RU2662079C1 - Method of microwave ultra high-resolution tomography - Google Patents

Method of microwave ultra high-resolution tomography Download PDF

Info

Publication number
RU2662079C1
RU2662079C1 RU2017136786A RU2017136786A RU2662079C1 RU 2662079 C1 RU2662079 C1 RU 2662079C1 RU 2017136786 A RU2017136786 A RU 2017136786A RU 2017136786 A RU2017136786 A RU 2017136786A RU 2662079 C1 RU2662079 C1 RU 2662079C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microwave
radiation
tissue
transmitting
antennas
Prior art date
Application number
RU2017136786A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Евгеньевич Булышев
Лариса Андреевна Булышева
Original Assignee
Александр Евгеньевич Булышев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Евгеньевич Булышев filed Critical Александр Евгеньевич Булышев
Priority to RU2017136786A priority Critical patent/RU2662079C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2662079C1 publication Critical patent/RU2662079C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/0035Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for acquisition of images from more than one imaging mode, e.g. combining MRI and optical tomography
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0507Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  using microwaves or terahertz waves

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to a medical technique, namely to methods for scanning and further processing the resultant image for tomographic examination. Method of microwave ultra high-resolution tomography of a tissue without disturbing its integrity comprises the steps of placing a microwave power source and microwave receiving and transmitting antennas, controlling microwave receiving and transmitting antennas, placing a matching medium between the microwave transmitting and receiving antennas, placing a tissue to be irradiated, receiving inside the separating medium the microwave radiation by the transmitting and receiving antennas after interaction with the tissue and measuring the change in microwave radiation after interaction with the tissue, processing the measurement results and constructing a three-dimensional tomographic image of the tissue, wherein the transmitting and receiving antennas are controlled so that each of them emits microwave radiation, axis of the radiation pattern of which discretely changes its angular position in the radiation plane, that is, with the help of each transmitting and receiving antenna, several measurements are made corresponding to each angular position of the axis of the radiation pattern, wherein the step to which the direction of the axis of the radiation pattern of the scanning radiation changes, corresponds to the magnitude of the required resolving power, a set of tomograms is constructed, each of tomograms corresponds to a certain radiation pattern, further they are summed up and the obtained result is processed using an inverse filter, the final tomographic image of the tissue is constructed in accordance with formula:
Figure 00000035
, where T(x,y,z) – is a superposition of individual images; K(x,y,z) – analytic approximation of a two-dimensional spatial filter; x,y,z – spatial variables; u – Fourier variable conjugate to x; v – Fourier variable conjugate to y;
Figure 00000036
– two-dimensional Fourier images of corresponding functions T and K with respect to variables x and y; α – regularization parameter; Ω=u2+v2 – regularizing operator; * is a complex conjugate sign.
EFFECT: use of the invention provides the improved quality of images obtained with the help of microwave tomography by increasing their spatial resolution up to 1 mm or more.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения исследуемого объекта, а именно к способам сканирования и последующей обработки полученного изображения для томографического исследования в медицинской, космической областях и др.The invention relates to the field of research of materials using electromagnetic radiation, followed by obtaining an image of the investigated object, and in particular to methods of scanning and subsequent processing of the obtained image for tomographic studies in the medical, space fields, etc.

Известно, что живые ткани в различных условиях различаются по своим диэлектрическим свойствам, локальные измерения которых приводят к возможности трехмерной визуализации биологических объектов, включая органы человеческого тела. Рентгеновская томография (РТ) является наиболее известным способом трехмерной визуализации. Будучи чрезвычайно полезными, рентгеновские снимки, однако, имеют очень низкую чувствительность в отношении мягких тканей. Это значительно ограничивает их применение для диагностики многих болезней.It is known that living tissues in different conditions differ in their dielectric properties, local measurements of which lead to the possibility of three-dimensional visualization of biological objects, including organs of the human body. X-ray tomography (RT) is the most well-known method of three-dimensional imaging. Being extremely useful, x-rays, however, have very low sensitivity to soft tissues. This significantly limits their use for the diagnosis of many diseases.

Лучшее качество медицинских изображений достигается с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот метод позволяет видеть функциональное состояние живых тканей, но он также имеет свои ограничения. Во-первых, МРТ, по своей сути, «медленный» метод. Он может использоваться только для исследования стабильных объектов или очень медленно прогрессирующих процессов. Во-вторых, этот метод все еще очень дорогой и не может использоваться для низкобюджетных исследований, в обычном врачебном кабинете или для массовой диспансеризации. МВТ (Микроволновая Томография) использует электромагнитное излучение в диапазоне частот от 500 МГц до 5 ГГц вместо рентгена. Существует несколько преимуществ МВТ над РТ. Например, М/ВТ не использует ионизирующей радиации, что делает ее абсолютно безвредной; МВТ чувствительна к процессам функционирования живых тканей, что делает ее полезной для широкого спектра исследований и диагностики. МВТ также превосходит МРТ, так как может осуществляться в режиме высокой скорости измерения и обработки изображений. Она может визуализировать биение человеческого сердца и другие быстро прогрессирующие процессы, что не может быть сделано с помощью МРТ. Например, было определено, что микроволновая томография способна обнаружить изменения кровоснабжения миокарда, гипоксии ткани, ишемии миокарда и инфаркта, то есть подходит для функциональной визуализации.The best quality of medical images is achieved using magnetic resonance imaging (MRI). This method allows you to see the functional state of living tissues, but it also has its limitations. First, MRI is, in essence, a “slow” method. It can only be used to study stable objects or very slowly progressing processes. Secondly, this method is still very expensive and cannot be used for low-budget research, in a regular medical office or for mass medical examination. MW (Microwave Tomography) uses electromagnetic radiation in the frequency range from 500 MHz to 5 GHz instead of x-rays. There are several advantages of MW over RT. For example, M / W does not use ionizing radiation, which makes it completely harmless; MVT is sensitive to the functioning processes of living tissues, which makes it useful for a wide range of studies and diagnostics. MW is also superior to MRI, as it can be performed in the mode of high speed measurement and image processing. It can visualize the heartbeat and other rapidly progressing processes, which cannot be done with MRI. For example, it was determined that microwave tomography is able to detect changes in myocardial blood supply, tissue hypoxia, myocardial ischemia and heart attack, that is, it is suitable for functional imaging.

Однако недостатком существующих МВТ способов и устройств является сравнительно низкое пространственное разрешение, ограниченное длиной волны используемого излучения. Все известные экспериментальные устройства демонстрируют пространственное разрешение порядка 1 см. Это все еще полезно для некоторых приложений, но это далеко позади возможностей современных МРТ.However, the disadvantage of existing MW methods and devices is the relatively low spatial resolution, limited by the wavelength of the radiation used. All known experimental devices show a spatial resolution of the order of 1 cm. This is still useful for some applications, but it is far behind the capabilities of modern MRI.

