CN116421164A - 超宽带太赫兹成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带太赫兹成像系统及成像方法，包括：太赫兹波发生器，用于产生连续的超宽频太赫兹信号；太赫兹生物信号接收器，其用于探测的接收天线可调节竖直高度，探测组织器官周围的电磁场获取散场电场；太赫兹生物信号处理器，将探测到的所述散场电场进行多维图像重建获得组织器官的多维图像，图像显示器，用于显示组织器官的多维图像。本发明所提出的三维全息太赫兹成像系统可以对组织器官进行二维或者三维图像的重建，而且采用非接触、无创伤，无需在组织器官上粘贴任何探测器，根据本发明成像方法可以开发出相应的医疗仪器，可以显示相应的曲线、图像、数值，能够对多种疾病如乳腺癌、皮肤癌等进行连续监测。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹成像领域，特别是涉及一种超宽带太赫兹成像系统及成像方法。
背景技术
乳腺癌是全球女性癌症死亡的主要原因。早发现和早治疗可有效降低乳腺癌的死亡率，但在过去30年中，乳腺癌的发病率有所增加。早期诊断是提高五年存活率的关键。乳房X射线摄影术被认为是目前乳腺癌症常规检测的金标准，但它具有电离辐射，对患者造成潜在伤害，不适合致密乳房和孕妇。超声图像质量相对较低，区分早期恶性组织和正常组织具有挑战性。MRI是最敏感的乳腺癌症检测方法，但它价格昂贵，无法正确定位乳腺，可能导致误诊。传统的成像方法往往会导致癌症检测的错误和局限性，促使研究人员开发新的癌症诊断方法。
相比于乳腺癌常规检测技术，太赫兹乳腺成像因其无创、非侵入、无电离辐射、对比度高和易普查等优点，有望成为安全有效的乳腺肿瘤检测常规或辅助检测手段，获国内外学者广泛关注。然而，当前太赫兹成像技术面临着成像扫描时间长、成像较差等问题，导致其推广进展缓慢。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中太赫兹成像技术成像的技术问题，提出一种超宽带太赫兹成像系统及成像方法。
本发明采用的技术方案是：
本发明提出了一种超宽带太赫兹成像系统，包括：
太赫兹波发生器，用于产生连续的超宽频太赫兹信号；
太赫兹信号发射器，用于对组织器官发射所述太赫兹波发生器产生超宽频太赫兹信号；
太赫兹生物信号接收器，其用于探测的接收天线可调节竖直高度，探测组织器官周围的电磁场获取散场电场；
太赫兹生物信号处理器，将探测到的所述散场电场进行多维图像重建获得组织器官的多维图像；
图像显示器，用于显示组织器官的多维图像；
智能扫描控制器，连接所述太赫兹波发生器、太赫兹信号发射器、太赫兹生物信号接收器、图像显示器以及太赫兹生物信号处理器进行控制。
具体的，所述太赫兹信号发射器包括至少一个发射天线，所述太赫兹生物信号接收器包括至少一个接收天线。
具体的，所述智能扫描控制器控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线环绕组织器官移动进行旋转扫描，或者控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线上下移动进行竖直方向扫描，或者控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线水平移动进行水平扫描。
本发明还提出一种太赫兹成像方法，使用上述的超宽带太赫兹成像系统，包括步骤：
S1，控制所述太赫兹波发生器产生连续地超宽频太赫兹信号；
S2，控制所述太赫兹信号发射器向组织器官不间断地发射超宽带太赫兹信号；
S3，控制所述太赫兹生物信号接收器检测来自组织器官的电磁场获取散场电场；
S4，控制所述太赫兹生物信号处理器对所述太赫兹生物信号接收器探测到的所述散场电场进行多维图像重建获得组织器官的多维图像；
S5，将组织器官的多维图像传输至图像显示器进行探测组织器官的图像显示。
进一步的，所述S2具体包括：
S21，建立组织器官所在的待成像区域的直角坐标系；
