CN205729316U - 一种多模态微波乳房成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多模态微波乳房成像装置，所述微波信号发生单元对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号，所述雷达成像单元根据微波宽带脉冲回波信号生成雷达探测图像，所述断层扫描成像单元根据微波单频回波信号生成断层扫描图像，所述图像输出单元将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像进行融合输出。本实用新型在诊断早期癌症患者的过程中可以通过使用不同的成像模态进行优势互补，将这两种技术成功融合，构成一套多模微波乳腺成像系统，达到成像优劣互补的目的。

Description

一种多模态微波乳房成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种图像的融合装置，尤其涉及一种雷达探测图像和断层扫描图像的融合装置。

背景技术

在医疗检测过程中，通常包括X光摄片、彩超、磁共振以及组织学检测。X光摄片分辨率高，但伴随着电离辐射和对乳房的压缩，不适应于病人的普查。彩超检测无放射性损害，但是对部分癌症病患、钙化点和毛刺杨结构不能显示，且受检查医师经验影响大。磁共振费用高，成像时间久，而组织学检查亦需精确定位，如钼靶引导入针、彩超引导入针等。因此，当前的这些检测手段并不适用于大规模的癌症病患筛查，尤其是针对中国广大的农村地区，医疗设施和普及非常不平衡的条件下，而微波成像的临床检测具有无电离辐射、造价低、效果和X光相当、可长期监测特点，能够成为我过大规模筛查的重要工具。

在微波成像技术中，包括了两种技术，微波雷达成像和微波断层扫描成像，前者对于对比清晰的乳房组织，能够很好的发现强散射区域，符合X光以及超声和MRI的判断，对于非常致密的乳房难以解读，而对于良性肿瘤，或一些组织结块，一样会给出误读，微波断层扫描成像则可以判断组织的致密类型，同时可以判断不同组织的区域，两种成像方法各有优点但很难统一。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：构建一种多模态微波乳房成像装置，克服现有技术单一检测器件不能对两种图像进行统一的技术问题。

本实用新型的技术方案是：提供一种多模态微波乳房成像装置，包括微波信号发生单元、微波信号接收单元、雷达成像单元、断层扫描成像单元、图像输出单元，所述微波信号发生单元对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号，所述雷达成像单元根据微波宽带脉冲回波信号生成雷达探测图像，所述断层扫描成像单元根据微波单频回波信号生成断层扫描图像，所述图像输出单元将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像进行融合输出。

2.根据权利要求1所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波信号发生单元包括微波发生模块和微波发射天线，所述微波信号接收单元包括微波接收天线。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波发射天线和所述微波接收天线为同一微波天线，所述微波发射天线和所述微波接收天线交替工作。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波信号发生模块为多个，分别发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波信号发生模块为一个，交替发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波发射天线和所述微波接收天线绕待测乳房区域旋转。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波发射天线和所述微波接收天线设置成环状。

本实用新型的进一步技术方案是：所述微波发射天线和所述微波接收天线设置成线型形状。

本实用新型的技术效果是：构建一种多模态微波乳房成像装置，包括微波信号发生单元、微波信号接收单元、雷达成像单元、断层扫描成像单元、图像输出单元，所述微波信号发生单元对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号，所述雷达成像单元根据微波宽带脉冲回波信号生成雷达探测图像，所述断层扫描成像单元根据微波单频回波信号生成断层扫描图像，所述图像输出单元将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像进行融合输出。在诊断早期癌症患者的过程中可以通过使用不同的成像模态进行优势互补，微波雷达成像利用超宽带微波信号来获取目标散射中心在距离上的高分辨率，然后利用多普勒信息，获得散射中心在横向距离上的高分辨率，两者结合即可获得目标的二维或三维分辨率，从而使目标的多位高分辨率得以实现。微波断层扫描成像是将低功率微波射向被测物体，在微波的激励下被测物产生一个散射场，该散射场与被测物内部的复介电常数分布有关，通过对该散射物的测量，得到被测物的相对介电常数及电导率的分布，进行相应的信息处理后即可获得被测物内部目标的微波断层成像。本实用新型中将这两种技术成功融合，构成一套多模微波乳腺成像系统，达到成像优劣互补的目的。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本实用新型技术方案进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型的具体实施方式是：本实用新型构建一种多模态微波乳房成像系统，包括微波信号发生单元1、微波信号接收单元2、雷达成像单元3、断层扫描成像单元4、图像输出单元5，所述微波信号发生单元1对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元2接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号，所述雷达成像单元3根据微波宽带脉冲回波信号生成雷达探测图像，所述断层扫描成像单元4根据微波单频回波信号生成断层扫描图像，所述图像输出单元5将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像中进行融合输出。