Так, известна «Система и способ для неразрушающей функциональной визуализации и картирования электрического возбуждения биологических тканей с использованием электромагнитно томографии и спектроскопии» по патенту US №7239731 (МПК G06K 9/00, опубл. 03.07.2007).So, the well-known "System and method for non-destructive functional imaging and mapping of the electrical excitation of biological tissues using electromagnetic tomography and spectroscopy" according to US patent No. 7239731 (IPC G06K 9/00, published 03.07.2007).

Известное изобретение относится к электромагнитной томографии и спектроскопии, и, в частности, к неинвазивной функциональной визуализации, обнаружению и картированию электрического возбуждения биологической ткани при помощи электромагнитной томографии и спектроскопии с использованием чувствительного материала (раствора) с введением в биологическую ткань или систему циркуляции, про которую известно, что она имеет диэлектрические свойства, которые есть функция электрического поля, вырабатываемого биологической возбужденной тканью. Изобретение включает в себя несколько версий системы, которые различают, основываясь на множественной частоте, поляризации и типах используемого чувствительного материала (раствора). В дополнение, изобретение включает в себя воплощенное посредством компьютера программное обеспечение, специально предназначенное и приспособленное для системы и способа для неинвазивного обнаружения и картирования электрического возбуждения биологической ткани с графическим и трехмерным интерфейсом томографической визуализации.The known invention relates to electromagnetic tomography and spectroscopy, and, in particular, to non-invasive functional imaging, detection and mapping of the electrical excitation of biological tissue using electromagnetic tomography and spectroscopy using a sensitive material (solution) with the introduction into the biological tissue or circulation system, about which it is known that it has dielectric properties, which is a function of the electric field produced by biological excited tissue. The invention includes several versions of the system that distinguish based on the multiple frequency, polarization and types of sensitive material (solution) used. In addition, the invention includes computer-implemented software specifically designed and adapted for a system and method for non-invasively detecting and mapping the electrical excitation of biological tissue with a graphical and three-dimensional tomographic imaging interface.

Известно микроволновое томографическое устройство для спектроскопии и способ ее осуществления (заявка RU №96124805 на изобретение, заявитель Дзе Каролинас Харт Инститьют (US), МПК А61В 5/05, опубл. 27.02.1999). Способ для микроволновой томографической спектроскопии ткани без нарушения ее целостности содержит этапы: размещения источника питания микроволнового излучения; размещения множества микроволновых излучателей-приемников; управления множеством микроволновых излучателей-приемников таким образом, чтобы множество излучателей-приемников было способно излучать многочастотное микроволновое излучение от источника питания к множеству излучателей-приемников, которые принимают микроволновое излучение; помещения разделительной среды между излучающими и принимающими микроволновыми излучателями-приемниками; помещения исследуемой ткани, которая будет подвергаться облучению, внутри разделительной среды; передачи микроволнового излучения от микроволновых излучателей-приемников; приема микроволнового излучения микроволновыми излучателями-приемниками после взаимодействия его с ткань; измерения изменения микроволнового излучения после взаимодействия с тканью. При этом этап измерения включает решение обратной задачи для вычисления томографического изображения ткани, основываясь на измеряемом изменении микроволнового излучения, причем это решение обратной задачи содержит этапы: определения компонента функционального формирования; использования компонента формирования градиента; вычисления параметра минимизации "тау"; а также выполнения вычисления ε*.A microwave tomographic device for spectroscopy is known and a method for its implementation (application RU No. 96124805 for an invention, applicant Dze Carolinas Hart Institute (US), IPC АВВ 5/05, published on 02.27.1999). A method for microwave tomographic spectroscopy of tissue without violating its integrity comprises the steps of: placing a microwave radiation power source; placing multiple microwave emitters-receivers; controlling a plurality of microwave receiver emitters so that the plurality of receiver emitters are capable of emitting multi-frequency microwave radiation from a power source to a plurality of receiver emitters that receive microwave radiation; placing a separation medium between the emitting and receiving microwave emitters-receivers; the premises of the test tissue, which will be exposed to radiation, inside the separation medium; transmission of microwave radiation from microwave emitters-receivers; reception of microwave radiation by microwave emitters-receivers after its interaction with tissue; measuring changes in microwave radiation after interaction with tissue. The measurement step includes solving the inverse problem for calculating the tomographic image of the tissue, based on the measured change in microwave radiation, and this solution to the inverse problem contains the steps of: determining the component of the functional formation; using a gradient forming component; calculation of the minimization parameter "tau"; as well as performing the calculation of ε *.

Известен электромагнитный томограф и способ получения изображения (заявка WO 2011027127 на изобретение, заявители Univ Keele (GB), Semenov Serguei (GB), МПК: A61B 5/053, G01N 23/04, опубл. 10.03.2011). Способ получения изображения на электромагнитного излучения с частотой в диапазоне от 0,05 до 10 ГГц, включающий излучение электромагнитного излучения с частотой в диапазоне от 0,05 до 10 ГГц от выбранного одного из множества излучателей, измерение данных, отображающих электромагнитное излучение, принимаемое множеством приемников после взаимодействия с объектом, и получение изображения на основе данных измерений. При этом, при получении изображения не учитываются: измеренные данные в период t2, продолжительность второго периода времени t2, а устанавливаются таким образом, что электромагнитное излучение включает в том числе то излучение, которое не проходит сквозь объект.A known electromagnetic tomograph and image acquisition method (application WO 2011027127 for an invention, applicants Univ Keele (GB), Semenov Serguei (GB), IPC: A61B 5/053, G01N 23/04, publ. 03/10/2011). A method of obtaining an image on electromagnetic radiation with a frequency in the range from 0.05 to 10 GHz, comprising emitting electromagnetic radiation with a frequency in the range from 0.05 to 10 GHz from a selected one of the many emitters, measuring data representing electromagnetic radiation received by a plurality of receivers after interacting with the object, and obtaining an image based on measurement data. At the same time, when receiving the image, they are not taken into account: the measured data in the period t 2 , the duration of the second period of time t 2 , and are set in such a way that the electromagnetic radiation includes that radiation that does not pass through the object.

Однако, общим недостатком известных способов и устройств является получение изображения с недостаточно высоким пространственным разрешением, что обусловлено физическим принципом - дифракционным пределом. Обойти это ограничение можно только за счет дополнительных измерений и специальной обработки полученной информации.However, a common drawback of the known methods and devices is the obtaining of an image with insufficiently high spatial resolution, which is due to the physical principle - the diffraction limit. This limitation can be circumvented only due to additional measurements and special processing of the received information.

