CN114343720A - 一种内窥式微波热声成像的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其装置包括脉冲微波发生源、单极子套筒天线、步进电机、超声换能器、单路信号放大器、高速数据采集卡、计算机。微波热声成像,沿着输入信号的传送方向,微波源、单极子套筒天线、待测组织依次设置。沿着输出信号的传送方向,待测组织、超声换能器、超声信号接收器、数据采集卡、计算机依次设置。微波源经单极子套筒天线向人体直肠发射脉冲微波信号,利用热声效应激发产生超声波信号;超声换能器用于接收超声波并将其转换成电信号,由步进电机带动超声换能器旋转,实现360°扫描,产生的热声信号经数据采集卡导入计算机中进行图像重建处理,得到微波热声成像。本发明实现了探头360°环扫时肠壁一圈时可以准确检测肿瘤的位置,该方法为无损检测技术,可以有更大的成像深度,可对消化道深层结构成像,有望应用于医学影像信息分析等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微波热声成像技术领域,尤其涉及一种专门适配直肠的单极子套筒天线,更准确检测直肠肿瘤的位置。
背景技术
微波热声成像技术作为一种新型无创的医学成像方法,具有广泛应用潜力和良好的应用前景。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探测器截获,通过超声信号的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。微波热声成像技术作为新的医学影像技术,兼有超声成像的高分辨和微波成像的高对比度,并且有效的克服超带宽微波成像直达波的干扰问题,该技术对生物组织的介电性质和磁性质分布进行高分辨和高对比度成像。
结直肠癌是指源于结肠或直肠的恶性肿瘤,全世界的发病率很高,也是我国临床上最常见的恶性肿瘤之一,随着我国居民生活水平不断提高,饮食和生活习惯改变,其发病率逐年上升。结直肠癌早期无明显的临床症状,且缺乏特异性强和敏感度高的检测方法。许多患者确诊时已是晚期,丧失了最佳治疗时机,因此早期诊断结直肠癌变得尤为重要。微波热声成像可以在早期利用肿瘤和正常直肠组织的微波吸收差异将肿瘤和正常的直肠组织区分开来,可以实现对直肠肿瘤的筛查。
发明内容
本发明的目的是提出一种内窥式微波热声成像的检测装置及方法,用于早期结直肠肿瘤的检测,有效进行直肠肿瘤筛查。并且该装置可以拓宽微波热声成像的应用场景,消除从外激发微波不适用于人体内成像的弊端。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
基于单极子套筒天线的微波热声成像方法与装置,所述方法包括以下步骤:
第一步,微波经由脉宽为500ns、脉冲微波源发出重复频率为10Hz的短脉冲微波;
第二步,经由单极子套筒天线调整后的脉冲微波经油囊耦合后辐射到样品上,样品吸收电磁能量瞬间温升膨胀,产生压力波即超声波;
第三步,由Labview控制电机以恒定速度旋转,由3d打印的适配器连接电机的轴和超声换能器,由电机带动超声换能器旋转采集数据。
第四步,超声换能器为主频5M的单元点聚焦探头,超声换能器旋转采集到的热声信号经过信号放大器放大然后被高速数字采集卡采集并保存至计算机。
第五步,运用数据处理程序,呈现出360°直肠内影像图,准确检测直肠的病变部位。
本发明提供了一种内窥式微波热声成像的方法与装置,微波源产生短脉冲微波,经单极子套筒天线辐射出球状微波场,向人体直肠发射脉冲微波信号,利用热声效应激发产生超声波信号;超声换能器用于接收超声波信号并转换成电信号,由步进电机带动超声换能器旋转,实现360°扫描,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上有很大的改进,传统的微波天线尺寸较大,形状多为喇叭形和长方形,无法从人身体内激发微波,单极子套筒天线外观呈直径7.88mm的圆柱形,可直接插入人体,实现从内激发微波,更好适用于直肠环境中对肿瘤检测。
(2)经过自主设计的单极子套筒天线辐射微波后,用油囊耦合,对形状不规则的腔体也能做到全方位检测,得到高分辨率以及高对比度图像。这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。
附图说明
图1为本发明基于单极子套筒天线的热声成像装置的结构示意图。
图2为本发明单极子套筒天线周围的微波场分布。
图3为本发明装置的热声分辨率图。
图中:1计算机,2微波源,3数据采集系统,4放大器,5电机驱动,6同轴电缆,7单极子套筒天线,8超声换能器,9直肠
具体实施方式:
下面将结合附图,以猪直肠为例,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。