具体实施过程如下：所述微波信号发生单元1对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元2接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号。所述微波信号发生单元1包括微波发生器和微波发射天线，所述微波信号接收单元2包括微波接收天线，微波天线包括微波发射天线和微波接收天线。微波信号发生单元1通过微波天线对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号，微波宽带脉冲信号照射成像区域中的病灶区域，在病灶区域表面产生散射，用若干个微波天线扫描接收从病灶表面散射的信号。微波信号发生单元1通过微波天线对对待测乳房区域发生微波单频相干信号，微波天线扫描接收并记录下所在位置的微波宽带脉冲回波信号。微波发射天线和微波接收天线可以为同一个微波天线，交替使用；微波发射天线和微波接收天线也可以分别为不同微波天线，分别进行发射微波信号和接收微波回波信号使用。微波信号发生单元为多个，分别发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号；或者微波信号发生单元为一个，交替发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号。微波雷达成像原理利用合成孔径雷达原理，以一个小天线作为单个辐射单元，沿一直线方向不断移动扫描，在移动中选择若干位置发射信号，接收相应的发射位置的回波信号，存贮接收信号的振幅和相位。通过微波天线记录接收到微波宽带脉冲回波信号的时间，即可算出时延，而微波发射天线与病灶的距离固定，故可得到微发射天线到病灶的距离，从而进行精确的成像。微波断层成像方法类似于计算机断层摄影术，是一种电磁逆散射方法，通过在散射体外部观测到的电磁场来反演成像区域的电磁特征参数分布，从而判断散射体目标的位置、形状和尺寸分布等信息。将接收的微波单频回波信号，根据电磁特征参数分布及散射体目标的位置、形状和尺寸分布信息生成断层扫描图像。所述图像输出单元5将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像中一幅图像的像素点映射到另一幅图像中，使两幅图像的相关像素点在空间位置上达到一致完成该两幅图像的融合。

图像融合包括多种方法：一种方法为标记法，在所述雷达探测图像和所述断层扫描图像两者中图像的特征点处进行标记，将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像的图像标记重合对所述雷达探测图像和所述断层扫描图像进行融合。将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像的图像标记进行识别，然后将识别图像作为界标进行图像融合。具体实施例中，在进行标记后对图像进行优化。图像标记软件设计成将图像的特征点识别作为图像合成的界标。图像标记软件根据所述雷达探测图像和断层扫描图像对组织识别的标记、淋巴结识别的标记以及特征部分的标记，在坐标轴上形成重合点，完成所述雷达探测图像和断层扫描图像的融合，该方法同样适用于其他方式组合的二维或三维乳房图像。还包括了对多模态微波乳房图像的显示，显示乳房的二维和三维信息，对病灶区域的标记。另一种方法为像素加权平均法，即：将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像对应位置的图像像素加权平均完成图像融合。

以下以标记法为例：

图像配准

通过使用匹配、叠加等处理手段，将多幅图像中的同一对象保持在图像中的同一位置，使其具有相同的空间坐标的过程。

在微波断层扫描图像与微波雷达图像的配准中，将相对稳定的微波断层扫描图像作为参考图象I，将微波雷达图像作为浮动图像II，进行基于像素的最大互信息法的图像配准。

刚体变换包括比例变换，在二维图像II中，点(x₁，y₁)经过刚性变换到点(x₂，y₂)应用公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\α}& \±\sin \mathrm{\α}\\ sin\mathrm{\α}& \±cos\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，α为旋转角度,K为尺度参数.