Известен другой способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления (патент RU №2413204 на изобретение, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Центр Инновационных Технологий-ЭС", МПК G01N 23/04, опубл. 27.02.2011). Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения исследуемого объекта, а именно к способам сканирования и устройствам для томографического исследования двумерной структуры плоских объектов. Способ включает сканирование объекта контроля пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта контроля относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта. При сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта. Технический результат - повышение разрешающей способности сканирующего микроскопа. Таким образом, в известном техническом решении за счет использования дискретно изменяемых размеров сечения пучка электромагнитного излучения удается достичь повышения разрешающей способности. Но данный способ не применим для получения трехмерных изображений, поскольку он применим только для тонких пленок.There is another method of tomographic research of microscopic objects and a scanning microscope for its implementation (patent RU No. 2413204 for an invention, patent holder Limited Liability Company "Center for Innovative Technologies-ES", IPC G01N 23/04, publ. 02.27.2011). The invention relates to the field of research of materials using electromagnetic radiation, followed by obtaining an image of the object under study, namely, scanning methods and devices for tomographic study of the two-dimensional structure of flat objects. The method includes scanning the monitoring object with a beam of electromagnetic radiation with a discrete change in the angular position of the monitoring object relative to the electromagnetic radiation beam, registering the intensity of radiation transmitted through the monitoring object during scanning, and processing the received information with subsequent restoration of the structure of the object based on it. When scanning, a beam of electromagnetic radiation is formed with discretely variable dimensions of the beam cross section, while one of the cross sections of the beam is changed by a value corresponding to the required resolution, the radiation intensity is recorded after each change in the cross section of the beam section, and the difference is calculated during processing two successively recorded intensities to obtain the set of values used to recover structure of the object. EFFECT: increased resolution of a scanning microscope. Thus, in the known technical solution through the use of discretely variable dimensions of the cross section of the beam of electromagnetic radiation, it is possible to achieve an increase in resolution. But this method is not applicable for obtaining three-dimensional images, since it is applicable only for thin films.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является микроволновое томографическое устройство для спектроскопии и способ ее осуществления (патент RU №2238033 на изобретение, патентообладатель Дзе Каролинас Харт Инститьют (US), МПК А61В 5/05, опубл. 20.10.2004), которое выбрано в качестве прототипа. Известное изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам и способам получения внутреннего структурного изображения биологических тканей. Устройство для микроволновой томографической спектроскопии ткани включает множество микроволновых излучателей-приемников, пространственно ориентированных на ткань, согласующую среду, устройство управления для выборочного управления через подсистему формирования каналов, кодирующее устройство которой выполнено с возможностью кодирования микроволнового излучения и декодирования принимаемого сигнала от множества излучателей-приемников. При этом при осуществлении способа идентификации дискретных сигналов по отношению к антенным решеткам декодирование проводят с возможностью определения излучившего его излучателя-приемника. При проведении микроволновой томографической спектроскопии множеством излучателей-приемников управляют так, чтобы они через систему формирования канала излучали многочастотное микроволновое излучение. Использование изобретения позволяет производить быструю оценку биологической функции и анатомической структуры в режиме реального времени.Closest to the claimed invention is a microwave tomographic device for spectroscopy and a method for its implementation (Patent RU No. 2238033 for an invention, patentee Dze Carolinas Hart Institute (US), IPC АВВ 5/05, published on October 20, 2004), which was selected as a prototype . The known invention relates to medical equipment, namely to devices and methods for obtaining an internal structural image of biological tissues. A device for microwave tomographic tissue spectroscopy includes a plurality of microwave emitters-receivers spatially oriented to tissue, a matching medium, a control device for selective control through a channel forming subsystem, the encoder of which is configured to encode microwave radiation and decode the received signal from a plurality of emitters-receivers. Moreover, when implementing the method for identifying discrete signals with respect to antenna arrays, decoding is carried out with the possibility of determining the emitter-receiver emitting it. When carrying out microwave tomographic spectroscopy, a plurality of emitters-receivers are controlled so that they emit multi-frequency microwave radiation through the channel forming system. Using the invention allows a quick assessment of the biological function and anatomical structure in real time.

Недостатком прототипа также является низкое пространственное разрешение получаемых с его помощью изображений, что накладывает серьезные ограничения на применение данного способа, поскольку не позволяет выявлять большое количество изменений в тканях и органах.The disadvantage of the prototype is also the low spatial resolution of images obtained using it, which imposes serious limitations on the use of this method, since it does not allow to detect a large number of changes in tissues and organs.

Главным фактором, определяющим пространственное разрешение МВТ, является дифракционный предел разрешения, который зависит от величины длины волны зондирующего излучения. Улучшение пространственного разрешения теоретически может быть достигнуто за счет уменьшения длины волны зондирующего излучения. Однако, на практике это приводит к увеличению поглощения излучения в биологических объектах и невозможности просвечивания их. Оптимальный диапазон частот для МВТ принят 1-3 ГГц.The main factor determining the spatial resolution of the MW is the diffraction resolution limit, which depends on the wavelength of the probe radiation. An improvement in spatial resolution can theoretically be achieved by reducing the wavelength of the probe radiation. However, in practice, this leads to an increase in the absorption of radiation in biological objects and the inability to shine through them. The optimal frequency range for MW is 1-3 GHz.

Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящее время, является недостаточное качество получаемых с помощью микроволной томографии изображений, что значительно ограничивает возможности ее применения. Создание предлагаемого технического решения направлено на решение данной технической проблемы, а именно на создание способа микроволновой томографии сверхвысокого разрешения.Thus, the technical problem that currently exists is the insufficient quality of images obtained using microwave tomography, which greatly limits the possibilities of its application. The creation of the proposed technical solution is aimed at solving this technical problem, namely the creation of a method of microwave tomography ultra-high resolution.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества получаемых с помощью МВТ изображений за счет увеличения их пространственного разрешения до 1 мм и более.The technical result of the claimed invention is to improve the quality of images obtained using MW by increasing their spatial resolution to 1 mm or more.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе микроволновой томографии сверхвысокого разрешения ткани без нарушения ее целостности, содержащем этапы, на которых размещают источник питания микроволнового излучения, размещают приемо-передающие антенны микроволнового излучения, управляют приемо-передающими антеннами микроволнового излучения, помещают согласующую среду между излучающими и принимающими микроволновыми приемо-передающими антеннами, помещают ткань, которая будет подвергаться облучению внутри разделяющей среды, принимают микроволновое излучение приемопередающими антеннами после взаимодействия его с тканью и измеряют изменение микроволнового излучения после взаимодействия с тканью, обрабатывают результаты измерений и строят трехмерное томографическое изображение ткани, предлагается:The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of microwave tomography of ultra-high resolution of the tissue without violating its integrity, comprising the steps of placing a microwave radiation power source, placing transmitting and receiving antennas of microwave radiation, controlling receiving and transmitting antennas of microwave radiation, placing matching the medium between the transmitting and receiving microwave transmitting and receiving antennas, place tissue that will be irradiated inside of the dividing medium, the microwave radiation is received by the transceiver antennas after its interaction with the tissue and the change in the microwave radiation after the interaction with the tissue is measured, the measurement results are processed and a three-dimensional tomographic image of the tissue is constructed, it is proposed:

- приемо-передающими антеннами управлять так, чтобы каждая из них излучала микроволновое излучение, ось диаграммы направленности которого дискретно изменяла бы свое угловое положение в плоскости излучения, то есть с помощью каждой приемо-передающей антенны проводить несколько измерений, соответствующих каждому угловому положению оси диаграммы направленности излучения, причем шаг, на который изменяют направление оси диаграммы направленности сканирующего излучения соответствует величине требуемой разрешающей способности,- control the transmit-receive antennas so that each of them emits microwave radiation, the axis of the radiation pattern of which discretely changes its angular position in the plane of radiation, that is, with the help of each transmit-receive antenna, make several measurements corresponding to each angular position of the axis of the radiation pattern radiation, and the step by which the direction of the axis of the radiation pattern of the scanning radiation corresponds to the required resolution,