S22，由太赫兹信号发射器的发射天线向组织器官不间断地施加超宽带太赫兹波信号，所述发射天线环绕于组织器官或位于组织器官一侧或两侧，所述发射天线的数量为NT个，NT个≥1。
具体的，当所述发射天线的数量NT>1，且所述发射天线成均匀圆形状分布时，依次对每个发射天线激发入射电场，总入射电场为NT个发射天线激发的入射电场之和。
第一实施例中，进行二维图像处理时，所述S3具体包括：
S31，控制所述太赫兹生物信号接收器的一个接收天线检测距离组织器官垂直高度相同的至少三个接收位置的散射电场；或至少三个距离组织器官垂直高度相同的接收天线检测检测其接收位置的散射电场；
S32，将组织器官移出被测区域，获取所述发射天线的入射电场；
S33，根据所述发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波。
第二实施例中，进行三维图像处理时，所述S3还包括：
S34，调整所述接收天线的垂直高度，重新执行步骤S31至S33。
第一实施例中，所述S4具体包括：
S41，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的二维图像。
第二实施例中，S4具体包括：
S41，根据发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，接收天线高度调整后，依次对所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S44，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的三维图像。
与现有技术比较，本发明所提出的三维全息太赫兹成像系统可以对组织器官进行二维或者三维图像的重建，而且采用非接触、无创伤，无需在组织器官上粘贴任何探测器，根据本发明成像方法可以开发出相应的医疗仪器，可以显示相应的曲线、图像、数值，能够对多种疾病如乳腺癌、皮肤癌等进行连续监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中成像系统的框图；
图2为本发明实施例中成像系统的系统概念图；
图3为本发明实施例中成像系统中发射天线和接到天线的位置示意图；
图4为本发明实施例中成像系统中一对太赫兹生物信号接收器的几何排列示意图；
图5为本发明实施例中成像系统中接收天线高度调整的示意图；
图6为本发明实施例中是三维乳房模型的二维图像(实部)；
图7为本发明实施例中是三维乳房模型的二维图像(虚部)；
图8为本发明实施例中是三维乳房模型的二维重建图像(实部)；
图9为本发明实施例中是三维乳房模型的二维重建图像(虚部)。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
组织器官的电磁特性与生理系统的健康状况息息相关，当疾病发生时，生物组织的介电性(常用介电常数表示)和电导率发生显著变化。不同类型生物组织的介电性和电导率差异明显，此差异为太赫兹成像检测组织器官的生理病理状态提供了可行的物理基础。太赫兹乳腺成像通过对太赫兹电场作用下组织器官内部和周围散射电场分布的检测进行组织器官内部组织结构图像重建，获取组织器官的介电常数分布、电导率分布等重要特征。过去的二十年，大量的工作都是围绕太赫兹成像技术在生物体外成像和肿瘤检测方面的应用进行，如乳房成像检测乳腺肿瘤等。对此，本发明提出了一种超宽带太赫兹成像系统及成像方法，成像系统采用非接触、无创伤的应用方式，无需在组织器官上粘贴任何探测器，根据本发明成像方法及系统可以开发出相应的医疗仪器，显示相应的曲线、图像、数值，能够对多种疾病如乳腺癌、皮肤癌等进行连续监测。
如图1所示，本发明提出了一种超宽带太赫兹成像系统，具体包括：