互信息相关性评估。将两幅待配准的图像的灰度值分别看作两个随机变量A和B，范围0到255，边缘概率分布分别为P_A(a)和P_B(b)，联合概率分布为P_AB(a，b)，则可以得到A与B的边缘熵和联合熵分别为：H(A)，H(B)和H(A，B)。则有：

$\left\{\begin{array}{c}H\left(A\right)=-\underset{a}{\Σ}{P}_A\left(a\right){\mathrm{logP}}_A\left(a\right)\\ H\left(B\right)=-\underset{b}{\Σ}{P}_B\left(b\right){\mathrm{logP}}_B\left(b\right)\\ H(A,B)=-\underset{a}{\Σ}\underset{b}{\Σ}{P}_{AB}(a,b){\mathrm{logP}}_{AB}(a,b)\end{array}\right.,a,b\∈\[0,255\]---\left(2\right)$

随机变量A和B的归一化互信息相关评估函数I(A,B),为:

$I(A,B)=\frac{H\left(A\right)+H\left(B\right)}{H(A,B)}---\left(3\right)$

当两幅基于共同解剖结构的图像达到最佳配准时,它们对应像素的灰度互相关信息值I(A,B)应该达到最大。

配准优化。刚体变换完成后，需进一步找到一种相似性侧度来衡量两幅图像的相似程度，需要不断的变换参数α和K，使得相似侧度达到最优，其中尺度参数K变化范围为0到1，旋转角度范围为0到180度。

①将α与K变换范围集合为坐标轴的单位向量：c_i＝e(i＝1，2，…,N)；

②记录初始值位置向量为P₀＝(α₀，K₀)；

③对i＝1，2，…,N,将P_i-1移至目标函数I(A，B)延c_i方向的极大值位置，记下此点P_i；

④对i＝1，2，…,N,将c_i+1赋给c_i，并置c_N＝P_N-P₀；

⑤将P_N移至目标函数I(A，B)在c_N方向上的极大值点，并记录此点的P₀；

⑥重复步骤②到⑤，直至函数值I(A，B)不再增大。

本实用新型的优选实施方式为：在进行图像融合之前还包括进行图像预处理。

微波断层扫描图像预处理方法如下：基于微波断层扫描成像受外界干扰因素大，图像预处理我们利用点运算来进行对比度的扩展，使图像清晰，特征明显，假定原图像f(x，y)的灰度范围为[a，b]，变换后的图像g(x，y)的灰度范围线性的扩展至[c，d]，则存在灰度线性变换表达式为：

$g(x,y)=\frac{d-c}{b-a}\×\[f(x,y)-a\]+c$

当图像中大部分像素的灰度级分布在区间[a，b]内，f_max为原图的最大灰度级，只有很小一部分的灰度级超过了此区间，则为了改善增强效果，我们令

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}c& 0\≤f(x,y)\≤a\\ \frac{d-c}{b-a}\×\[f(x,y)-a\]+c& a\≤f(x,y)\≤b\\ d& b\≤f(x,y)\≤f_{max}\end{array}\right.$

通过对图像的线性拉伸，可以有效改善图像对比度效果。

微波雷达图像预处理方法如下：由于微波雷达成像除了存在的固有问题斑点噪声外，同时还存在随机出现的亮点高频噪声，我们利用低通递归滤波方法对其进行预处理。

假设第n幅微波雷达图像中各像素点的灰阶值用x_n(i，j)表示，α为相关系数，则处理后的图像y_n(i，j)为

y_n(i，j)＝α*y_n-1(i，j)+(1-α)*x_n(i，j) (4)

由式(4)可以得知，当前每个像素点的值只取决于本像素点的输入及上一次的输出，与其他像素的值无关，我们借助一维的Z变换方法来分析它的频率特性，分析各个像素点自身的频率响应，即有:

y(n)＝α*y(n-1)+(1-α)*x(n) (5)

其传递函数为,

H(z)＝Y(z)/X(z)＝(1-α)/(1-αz^-1) (6)

在仿真试验中，取值α为0.2，0.6以及0.8的幅频特性，α值越大，高频成分被抑制的越厉害，削弱斑点噪声越明显。

本实用新型的优选实施方式是：所述微波信号发生单元1发生微波信号，根据待测区域的形状，微波天线以直线形状排列绕待测区域旋转扫描，或者以弧线形状排列绕待测区域旋转扫描。待测区域为立体时，微波天线绕待测区域旋转扫描；待测区域为面状时，微波天线相对待测区域移动扫描。