- строить набор томограмм, каждая из которых соответствует определенной диаграмме направленности излучения,- build a set of tomograms, each of which corresponds to a certain radiation pattern,

- суммировать набор томограмм и полученный результат обрабатывать с использованием обратного фильтра,- summarize the set of tomograms and process the result using the inverse filter,

- окончательное томографическое изображение ткани строить в соответствии с формулой:- the final tomographic image of the tissue to build in accordance with the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где T(x,y,z) - суперпозиция индивидуальных изображений,where T (x, y, z) is the superposition of individual images,

K(x,y,z) - аналитическая аппроксимация двумерного пространственного фильтра,K (x, y, z) is the analytical approximation of a two-dimensional spatial filter,

x,y,z - пространственные переменные,x, y, z are spatial variables,

u - Фурье переменная сопряженная с х,u - Fourier variable conjugate to x,

v - Фурье переменная сопряженная с у,v is the Fourier variable conjugate to y,

Figure 00000002
- двумерные Фурье образы соответствующих функций Т и K по переменным х и у,
Figure 00000002
- two-dimensional Fourier images of the corresponding functions T and K with respect to the variables x and y,

α - параметр регуляризации,α is the regularization parameter,

Ω=u2+v2 - регуляризующий оператор,Ω = u 2 + v 2 is a regularizing operator,

* - знак комплексного сопряжения.* - a sign of complex pairing.

Сверхвысоким разрешением в данном контексте называются методы получения изображения с разрешением, превосходящим дифракционный предел. Такие методы известны в радиоастрономии и оптике, однако в МВТ они не применялись.Superhigh resolution in this context refers to methods for obtaining images with a resolution that exceeds the diffraction limit. Such methods are known in radio astronomy and optics, but they were not used in the MVT.

Например, в двухмерных изображениях, полученных с помощью обычной цифровой фотографии, пространственное разрешение ограничено не дифракцией, а размером детектора в фотоматрице. Чем больше размер детектора, тем хуже разрешение. Если взять множество фотографий одного и того же объекта, снятых с немного разных ракурсов, то, объединив их вместе и применив специальный метод обработки изображения, называемый обратным фильтром, можно многократно улучшить пространственное разрешение исходной фотографии.For example, in two-dimensional images obtained using conventional digital photography, spatial resolution is limited not by diffraction, but by the size of the detector in the photomatrix. The larger the size of the detector, the worse the resolution. If you take many photographs of the same object taken from slightly different angles, then combining them together and applying a special image processing method called the inverse filter, you can repeatedly improve the spatial resolution of the original photo.

В заявляемом изобретении авторы предлагают использовать подобный принцип для микроволновой томографии.In the claimed invention, the authors propose to use a similar principle for microwave tomography.

В теории обработки сигналов под фильтром понимается линейное преобразование сигнала вида:In the theory of signal processing, a filter refers to a linear transformation of a signal of the form:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Ф(у) - функция сигнала, K(х) - функция ядра фильтра, F(x) - функция сигнала после фильтрации. Обратный фильтр - процедура "восстановления" сигнала Ф(y) по известному фильтрованному сигналу F(x). Обратный фильтр может быть представлен в виде свертки:where Φ (y) is the signal function, K (x) is the filter core function, F (x) is the signal function after filtering. The inverse filter is the procedure of "restoration" of the signal Ф (y) from the known filtered signal F (x). The inverse filter can be represented as a convolution:

Figure 00000004
Figure 00000004

где функция ядра обратного фильтра может быть выражена через функцию прямого фильтра и характеристики шума измерения.where the function of the inverse filter core can be expressed in terms of the function of the direct filter and the noise characteristics of the measurement.

Рассмотрим более подробно предлагаемое техническое решение.Consider the proposed technical solution in more detail.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами: фиг. 1, на которой изображена обычная диаграмма направленности приемо-передающей антенны; фиг. 2, на которой изображены диаграммы направленности антенны, в которых последовательно с определенным шагом меняется направление оси; фиг. 3, на которой изображен исследуемый объект в поле излучения антенны с постоянной диаграммой направленности; фиг. 4, на которой изображен исследуемый объект в поле излучения антенны с изменяющейся диаграммой направленности; фиг. 5, на которой представлена схема расположения приемопередающих антенн относительно исследуемого объекта, где: 1 - антенна; 2 - объект; d, d1-d5 - диаграмма направленности.The invention is illustrated by the following figures: FIG. 1, which shows a conventional radiation pattern of a transceiver antenna; FIG. 2, which shows the radiation patterns of the antenna, in which the direction of the axis changes sequentially with a certain step; FIG. 3, which shows the investigated object in the radiation field of the antenna with a constant radiation pattern; FIG. 4, which shows the investigated object in the radiation field of an antenna with a varying radiation pattern; FIG. 5, which shows the location of the transceiver antennas relative to the investigated object, where: 1 - antenna; 2 - object; d, d1-d5 - radiation pattern.

Обычная приемо-передающая антенна испускает электромагнитное поле с некоторой диаграммой направленности d (см. фиг. 1). Диаграмма направленности - интенсивность излучения как функция угла (интенсивность в полярных координатах). Диаграмма направленности обычно симметрична относительно оси. При исследованиях желательно иметь узкую диаграмму, но есть ограничение, связанное с явлением дифракции. Авторы предлагают множеством приемо-передающих антенн управлять так, чтобы каждая из них излучала микроволновое излучение, ось диаграммы направленности которого дискретно изменяла бы свое угловое положение в плоскости излучения, то есть с помощью каждой приемо-передающей антенны проводить несколько измерений, соответствующих каждому угловому положению оси диаграммы направленности излучения.A conventional transceiver antenna emits an electromagnetic field with some radiation pattern d (see Fig. 1). The radiation pattern is the radiation intensity as a function of angle (intensity in polar coordinates). The radiation pattern is usually symmetrical about the axis. In studies, it is desirable to have a narrow diagram, but there is a limitation associated with the diffraction phenomenon. The authors propose to control a number of transmitting and transmitting antennas so that each of them emits microwave radiation, the axis of the radiation pattern of which discretely changes its angular position in the plane of radiation, that is, with the help of each transmitting and transmitting antenna, several measurements are made corresponding to each angular position of the axis radiation patterns.

На фиг. 2 антенна 1 имеет пять разных позиций (конфигураций) d1-d5 для диаграммы направленности. Т.е. диаграмма направленности как бы поворачивается по стрелке. При этом измерения делаются для каждого фиксированного положения диаграммы направленности отдельно. Чем больше таких положений, тем лучше.In FIG. 2 antenna 1 has five different positions (configurations) d1-d5 for the radiation pattern. Those. The radiation pattern is as if rotated in the direction of the arrow. In this case, measurements are made for each fixed position of the radiation pattern separately. The more such provisions, the better.