图一左侧为装置的整体效果图,图一右侧为本装置中的结构和实验原理图。本发明的整体装置包括主控计算机,脉冲微波发生器系统,脉冲微波发生器系统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,低噪声预放大器,数据采集系统,其中直肠检查系统中又包含单极子套筒天线,超声换能器,步进电机和外壳。其中外壳的尺寸为直径8mm,长12cm,超声换能器位于距离单极子套筒天线前端1cm处,超声换能器朝向背离单极子套筒天线的方向接收声信号。超声换能器为单元聚焦超声换能器,焦距为8mm,晶片直径为3mm,主频优选为5MHz,带宽为80%。由于超声换能器尺寸尺寸较小,可以有效减小结构的整理尺寸,更适用于直肠环境的检测,改超声换能器为聚焦超声换能器,可以提高系统的分辨率,有更好的成像效果。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,微波源的频率434MHz-6GHz,脉冲宽度为70~700ns任意可调,重复频率在1-200Hz之间可调。采用上述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10mW/cm2,该功率密度小于IEEE Std C95.1TM,2005标准规定的安全辐照功率为20mW/cm2的值要小,保证了实验的安全性,符合国家安全标准。微波发生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单极子套筒天线,最终向空间辐射微波。自主设计的单极子套筒天线有比较好的辐射效率,且形状为圆柱形状,辐射的微波场如图2所示呈椭球形,且非常均匀,可保证在旋转过程中,微波均匀照在直肠上。
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。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直肠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。图三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0.896mm,纵向分辨率为0.308mm,而肿瘤的大小远大于该尺寸,因此完全可以满足实验要求。本发明内窥式微波热声成像装置适用性强、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 (6)
1.一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于,微波经由脉宽为70ns~700ns可调、脉冲微波源发出重复频率为1-200Hz之间可调的脉冲微波,经由单极子套筒天线向被测人体的直肠部位发射脉冲微波,利用热·声效应产生热声信号,该热声信号由超声换能器检测,由步进电机带动超声换能器旋转,实现360°扫描,由超声换能器检测到的热声信号经过信号放大器放大然后被高速数字采集卡采集并保存至计算机,运用Matlab进行数据处理程序,采用线性差值的算法和图像重建。
2.根据权利要求1所述的一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于:所述的单极子套筒天线利用了锥面缓变原理,降低终端反射和谐振频率,使天线的长度变小,且不影响天线的效率。利用了天线长细比原理,降低阻抗的变化率,提升天线带宽。利用了套筒天线理论,提高输入电阻和辐射电阻,降低阻抗变化率,从而提高了天线的辐射微波带宽。
3.根据权利要求1所述的一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于:所述超声换能器为单振源换能器,其直径为3mm,主频为5M,带宽为80%。
4.根据权利要求1所述的一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于:所述数据采集卡分别与微波源、64通道的放大器相连,用数据采集卡构建基于LabView软件控制的实时数据采集系统,其通过脉冲序列控制微波源发射微波,经过放大器放大的信号与控制微波源脉冲序列之间利用延迟程序相互隔开,独立动作。
5.根据权利要求1所述的一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于:所述超声换能器为单振源换能器,其直径为3mm,主频为5M,带宽为90%。
6.基于权利要求1所述一种内窥式微波热声成像的方法与装置,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据被测人体的体型,调节好单极子套筒天线的位置;
S2、开启微波源,数据采集卡所在的计算机,连接好电机和驱动,设置参数,进行初始化;
S3、利用计算机发射的脉冲序列触发微波源产生脉冲微波,并触发数据采集卡开始工作;脉冲微波经单极子套筒天线传输到被测人体的直肠部位,利用热声效应激发产生超声波信号;超声波信号传输到超声换能器上,由步进电机带动超声换能器旋转,实现360°扫描,热声信号在超声换能器上转换为电信号后由单路低噪放大器放大并传入数据采集卡,再导入计算机中进行图像重建处理,得到热声图像;
S4、储存数据并关闭各设备。
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PB01 | Publication | ||
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