太赫兹波发生器、太赫兹信号发射器、太赫兹生物信号接收器、太赫兹生物信号处理器、图像显示器和智能扫描控制器，太赫兹波发生器通过智能扫描控制器控制用于产生连续的超宽频太赫兹信号，超宽频太赫兹信号以不间断地形式施加在太赫兹信号发射器中，通过太赫兹信号发射器的发射天线向组织器官不间断地发射超宽带太赫兹信号；超宽带太赫兹信号会在组织器官周围产生电磁波场，电磁场使目组织器官产生电磁场，电磁场产生感应磁场和/或散场磁场；太赫兹生物信号接收器的接收天线可以检测到的来自组织器官的散场电场，检测到的散场电场会传输至太赫兹生物信号接收器；太赫兹生物信号接收器可以将接收天线在同一垂直高度上的不同接收位置探测到的散场电场进行二维图像重建获得组织器官的二维图像，也可以将接收天线在多个垂直高度上的不同接收位置探测到的散场电场进行三维图像重建获得组织器官的三维图像；用于显示组织器官的多维图像；智能扫描控制器连接太赫兹波发生器、太赫兹信号发射器、太赫兹生物信号接收器、图像显示器以及太赫兹生物信号处理器进行控制。
在具体的实施例中，太赫兹波发生器采用矢量网络分析仪，可以产生频率范围为0.1THz-0.17THz的太赫兹波信号。
在具体的实施例中，本发明提出的成像系统的工作频率为超宽频，其最佳工作频率范围为0.1THz-0.17THz。
具体的，太赫兹信号发射器包括至少一个发射天线，太赫兹生物信号接收器包括至少一个接收天线。发射天线和接收天线均采用太赫兹天线，且发射天线和接收天线可为同一种太赫兹天线也可为不同种类的太赫兹天线，若为同一种天线，发射天线传输太赫兹波信息，接收天线检测组织器官内部及其周围的电磁场变化以及介电性、电导率的分布状态。
如图2所示，太赫兹信号发射器的多个发射天线呈圆环状均匀排列，可以将组织器官包围在圆环内，且各发射天线距组织器官的高度均相同(即各个发射天线在同一平面同一高度上)。
太赫兹生物信号接收器的接收天线也采用太赫兹天线2，作为接收天线的太赫兹天线数量为NR，NR为自然数且NR≥1。作为接收天线的太赫兹天线环绕组织器官1均匀设置，即成圆环状均匀排列，且各接收天线距组织器官1的距离或高度均相同，同时接收天线的位置可以调整。
在一个实施例中，可以只设置1个太赫兹天线，围绕组织器官均匀旋转，旋转角度为22.5°，即太赫兹天线围绕组织器官旋转一周可采集16个信息。每个太赫兹天线既作为发射天线发射太赫兹波到组织器官，又作为接收天线检测组织器官内部及其周围的电场变化以及电导率的分布状态。
同时，为减少成像系统成本，提高可适用性，组织器官与太赫兹天之间和各太赫兹天线之间不使用额外媒介质，即填充物为空气。
本发明全息太赫兹乳腺成像系统的工作原理为：在某一个太赫兹发射天线中施加不间断地超宽带太赫兹波，该超宽带太赫兹波信号经空间传播到达其余所有的接收天线。电场的传播受所经过空间的复电导率和复介电常数的影响，两两比较不同接收天线的散射电场的幅值和相位差异，就能够获得空间复电导率或复介电常数或磁导率的信息。依次改变发射天线，并利用其余太赫兹天线分别进行检测，可以获得一组完整的测量数据。这些测量数据传送到太赫兹生物信号处理器中，太赫兹生物信号处理器对检测到的测量数据进行图像重建，从而重建得到二维或三维断层内电导率或其变化量的分布图像。测量过程中，太赫兹天线需要均匀旋转，改变检测位置。
在具体的实施例中，太赫兹天线可采用波导天线、太赫兹贴片天线、喇叭天线、超表面太赫兹贴片天线等，太赫兹天线的尺寸大小受到工作频率、工作环境和材料的限制。
在具体的实施例中，作为发射天线的太赫兹发射天线与作为接收天线的太赫兹接收天线之间的位置关系具体包括：作为发射天线的太赫兹发射天线与作为接收天线的太赫兹接收天线均位于组织器官的同侧和或两侧，位于相同高度或不同高度；或作为发射天线的太赫兹发射天线与作为接收天线的太赫兹接收天线相互平行；或作为发射天线的太赫兹发射天线与作为接收天线的太赫兹接收天线重合(如图3所示)；或作为发射天线的太赫兹发射天线与作为接收天线的太赫兹接收天线均与组织器官成一定的角度。
本发明还提出了一种太赫兹成像方法，使用上述的超宽带太赫兹成像系统，具体包括步骤：
S1，控制所述太赫兹波发生器产生连续地超宽频太赫兹信号；
S2，控制所述太赫兹信号发射器向组织器官不间断地发射超宽带太赫兹信号；
S3，控制所述太赫兹生物信号接收器检测来自组织器官的电磁场获取电磁场信号；
S4，控制所述太赫兹生物信号处理器对所述太赫兹生物信号接收器探测到的所述电磁场信号进行多维图像重建获得组织器官的多维图像；