Если объект 2, имеющий размеры, меньше длины волны падающего излучения, попадает в поле антенны 1 (см. фиг. 3), то он рассеивает электромагнитное поле как диполь. Внутренняя структура этого объекта не отражается на рассеянном излучении, поэтому ее нельзя восстановить, используя рассеянное излучение, полученное от антенны 1 с фиксированной диаграммой направленности d. Однако, если использовать несколько измерений с меняющейся ("сканирующей", "вращающейся") диаграммой направленности d, то это меняет дело (см. фиг. 5). Измерения с диаграммой в положении «1» больше покрывает "верхнюю" часть объекта. Измерения с диаграммой в положении «2» больше покрывает "нижнюю" часть объекта, поэтому вместе они несут информацию о внутренней структуре объекта 2, которая описывается распределением диэлектрической проницаемости:If the object 2, having dimensions smaller than the wavelength of the incident radiation, enters the field of the antenna 1 (see Fig. 3), then it scatters the electromagnetic field as a dipole. The internal structure of this object does not affect the scattered radiation, so it cannot be restored using the scattered radiation received from the antenna 1 with a fixed radiation pattern d. However, if several measurements are used with a varying (“scanning”, “rotating”) radiation pattern d, this changes the matter (see Fig. 5). Measurements with a diagram in position “1” more cover the “upper” part of the object. Measurements with a diagram in position “2” more cover the “lower” part of the object, therefore together they carry information about the internal structure of object 2, which is described by the distribution of dielectric constant:

Figure 00000005
Figure 00000005

Эта функция является предметом томографического исследования и отражает анатомическую и физиологическую структуру биологического объекта.This function is the subject of tomographic research and reflects the anatomical and physiological structure of a biological object.

Микроволновое излучение описывается вектором напряженности электрического поля

Figure 00000006
Microwave radiation is described by the electric field vector
Figure 00000006

Вектор электрического поля может быть представлен как сумма падающего поля и рассеянного поля:The vector of the electric field can be represented as the sum of the incident field and the scattered field:

Figure 00000007
Figure 00000007

Падающее поле генерируется антенной 1 в томографе без объекта 2. Информация об объекте 2 содержится в рассеянном поле. Падающее поле рассчитывают, зная конструкцию антенны 1, геометрию томографа и граничные условия. Обычно, интеграл Кирхгофа используется для этих целей.The incident field is generated by antenna 1 in the tomograph without object 2. Information about object 2 is contained in the scattered field. The incident field is calculated, knowing the design of the antenna 1, the geometry of the tomograph and the boundary conditions. Typically, the Kirchhoff integral is used for these purposes.

Зная распределение диэлектрической проницаемости среды и объекта, рассеянное поле может быть рассчитано решением прямой задачи для уравнений Максвелла или же для неоднородного волнового уравнения:Knowing the distribution of the dielectric constant of the medium and the object, the scattered field can be calculated by solving the direct problem for Maxwell's equations or for an inhomogeneous wave equation:

Figure 00000008
Figure 00000008

где i, j - индексы передающей и принимающей антенн.where i, j are the indices of the transmitting and receiving antennas.

Неоднородность объекта описывается формулами:The heterogeneity of the object is described by the formulas:

Figure 00000009
Figure 00000009

ω - это круговая частота падающего излучения, с - скорость света. Здесь и далее использована СГС система единиц. Как правило, томограф заполняется иммирсионной жидкостью для лучшего электрического контакта на границе объекта. Ввиду этого, рассеянное электрическое поле можно считать неспособным к отражению от поверхности томографа. Поэтому безотражательные граничные условия использовались для решения системы уравнений (3).ω is the circular frequency of the incident radiation, and c is the speed of light. Hereinafter, the GHS system of units is used. As a rule, the tomograph is filled with an immersion fluid for better electrical contact at the object boundary. In view of this, the scattered electric field can be considered incapable of reflection from the surface of the tomograph. Therefore, the reflectionless boundary conditions were used to solve the system of equations (3).

Авторами [1] был разработан эффективный и быстрый способ решения (3) с безотражательными и нулевыми граничными условиями. Сравнение с точными решениями подтвердило надежность этого метода для решения прямых задач в разных условиях, включая случаи решения уравнений с разрывными коэффициентами.The authors of [1] have developed an effective and quick way to solve (3) with reflectionless and zero boundary conditions. Comparison with exact solutions confirmed the reliability of this method for solving direct problems in different conditions, including cases of solving equations with discontinuous coefficients.

Для описания работы приемных антенн использовался принцип взаимности. Сигнал приемной антенны номер j, когда работает только передающая антенна номер i, - Si,j вычисляется с использованием решения уравнения (3) для прямой волны и решением аналогичного уравнения для обратно распространяющейся волны [1].To describe the operation of the receiving antennas, the principle of reciprocity was used. The signal of the receiving antenna number j, when only the transmitting antenna number i, - S i, j is working, is calculated using the solution of equation (3) for the direct wave and the solution of a similar equation for the backward propagating wave [1].

Для того, чтобы решить обратную задачу, то есть зная измеренные значения сигналов на антеннах Si,j, вычислить значения распределения диэлектрической проницаемости в объеме объекта был применен вариационный подход [2].In order to solve the inverse problem, that is, knowing the measured values of the signals at the antennas S i, j , to calculate the distribution values of the dielectric constant in the volume of the object, the variational approach was applied [2].

Figure 00000010
Figure 00000010

должен быть минимизирован за счет вариаций диэлектрической проницаемости ε. Индексы Т и Е означают теоретический и экспериментальный. Суммы берутся по всем передающим и принимающим антеннам.should be minimized due to variations in the dielectric constant ε. The indices T and E mean theoretical and experimental. Amounts are taken for all transmitting and receiving antennas.

Функционал (5) предлагается минимизировать методом градиентного спуска. В [1, 2] показано, что градиент функционала (5) может быть выражен через комбинацию решений прямой задачи для прямо распространяющейся и обратно распространяющейся волн, базируясь на численном решении уравнения (3) с безотражательными и фиксированными граничными условиями.Functional (5) is proposed to be minimized by the gradient descent method. It was shown in [1, 2] that the gradient of functional (5) can be expressed in terms of a combination of solutions of the direct problem for directly propagating and back propagating waves, based on the numerical solution of equation (3) with reflectionless and fixed boundary conditions.

Как было отмечено ранее, оптимальный диапазон частот принят 1-3 ГГц.As noted earlier, the optimal frequency range is 1-3 GHz.

Для каждого направления излучения антенн под номером j, записывается сигнал рассеянного излучения Smnj, где первые два индекса нумеруют излучающую и принимающую антенны.For each direction of radiation of the antennas with number j, the scattered radiation signal S mnj is recorded , where the first two indices number the transmitting and receiving antennas.

Ввиду чувствительности решения данной задачи, вместо минимизации функционала (5) его регуляризованный вариант подлежит минимизации:Due to the sensitivity of the solution to this problem, instead of minimizing the functional (5), its regularized version should be minimized:

Figure 00000011
Figure 00000011

где: α - это параметр регуляризации, Λ - стабилизирующий оператор второго порядка [7].where: α is the regularization parameter, Λ is the second-order stabilizing operator [7].