本实用新型的优选实施方式是：微波天线以螺旋方式绕待测乳房区域移动扫描，在微波天线扫描时，从上往下以螺旋方式扫描，扫描半径从小到大；或者从下往上以螺旋方式扫描，扫描半径从大到小。具体实施例中，微波天线从上往下以螺旋方式沿半球轨道进行扫描，扫描半径从上到下由小到大。微波信号天线单元从下往上以螺旋方式沿半球轨道进行扫描，扫描半径从下到上由大到小。这样扫描轨道更贴近乳房形状，微波信号更准确。所述微波信号天线单元包括微波发射天线和微波接收天线，所述微波发射天线和微波接收天线并列固定设置。所述微波天线可以为一个，也可以为多个。所述微波信号天线单元为一个时，所述微波发射天线和微波接收天线按时序交替发射和接收；所述微波信号天线单元为多个时，所述微波信号天线单元依次交替工作，每一个所述微波天线中的所述微波发射天线和微波接收天线按时序交替发射和接收。

本实用新型的优选实施方式是：多个所述微波天线呈环状绕待测乳房区域扫描，多个所述微波天线发送和接收微波信号。

本实用新型的优选实施方式是：所述微波天线构成天线阵列。天线阵列能够同时满足微波雷达成像和微波断层扫描成像的需求，天线阵列整体是呈半球形转向朝向半球中心的32个收发天线单元。天线阵列分为发送和接收单元，交替等间隔排列，一个发送单元对应两个接收单元，交错收发，由微波控制单元控制天线阵列向被测目标连续发射微波雷达探测信号，控制方式为单刀多掷开关。微波控制单元向微波开关天线阵列提供连续频率波，工作频率范围为1到30GHz。

本实用新型的技术效果是：构建一种多模态微波乳房成像装置，通过将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像中一幅图像的像素点映射到另一幅图像中，使两幅图像的相关像素点在空间位置上达到一致完成该两幅图像的融合。在诊断早期癌症患者的过程中可以通过使用不同的成像模态进行优势互补，微波雷达成像利用超宽带微波信号来获取目标散射中心在距离上的高分辨率，然后利用多普勒信息，获得散射中心在横向距离上的高分辨率，两者结合即可获得目标的二维或三维分辨率，从而使目标的多位高分辨率得以实现。微波断层扫描成像是将低功率微波射向被测物体，在微波的激励下被测物产生一个散射场，该散射场与被测物内部的复介电常数分布有关，通过对该散射物的测量，得到被测物的相对介电常数及电导率的分布，进行相应的信息处理后即可获得被测物内部目标的微波断层成像。本实用新型中将这两种技术成功融合，构成一套多模微波乳腺成像系统，达到成像优劣互补的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种多模态微波乳房成像装置，其特征在于，包括微波信号发生单元、微波信号接收单元、雷达成像单元、断层扫描成像单元、图像输出单元，所述微波信号发生单元对待测乳房区域发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号，所述微波信号接收单元接收微波宽带脉冲回波信号和微波单频回波信号，所述雷达成像单元根据微波宽带脉冲回波信号生成雷达探测图像，所述断层扫描成像单元根据微波单频回波信号生成断层扫描图像，所述图像输出单元将所述雷达探测图像和所述断层扫描图像进行融合输出,所述微波信号发生单元包括微波发射天线，所述微波发射天线以螺旋方式绕待测乳房区域进行扫描。

2.根据权利要求1所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波信号发生单元包括微波发生模块和微波发射天线，所述微波信号接收单元包括微波接收天线。

3.根据权利要求2所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波发射天线和所述微波接收天线为同一微波天线，所述微波发射天线和所述微波接收天线交替工作。

4.根据权利要求2所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波信号发生模块为多个，分别发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号。

5.根据权利要求2所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波信号发生模块为一个，交替发生微波宽带脉冲信号和微波单频相干信号。

6.根据权利要求2所述多模态微波乳房成像装置，其特征在于，所述微波发射天线和所述微波接收天线设置成环状。