处理；数据采集系统对放大后的多组热声信号进行A/D转换，得到数字化的热声信号，并将热声信号发送给计算机进行存储；在计算机中利用滤波反投影图像重建算法，将含有不同频谱信息的热声信号进行图像重建，获得不同微波脉宽激励下的多尺度热声图像。
2.根据权利要求1所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，所述采用频率固定且脉冲宽度可变的微波源是基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，即在频率与峰值功率一定的情况下，使用窄脉冲宽度的微波激励生物组织，窄脉冲能量低，生物组织转换效率高，其成像深度较浅，热声成像分辨率高；使用宽脉冲宽度的微波激励生物组织，宽脉冲能量高，生物组织转换效率低，其成像深度深，热声成像分辨率降低。
3.根据权利要求1所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，所述基于脉冲宽度与成像深度及分辨率之间的关系，具体为：脉冲宽度越窄，微波在组织内传播时转化为热能的效率越高，微波损耗越大，其成像分辨率越高，穿透深度越浅；相反，脉冲宽度越宽，微波在组织内传播时转化为热能的效率越低，微波损耗越小，其成像分辨率降低，穿透深度加深。
4.根据权利要求1所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，所述热声信号的采集是在耦合液的配合下完成，耦合液用于填充生物组织与超声探测器间的空隙，减小含有不同频谱信息的热声信号的衰减，耦合液填充在超声探测器与生物组织之间。
5.根据权利要求1所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，所述将采集的热声信号进行放大与滤波处理，具体包括：将采集的含有不同频谱信息的热声信号输出至阵列放大器，采用高频带通放大器对热声信号进行放大与滤波处理，放大器每个通道相对独立，放大器通道之间互不干扰。
6.根据权利要求1所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像方法，其特征在于，数据采集卡将经过放大的含有不同频谱信息的热声信号进行A/D转换，触发方式为外部触发，触发信号由微波源给出。
7.一种多脉宽微波激励多尺度热声成像系统，其特征在于，包括：多脉宽微波产生传输模块，由微波源、同轴线及偶极子天线组成，不同脉宽的微波由微波源发出，由偶极子天线辐射待成像生物组织，两者通过同轴线连接；其中微波源为频率固定且脉冲宽度可变的微波源，用于辐射尺寸不同的生物组织，以产生含有不同频谱信息的热声信号；使用窄脉冲宽度的微波对偏小尺寸的生物组织进行辐射；使用宽脉冲宽度的微波对偏大尺寸的生物组织进行辐射；
多频率信号接收与图像重建模块，由不同中心频率的超声探测器、阵列放大器、阵列数据采集卡及计算机依次连接而成，所述超声探测器的中心频率与所述热声信号频率相对应并对对所述热声信号进行采集；阵列放大器将采集的热声信号进行放大与滤波处理；阵列数据采集卡对放大后的多组热声信号进行A/D转换，得到数字化的热声信号，并将热声信号发送给计算机进行存储；在计算机中利用滤波反投影图像重建算法，将含有不同频谱信息的热声信号进行图像重建，获得不同微波脉宽激励下的多尺度热声图像。
8.根据权利要求7所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像系统，其特征在于，所述微波源为220V供电，微波频率选择3GHz，辐射生物组织的脉冲宽度选择范围为70ns～600ns，微波辐射射选用偶极子天线。
9.根据权利要求7或8所述的一种多脉宽微波激励多尺度热声成像系统，其特征在于，使用脉冲宽度为70ns～250ns的微波辐射生物组织时，采用中心频率为5.00MHz的超声探测器对热声信号进行采集；使用脉冲宽度为250ns～450ns的微波辐射生物组织时，使用中心频率为2.25MHz的超声探测器对热声信号进行采集；使用脉冲宽度为450ns～600ns的微波辐射生物组织时，使用中心频率为1.00MHz的超声探测器对热声信号进行采集。
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