Эта минимизация и получение решения задачи осуществляется в следующем итерационном процессе:This minimization and solution is carried out in the following iterative process:

Figure 00000012
Figure 00000012

Градиент функционала

Figure 00000013
вычисляется по формуле:Functional Gradient
Figure 00000013
calculated by the formula:

Figure 00000014
Figure 00000014

где: А - нормировочная константа,

Figure 00000015
- обратно распространяющаяся рассеянная волна, * - комплексное сопряжение.where: A is the normalization constant,
Figure 00000015
- backscattered scattered wave, * - complex conjugation.

Прямо распространяющаяся и обратно распространяющаяся волны являются решениями уравнений:Directly propagating and backward propagating waves are solutions of the equations:

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Источник поля обратно распространяющейся волны вычисляется по формуле:The source of the backward-propagating wave field is calculated by the formula:

Figure 00000018
Figure 00000018

где:

Figure 00000019
- функция Грина для однородного пространства,
Figure 00000020
- фазовые центры пронимающих антенн.Where:
Figure 00000019
- Green's function for homogeneous space,
Figure 00000020
- phase centers of penetrating antennas.

Шаг итерационного процесса (7) вычисляется по формуле:The step of the iterative process (7) is calculated by the formula:

Figure 00000021
Figure 00000021

Параметр β выбирается эмпирически из интервала (0,1). Параметр γ имеет начальное значение единица. Если значение функционала уменьшается на одном итерационном шаге, то этот параметр увеличивается на 20%, в противном случае уменьшается на 20%. Процесс (7) прекращается в случае стабилизации решения.The parameter β is selected empirically from the interval (0,1). The parameter γ has an initial value of unity. If the value of the functional decreases at one iterative step, then this parameter increases by 20%, otherwise it decreases by 20%. The process (7) is terminated if the solution is stabilized.

После того как изображение получено для каждой конфигурации излучающего поля, вычисляется суперпозиция всех изображений:After the image is obtained for each configuration of the emitting field, the superposition of all images is calculated:

Figure 00000022
Figure 00000022

где: Т - суперпозиция индивидуальных изображений εj. N - число элементов в суперпозиции.where: T is the superposition of individual images ε j . N is the number of elements in superposition.

По аналогии с методом субпиксельного супер-разрешения [7], суперпозиция Т может быть приближенно представлена как свертка истинного распределения диэлектрической проницаемости с ядром известного вида:By analogy with the subpixel super-resolution method [7], the superposition T can be approximately represented as a convolution of the true distribution of dielectric constant with a core of a known type:

Figure 00000023
Figure 00000023

Аналитический вид ядра этого уравнения достаточно сложный и зависит от диаграммы направленности антенн. Мы предлагаем использовать аналитическую аппроксимацию в виде двумерной Гауссовой функции с эмпирически подобранным параметром дисперсии. Решение уравнения (7) должно быть произведено с использованием регуляризации и выбором параметра регуляризации методом невязки [7]. Окончательная формула для трехмерной MB томограммы высокого разрешения:The analytical form of the core of this equation is quite complex and depends on the antenna pattern. We propose using an analytical approximation in the form of a two-dimensional Gaussian function with an empirically selected dispersion parameter. Equation (7) should be solved using regularization and the choice of the regularization parameter by the residual method [7]. The final formula for a high-resolution three-dimensional MB tomogram is:

Figure 00000024
Figure 00000024

где

Figure 00000025
и
Figure 00000026
- двумерные фурье образы соответствующих функций Т и K по переменным x и y. Знак * означает комплексное сопряжение. Параметр регуляризации а выбирается в соответствии с шумом измерения [7]. Регуляризущий оператор Ω=u22.Where
Figure 00000025
and
Figure 00000026
are two-dimensional Fourier images of the corresponding functions T and K with respect to the variables x and y. The sign * means complex conjugation. The regularization parameter a is selected in accordance with the measurement noise [7]. The regularizing operator Ω = u 2 + ν 2 .

Измерения проводят следующим образом. Оси диаграмм направленности всех антенн выставлены в крайнее левое положение. Вычисляется одна 3-х мерная томограмма. Для этого используется итерационный метод (формула 7). После этого все диаграммы поворачиваются на небольшой шаг вправо, и процесс повторяется. После того как диаграммы достигнут крайнего правого положения, процесс закончен. Результат - набор томограмм, каждая из которых соответствует определенному положению диаграммы антенн. Дальше они просто суммируются (формула 13). Все томограммы и индивидуальные и суммарная имеют пространственное разрешение не лучше, чем длина волны зондирующего излучения. Однако суммарная томограмма является математической сверткой (конволюцией) идеального изображения и известной функции (формула 14). Чтобы извлечь идеальное (на самом деле улучшенное) изображение, нужно эту свертку математически обратить (произвести деконволюцию). Лучший способ сделать это - использовать метод обратного фильтра (формула 15).The measurements are carried out as follows. The axes of the radiation patterns of all antennas are set to the extreme left position. One 3-dimensional tomogram is calculated. For this, an iterative method is used (formula 7). After that, all the diagrams are rotated a small step to the right, and the process repeats. After the diagrams have reached the extreme right position, the process is completed. The result is a set of tomograms, each of which corresponds to a specific position of the antenna diagram. Then they are simply summed up (formula 13). All tomograms, both individual and total, have a spatial resolution no better than the wavelength of the probe radiation. However, the total tomogram is a mathematical convolution (convolution) of an ideal image and a known function (formula 14). To extract an ideal (actually improved) image, you need to mathematically reverse this convolution (make deconvolution). The best way to do this is to use the inverse filter method (formula 15).

Таким образом, за счет восстановления высокочастотных компонент пространственного спектра изображения объекта, достигнутого использованием углового сканирования диаграммы направленности передающих антенн, достигается высокое пространственное изображение исследуемого объекта. Изначальная потеря высокочастотных компонент пространственного спектра обусловлена дифракцией микроволнового излучения.Thus, due to the restoration of the high-frequency components of the spatial spectrum of the image of the object achieved by using angular scanning of the radiation pattern of the transmitting antennas, a high spatial image of the object under study is achieved. The initial loss of the high-frequency components of the spatial spectrum is due to diffraction of microwave radiation.

Управление приемо-передающими антеннами реализуется с помощью программных средств. Параметры излучения (несущая частота, частота следования импульсов и скважность) определяют заранее и задают с помощью персонального компьютера. Антенны заранее нумеруют и обслуживают программой по очереди, так же как и принимающие антенны. Сверхвысокочастотное (СВЧ) напряжение генерируется генератором (генераторами), после чего поступает на переключатели (ключи), которые перенаправляют его по СВЧ каналам на передающие антенны. Передающие антенны преобразуют СВЧ сигнал в электромагнитную волну. Принимающий тракт работает в обратном порядке: антенна-СВЧ сигнал-переключатель-низкочастотный сигнал-аналого-цифровой преобразователь (АЦП)-компьютерная программа-компьютерная память.The management of transceiver antennas is implemented using software. The radiation parameters (carrier frequency, pulse repetition rate and duty cycle) are determined in advance and set using a personal computer. Antennas are pre-numbered and served in turn by the program, as well as receiving antennas. Microwave (microwave) voltage is generated by the generator (s), after which it is fed to switches (keys), which redirect it via microwave channels to transmitting antennas. Transmitting antennas convert a microwave signal into an electromagnetic wave. The receiving path works in the reverse order: antenna-microwave signal-switch-low-frequency signal-analog-to-digital converter (ADC) -computer program-computer memory.