S5，将组织器官的多维图像传输至所述图像显示器进行探测组织器官的图像显示。
上述步骤S2具体为：智能扫描控制器控制太赫兹信号发射器中至少一个发射天线向组织器官(可以是乳房)施加不间断地超宽带太赫兹波；该超宽带太赫兹波在组织器官(可以是乳房)周围产生散射电场，在电磁场作用下，激励电场通过组织器官时产生散场电场。
且上述S2具体包括以下步骤：
S21，建立组织器官所在的待成像区域的直角坐标系；用于确定组织器官与发射天线及接收天线的距离、发射天线的位置坐标、接收天线的位置坐标以及图像点数N；
S22，由太赫兹信号发射器的至少一个发射天线向组织器官不间断地施加超宽带太赫兹波信号，该信号在组织器官内部和周围产生激励电场，该激励电场可以视为一个时间谐波电场，发射电场通过组织器官时因电磁场作用产生入射电场；
上述S22中的具体实施例为：可以是环绕于组织器官或位于组织器官一侧或两侧的NT个发射天线依次发射特定频率段的太赫兹波信号。
具体的散射电场回波
的获取方法为：
一个或多个接收天线检测散射电场
其中ri为发射天线的位置坐标，rr为接收天线的位置坐标；当NT>1，且发射天线成均匀圆形状分布时，依次对每个发射天线激发入射电场，总入射电场为NT个发射天线激发的入射电场之和；
将组织器官移出被测区域，在发射源不变的前提下检测相同的入射电场
即还是通过相同接收天线(或者是相同的检测位置)进行检测；
组织器官的散射电场回波可以通过上面两个步骤两次的测量数据相减获得，即：
具体的，进行二维图像处理时，上述S3进一步包括以下步骤：
S31，获取太赫兹信号发射器的接收天线在距离组织器官同一垂直高度上至少三个接收位置的散射电场，即可以是至少三个接收天线在同一垂直高度的所处三个接收位置进行检测，也可以是一个接收天线在同一垂直高度移动到三个不同的接收位置进行检测；
S32，将组织器官移出被测区域，获取所述发射天线的入射电场；
S33，根据发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波。
如果只需要获取二维图像，则执行步骤S33结束，如需要获取三维图像，则继续执行步骤S34；
S34，调整所述接收天线的垂直高度(具体是相对组织器官所在水平基准面)，获取接收天线在距离组织器官在该垂直高度上至少三个接收位置的散射电场，重新执行步骤S31至S33，用于获取另一高度的散射电场回波。
具体的，获取二维图像时，上述S4进一步包括以下步骤：
S41，根据发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的二维图像。
具体的，获取三维图像时，上述S4进一步包括以下步骤：
S41，根据发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，依次对接收天线高度调整后所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S44，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的三维图像。
上述两个实施例中S41具体为：
建立组织器官(例如乳房)的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
根据太赫兹波穿透组织器官表面后，诱发组织器官内部不同组织间多次散射的作用机理，得到描述非线性数学模型的内部场效应模型和组织器官的外部场效应模型；
内部场效应模型描述为：
式(2)中，
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j为复数虚部，/>
μr为组织器官的磁导率，μ0为自由空间的磁导率，/>
为总电场，/>
＝入射电场+散射电场，V为目标物体积。
其中总电场数学模型为：
式(3)中，
为入射电场，/>
为从目标点到位于/>
的太赫兹天线的矢量距离，/>
表示散度运算符，/>
为格林函数,/>
为从场源点到组织器官内任一点的位置矢量。
外部散射电场模型(外部电场效应模型)为：
式(4)中，
为散射电场(散射电场回波)，/>