Кроме измерительного канала, используется контрольный канал с известными потерями и набегом фазы. Контрольный канал представляет собой СВЧ-канал (например, коаксиальный кабель) между генератором и принимающей антенной, минуя передающие антенны и объект контроля. Он смешивается с полезным сигналом и позволяет измерять изменения амплитуды и фазы сигнала, которые возникают из-за объекта, а не из-за прохождения сигнала по кабелям. При этом используется гетеродинный способ регистрации.In addition to the measuring channel, a control channel with known losses and phase incursion is used. The control channel is a microwave channel (for example, a coaxial cable) between the generator and the receiving antenna, bypassing the transmitting antennas and the monitoring object. It is mixed with a useful signal and allows you to measure changes in the amplitude and phase of the signal that occur due to the object, and not due to the passage of the signal through the cables. In this case, a heterodyne registration method is used.

Далее производят обработку полученного изображения с использованием цифрового обратного фильтра.Next, the resulting image is processed using a digital inverse filter.

Список литературыBibliography

1. Bulyshev А.Е., Semenov S.Y., Souvorov А.Е., Svenson R.H., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Tatsis G.P. "Three dimensional microwave tomography. Theory and computer experiments in scalar approximation", Inverse Problems, 2000, 16, 863-875.1. Bulyshev A.E., Semenov S.Y., Souvorov A.E., Svenson R.H., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Tatsis G.P. "Three dimensional microwave tomography. Theory and computer experiments in scalar approximation", Inverse Problems, 2000, 16, 863-875.

2. Bulyshev A.E, Souvorov A.E., Semenov S.Y., Posukh V.G., Sizov Y.E. "Three-dimensional Vector Microwave Tomography. Theory and Computational experiments", Inverse Problems, 2004, 20, №4, 1238.2. Bulyshev A.E., Souvorov A.E., Semenov S.Y., Posukh V.G., Sizov Y.E. "Three-dimensional Vector Microwave Tomography. Theory and Computational experiments", Inverse Problems, 2004, 20, No. 4, 1238.

3. Semenov S.Y., Svenson R.H., Bulyshev A.E., Souvorov A.E., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Posukh V.G., Pavlovsky A.V., Repin P.N., Tatsis G.P. "Spatial resolution of microwave tomography for detection of the myocardial ischemia and infarction. Experimental study on two-dimensional models", IEEE Trans MTT, 2000, 48, 4, 538-544.3. Semenov S.Y., Svenson R.H., Bulyshev A.E., Souvorov A.E., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Posukh V.G., Pavlovsky A.V., Repin P.N., Tatsis G.P. "Spatial resolution of microwave tomography for detection of the myocardial ischemia and infarction. Experimental study on two-dimensional models", IEEE Trans MTT, 2000, 48, 4, 538-544.

4. Semenov S.Y., Svenson R.H., Boulyshev A.E., Souvorov A.E., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Posukh V.G., Pavlovsky A., Repin P.N., Starostin A.N., Voinov В., Tatsis G.P., Baranov V.Y. "Three-dimensional microwave tomography: initial experimental imaging of animals", IEEE Trans В ME, 2002, 49, 1, 55-63.4. Semenov S.Y., Svenson R.H., Boulyshev A.E., Souvorov A.E., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Posukh V.G., Pavlovsky A., Repin P.N., Starostin A.N., Voinov B., Tatsis G.P., Baranov V.Y. "Three-dimensional microwave tomography: initial experimental imaging of animals", IEEE Trans B ME, 2002, 49, 1, 55-63.

5. Semenov S.Y., Bulyshev A.E., Posukh V.G., Sizov Y.E., Williams T.C., Souvorov A.E. "Microwave tomography for detection/imaging of myocardial infarction. 1. Excised canine hearts", Annals of Biomedical Engineering, 2003, 31, 262-270.5. Semenov S.Y., Bulyshev A.E., Posukh V.G., Sizov Y.E., Williams T.C., Souvorov A.E. "Microwave tomography for detection / imaging of myocardial infarction. 1. Excised canine hearts", Annals of Biomedical Engineering, 2003, 31, 262-270.

6. Bulyshev A.E., Semenov S.Y., Souvorov A.E., Svenson R.H., Tatsis G.P. "Computational modeling of the three-dimensional microwave tomography of the breast cancer", IEEE Trans. ВME, 2001, 1053-1056.6. Bulyshev A.E., Semenov S.Y., Souvorov A.E., Svenson R.H., Tatsis G.P. "Computational modeling of the three-dimensional microwave tomography of the breast cancer", IEEE Trans. BME, 2001, 1053-1056.

7. Rub Т., Meany P., Mencke P., Palsen K. Nonlinear Microwave Imaging for Breast-Cancer Screening Using Gauss-Newton's Method and the CGLS Inversion Algorithm," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, V55, N8.7. Rub T., Meany P., Mencke P., Palsen K. Nonlinear Microwave Imaging for Breast-Cancer Screening Using Gauss-Newton's Method and the CGLS Inversion Algorithm, "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, V55, N8.

Claims (3)

Способ микроволновой томографии сверхвысокого разрешения ткани без нарушения ее целостности, содержащий этапы, на которых размещают источник питания микроволнового излучения и приемо-передающие антенны микроволнового излучения, управляют приемо-передающими антеннами микроволнового излучения, помещают согласующую среду между передающими и принимающими микроволновыми антеннами, помещают ткань, которая будет подвергаться облучению, внутри разделяющей среды, принимают микроволновое излучение приемо-передающими антеннами после взаимодействия его с тканью и измеряют изменение микроволнового излучения после взаимодействия с тканью, обрабатывают результаты измерений и строят трехмерное томографическое изображение ткани, отличающийся тем, что приемо-передающими антеннами управляют так, чтобы каждая из них излучала микроволновое излучение, ось диаграммы направленности которого дискретно изменяла бы свое угловое положение в плоскости излучения, то есть с помощью каждой приемо-передающей антенны проводят несколько измерений, соответствующих каждому угловому положению оси диаграммы направленности излучения, причем шаг, на который изменяют направление оси диаграммы направленности сканирующего излучения, соответствует величине требуемой разрешающей способности, строят набор томограмм, каждая из которых соответствует определенной диаграмме направленности излучения, далее они суммируются и полученный результат обрабатывается с использованием обратного фильтра, окончательное томографическое изображение ткани строят в соответствии с формулой:A method of microwave tomography of ultra-high resolution tissue without violating its integrity, comprising the steps of placing a microwave radiation power source and microwave transmitting and receiving antennas, controlling microwave transmitting and receiving antennas, placing a matching medium between transmitting and receiving microwave antennas, placing tissue, which will be irradiated, inside the separating medium, receive microwave radiation with transceiver antennas after interaction its interaction with the tissue and measure the change in microwave radiation after interacting with the tissue, process the measurement results and build a three-dimensional tomographic image of the tissue, characterized in that the transceiver antennas are controlled so that each of them emits microwave radiation, the axis of the radiation pattern of which would discretely change its angular position in the plane of radiation, that is, with the help of each transceiver antenna, several measurements are carried out corresponding to each angular position the axis of the radiation pattern, and the step by which the direction of the axis of the scanning radiation pattern corresponds to the required resolution, a set of tomograms are built, each of which corresponds to a certain radiation pattern, then they are summed up and the result is processed using the inverse filter, The final tomographic image of the tissue is constructed in accordance with the formula:
Figure 00000027
Figure 00000027
где T(x,y,z) - это суперпозиция индивидуальных изображений; K(x,y,z) - аналитическая аппроксимация двумерного пространственного фильтра; x,y,z - пространственные переменные; u - Фурье переменная, сопряженная с х; v - Фурье переменная, сопряженная с у;
Figure 00000028
- двумерные Фурье образы соответствующих функций Т и K по переменным х и у; α - параметр регуляризации; Ω=u2+v2 - регуляризующий оператор; * - знак комплексного сопряжения.
where T (x, y, z) is a superposition of individual images; K (x, y, z) is the analytical approximation of a two-dimensional spatial filter; x, y, z are spatial variables; u is the Fourier variable conjugate to x; v is the Fourier variable conjugate to y;
Figure 00000028
- two-dimensional Fourier images of the corresponding functions T and K with respect to the variables x and y; α is the regularization parameter; Ω = u 2 + v 2 is the regularizing operator; * - a sign of complex pairing.
RU2017136786A 2017-10-18 2017-10-18 Method of microwave ultra high-resolution tomography RU2662079C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136786A RU2662079C1 (en) 2017-10-18 2017-10-18 Method of microwave ultra high-resolution tomography

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136786A RU2662079C1 (en) 2017-10-18 2017-10-18 Method of microwave ultra high-resolution tomography

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2662079C1 true RU2662079C1 (en) 2018-07-23

Family

ID=62981501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017136786A RU2662079C1 (en) 2017-10-18 2017-10-18 Method of microwave ultra high-resolution tomography

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2662079C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769968C1 (en) * 2022-02-02 2022-04-11 Дмитрий Феоктистович Зайцев System and method for radiofrequency tomography
RU2777207C1 (en) * 2021-03-16 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» Uhf tomograph

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2238033C2 (en) * 1994-05-26 2004-10-20 Дзе Каролинас Харт Инститьют Method and microwave tomograph device for carrying out spectroscopy examination
US7239731B1 (en) * 2002-11-26 2007-07-03 Emimaging Ltd System and method for non-destructive functional imaging and mapping of electrical excitation of biological tissues using electromagnetic field tomography and spectroscopy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2238033C2 (en) * 1994-05-26 2004-10-20 Дзе Каролинас Харт Инститьют Method and microwave tomograph device for carrying out spectroscopy examination
US7239731B1 (en) * 2002-11-26 2007-07-03 Emimaging Ltd System and method for non-destructive functional imaging and mapping of electrical excitation of biological tissues using electromagnetic field tomography and spectroscopy

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Alexander Bulyshev, et al. Three-dimensional super-resolution: theory, modeling, and field test results, April 2014 / Vol. 53, No. 12 / APPLIED OPTICS, pp.2583-2594. *
Brett E. Bouma et al. High-resolution imaging of the human esophagus and stomach in vivo using optical coherence tomography, GASTROINTESTINAL ENDOSCOPY VOLUME 51, NO. 4, PART 1, 2000, pp.467-474. *
pp.467-474. *
Serguei Y. Semenov et al. Spatial Resolution of Microwave Tomography for Detection of Myocardial Ischemia and Infarction-Experimental Study on Two-Dimensional Models, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 48, NO. 4, APRIL 2000, pp.538-544. *
Serguei Y. Semenov et al. Spatial Resolution of Microwave Tomography for Detection of Myocardial Ischemia and Infarction-Experimental Study on Two-Dimensional Models, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 48, NO. 4, APRIL 2000, pp.538-544. Alexander Bulyshev, et al. Three-dimensional super-resolution: theory, modeling, and field test results, April 2014 / Vol. 53, No. 12 / APPLIED OPTICS, pp.2583-2594. Brett E. Bouma et al. High-resolution imaging of the human esophagus and stomach in vivo using optical coherence tomography, GASTROINTESTINAL ENDOSCOPY VOLUME 51, NO. 4, *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777207C1 (en) * 2021-03-16 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» Uhf tomograph
RU2769968C1 (en) * 2022-02-02 2022-04-11 Дмитрий Феоктистович Зайцев System and method for radiofrequency tomography

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Benny et al. An overview of microwave imaging for breast tumor detection
Zhang et al. Three-dimensional nonlinear image reconstruction for microwave biomedical imaging
US6490471B2 (en) Electromagnetical imaging and therapeutic (EMIT) systems
US7825667B2 (en) Microwave imaging system and processes, and associated software products
JP4803529B2 (en) Mammography method using microwave and mammography apparatus
WO2013116854A1 (en) Ultrasound waveform tomography with spatial and edge regularization
US20130018591A1 (en) Fast tomographic microwave imaging
US20070015993A1 (en) Microwave imaging assisted ultrasonically
CN109188431B (en) Holographic microwave fast imaging method based on compressed sensing
US10768214B2 (en) Multi-view planar near-field scattering tomography system
Shahzad et al. A multistage selective weighting method for improved microwave breast tomography
Ambrosanio et al. Microwave breast imaging via neural networks for almost real-time applications
Wang et al. Compressive sensing holographic microwave random array imaging of dielectric inclusion
RU2662079C1 (en) Method of microwave ultra high-resolution tomography
Fhager et al. Comparison of two image reconstruction algorithms for microwave tomography
Jalilvand Application-specific broadband antennas for microwave medical imaging
Islam et al. Wearable microwave imaging sensor for deep tissue real-time monitoring using a new loss-compensated backpropagation technique
Shumakov et al. Real-time quantitative reconstruction methods in microwave imaging
WO2006069195A2 (en) Microwave imaging system and processes, and associated software products
Cheng et al. 3-D microwave imaging for breast cancer
Yong et al. Profile reconstruction utilizing forward-backward time-stepping with the integration of automated edge-preserving regularization technique for object detection applications
RU2777207C1 (en) Uhf tomograph
RU2769968C1 (en) System and method for radiofrequency tomography
Simonetti et al. Synthetic aperture diffraction tomography for three-dimensional imaging
CN112545475B (en) FDTD-based tumor detection method and device based on antenna array confocal imaging algorithm

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191019