为组织器官内任意一目标点到位于/>
的太赫兹天线的矢量距离，/>
表示位置矢量,/>
R表示散射源和目标点之间的距离，进一步地，令a≈1，b≈-1，散射电场模型可描述为：
结合内部电场效应模型和外部电场效应模型得到非线性数学模型。
S42具体包括步骤：
计算同一竖直高度上(即同一个平面上的，距离组织器官的垂直距离相等)所有接收位置中任意两个接收天线位置
的可见函数：计算所有接收天线位置中任意两个接收位置/>
的可见函数：
式(7)中，*表示复数共轭，<>表示平均时间，可见函数
包含任意两个接收天线位置/>
检测到的相位延迟和/或振幅差异。
依次计算任意两个接收天线位置接收信号的可见函数，得到所有接收位置处检测的总可见函数，当接收天线的接收位置为NR个时，NR为自然数且NR≥3，总可见函数为NR(NR-1)个接收天线位置检测到的可见函数之和。
通过对所有接收天线位置处检测到的总可见函数进行傅里叶逆变换，得到组织器官的二维图像。
下面结合附图对组织器官二维图像重建的具体过程进行说明。
如图4所示，假设某一点Q(x,y,z)位于组织器官内部，该点Q(x,y,z)到接收天线的接收位置区域内的任意两个位于
和/>
的接收天线的接收位置的散射电场可见函数用式(7)表示，即建立表征数学模型。
在
位置的组织器官(乳房)散射强度为：
组织器官(乳房)的可见函数的体积分为：
将式(9)代入公式(7)可得：
式(10)中，
λb为工作波长，/>
为球坐标系中单位矢量
dV＝s2sinθdθdφds。
定义新参数(l,m,n)：
dV可由下式获得：
dV＝s2dldmds/n (12)
将公式(12)代入(10)，得到：
基线向量在笛卡尔坐标系中的分量
为/>
因为太赫兹天线(接收天线的接收位置)在同一高度排列，组织器官(乳房)的可见度散射函数方程变为：
沿径向坐标n的线积分为：
利用式(16)得出以下二维积分对变量(l,m)的可见度散射函数：
可见度散射函数(17)是二维傅里叶变换，因此，乳房二维图像可以通过傅里叶逆变换实现重构：
式(18)表明，一个三维组织模型的二维图像可以通过傅里叶逆变换可见度散射函数重建获得。
上述步骤S3中，当组织器官为非磁性、具有导电性时，可以通过式(6)计算组织器官在任何一个接收天线的接收位置接收的散射电场，该方法可用于监测生物体的乳腺肿瘤、脑中风和皮肤病等多种生理病理特征。
上述步骤S4中，基于至少三个接收位置中的两个接收天线位置所检测到的散射电场来形成组织器官的至少一项电磁属性的时间序列，并计算出至少两个接收天线位置检测到的电磁属性的差异，从而构建组织器官的二维图像。按照至少三个接收位置与组织器官的高度保持彼此相同的方法(即三个接收位置在竖直方向上距离组织器官的垂直高度相同)，同时逐步改变高度(即在竖直方向上移动接收天线改变接收位置)，并计算出至少两个接收位置探测到的电磁属性的差异(电磁属性分布信息，具体是电磁属性分布的幅值和相位的信息)，从而构建目标生物体的三维图像。通过计算当接收天线在不同高度下获取的组织器官的可见强度差值分布，并两两比较接收天线在不同高度下获取的可见强度差值，形成一组完整的数据，从而实现三维图像重构。三维图像的空间分辨率受天线种类、天线形状、扫描速度、扫描高度、工作频率、天线材料的影响。
为验证本发明所提出的全息太赫兹成像方法，并通过MATLAB平台建立了三维仿真模型，用于模拟当乳腺肿瘤发生时不同组织的散射电场影响。图6是三维乳房模型的二维图像(实部)；图7是三维乳房模型的二维图像(虚部)；图8是三维乳房模型的二维重建图像(实部)；图9是三维乳房模型的二维重建图像(虚部)。三维乳房模型的重建图像能够清晰地显示不同乳房组织，其中包含肿瘤细胞。
需要注意的是，上述所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超宽带太赫兹成像系统，其特征在于，包括：
太赫兹波发生器，用于产生连续的超宽频太赫兹信号；
太赫兹信号发射器，用于对组织器官发射所述太赫兹波发生器产生超宽频太赫兹信号；
太赫兹生物信号接收器，其用于探测的接收天线可调节竖直高度，探测组织器官周围的电磁场获取散场电场；
太赫兹生物信号处理器，将探测到的所述散场电场进行多维图像重建获得组织器官的多维图像；
图像显示器，用于显示组织器官的多维图像；
智能扫描控制器，连接所述太赫兹波发生器、太赫兹信号发射器、太赫兹生物信号接收器、图像显示器以及太赫兹生物信号处理器进行控制。
2.如权利要求1所述的超宽带太赫兹成像系统，其特征在于，所述太赫兹信号发射器包括至少一个发射天线，所述太赫兹生物信号接收器包括至少一个接收天线。
3.如权利要求1所述的超宽带太赫兹成像系统，其特征在于，所述智能扫描控制器控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线环绕组织器官移动进行旋转扫描，或者控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线上下移动进行竖直方向扫描，或者控制所述太赫兹生物信号接收器的接收天线水平移动进行水平扫描。
4.一种太赫兹成像方法，其特征在于，使用权利要求1至3任一项所述的超宽带太赫兹成像系统，包括步骤：
S1，控制所述太赫兹波发生器产生连续地超宽频太赫兹信号；
S2，控制所述太赫兹信号发射器向组织器官不间断地发射超宽带太赫兹信号；
S3，控制所述太赫兹生物信号接收器检测来自组织器官的电磁场获取散场电场；
S4，控制所述太赫兹生物信号处理器对所述太赫兹生物信号接收器探测到的所述散场电场进行多维图像重建获得组织器官的多维图像；
S5，将组织器官的多维图像传输至图像显示器进行探测组织器官的图像显示。
5.如权利要求4所述的太赫兹成像方法，其特征在于，所述S2具体包括：
S21，建立组织器官所在的待成像区域的直角坐标系；
S22，由太赫兹信号发射器的发射天线向组织器官不间断地施加超宽带太赫兹波信号，所述发射天线环绕于组织器官或位于组织器官一侧或两侧，所述发射天线的数量为NT个，NT个≥1。
6.如权利要求5所述的太赫兹成像方法，其特征在于，当所述发射天线的数量NT>1，且所述发射天线呈均匀圆形状分布时，依次对每个发射天线激发入射电场，总入射电场为NT个发射天线激发的入射电场之和。
7.如权利要求5所述的太赫兹成像方法，其特征在于，进行二维图像处理时，所述S3具体包括：
S31，控制所述太赫兹生物信号接收器的一个接收天线检测距离组织器官垂直高度相同的至少三个接收位置的散射电场；或控制至少三个距离组织器官垂直高度相同的接收天线检测检测其接收位置的散射电场；
S32，将组织器官移出被测区域，获取所述发射天线的入射电场；
S33，根据所述发射天线的入射电场与接收天线检测的散射电场计算得出散射电场回波。
8.如权利要求7所述的太赫兹成像方法，其特征在于，进行三维图像处理时，所述S3还包括：
S34，调整所述接收天线的垂直高度，重新执行步骤S31至S33。
9.如权利要求7所述的太赫兹成像方法，其特征在于，所述S4具体包括：
S41，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的二维图像。
10.如权利要求8所述的太赫兹成像方法，其特征在于，所述S4具体包括：
S41，建立组织器官的介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射电场回波之间的非线性数学模型，基于接收天线的接收位置分布排列建立描述组织器官内部结构的表征数学模型；
S42，依次对接收天线所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S43，接收天线高度调整后，依次对所有位于同一垂直高度的接收位置中任意两个接收位置所获得的散射电场回波进行比较，得到反映组织器官的电磁属性分布的幅值和相位的信息；
S44，根据连续探测到的电磁属性分布信息，从建立的非线性数学模型和描述组织器官内部结构的表征数学模型中提取出相应的变化数值和曲线，并根据变化数值重建组织器官的三维图像。
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