基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法
【专利摘要】基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法，属于生物组织电磁参数成像领域。该装置包括电磁波发射线圈、电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式振荡电路；该方法包括：装置初始化；测量生物组织的电磁波传播时间；FPGA通过单片机将生物组织的电磁波传播时间实时上传至终端计算机，终端计算机根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算生物组织各个位置的电磁波传播速度；采用正则化高斯牛顿重建算法(NOSER)对生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像；本发明为医学研究和临床提供了一种全新的、简便的、有效的检测手段；相较于传统的医学成像设备具有成本低廉、无辐射的特点。
【专利说明】基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物组织电磁参数成像领域，尤其涉及基于电磁波传播速度的生物组 织电磁参数成像装置及方法。
【背景技术】
[0002] 生物组织由细胞组成，细胞由细胞内液、细胞外液和细胞膜组成，且其所处的外环 境是细胞外液。生物组织的电磁特性，是指细胞在电磁场的作用下被动的产生极化反应的 介电响应特性。由于生物组织结构的特殊性使得其电磁特性也不尽相同，生物组织的电磁 特性具有频率依赖的被动特性。生物组织有三种频率段α、β、Y的弛豫，电磁特性在三段 频率范围内有显著变化。当不同的频率、不同强度的电磁场作用于生物组织时，会表现出不 同的电磁特性。一些病变组织与正常组织的电磁特性有较大的差异。根据生物体内不同组 织在不同的生理、病理状态下具有不同的电磁特性，可以通过测量生物组织电磁特性信号 来判断所测的组织类型，进一步可以根据电磁特性来推断细胞的生长情况和组织的病变情 况。
[0003] 生物组织电磁特性的检测需要无损的检测方式。目前的电阻抗检测方法面临着成 像分辨率不高的问题，影响分辨率的因素不是单一的，无论是测量方法还是成像方法，或者 两者的不协调都会对成像结果有影响。而目前的磁感应成像检测方法是对所测生物组织电 磁参数进行图像重建的一种无创、无损、无需与被测物体直接接触的新技术，虽然人们对它 的研究已经多年，但是其二次磁场测量精度以及成像分辨率的提高困难，距离广泛使用还 是有很大差距。电磁波在生物组织内的传播速度与生物组织的介电常数和磁导率等电磁参 数具有一定的对应关系，而且已经有学者将电磁波传播速度应用于工程地质勘查中，辅助 提高探测溶洞及其充填情况的准确性。但是由于生物组织的尺寸较小，电磁场在生物组织 中传播的时间非常短，数量级达到纳秒，用常规方法很难准确测量其传播时间。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于电磁波传播速度的生物组织电磁 参数成像装置及方法。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] -种基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，包括：电磁波发射线圈、 电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式振荡电路；
[0007] 所述控制单元主要由FPGA、单片机和终端计算机构成；所述单片机与FPGA互连， 单片机同时还与终端计算机互连；
[0008] 所述开放式振荡电路用于通过反复振荡对电磁波在生物组织中传播的时间进行 累积，其包括：单稳态触发控制电路、激励信号发射电路、信号调理电路、AGC-整形电路、延 时电路和计时电路；
[0009] 所述单稳态触发控制电路与FPGA互连，同时单稳态触发控制电路的一个输入端 连接延时电路的一个输出端，单稳态触发控制电路的一个输出端连接激励信号发射电路的 输入端，单稳态触发控制电路的另一个输出端连接计时电路的一个输入端；所述激励信号 发射电路的输出端连接电磁波发射线圈，同时激励信号发射电路通过数据总线连接FPGA， 单向接收FPGA发送的数据；所述计时电路的另一个输入端连接延时电路的另一个输出端， 同时计时电路还与FPGA互连；所述延时电路的输入端连接AGC-整形电路的输出端；所述 AGC-整形电路的输入端连接信号调理电路的输出端；所述信号调理电路的输入端连接电 磁波接收线圈；
[0010] 所述电磁波发射线圈用于在激励信号发射电路的驱动下产生能够穿过生物组织 的电磁波；
[0011] 所述电磁波接收线圈用于接收穿过生物组织的电磁波；
[0012] 所述电磁波发射线圈、电磁波接收线圈分别固定在U形臂的两臂上，两个线圈的 相对位置固定不变，且电磁波发射线圈与电磁波接收线圈的轴线在同一水平线上；
[0013] 所述载物台为圆柱体，其上顶面用于放置待测生物组织，置于U形臂的内腔中，且 与U形臂的两臂之间留有相应的间隙；所述载物台置于U形臂的内腔时，其与U形臂的两臂 之间的间隙以U形臂不影响载物台转动为原则进行调整。
[0014] 所述电机单元用于驱动U形臂进行平移运动及载物台进行旋转运动，其包括：平 移步进电机用于驱动U形臂进行平移运动；旋转步进电机用于驱动载物台进行旋转运动；
[0015] 所述电机驱动单元用于驱动电机单元中电机的运行，其包括：平移步进电机驱动 电路为所述平移步进电机的驱动电路，用于驱动平移步进电机的平移运行；旋转步进电机 驱动电路为所述旋转步进电机的驱动电路，用于驱动旋转步进电机的旋转运行；
[0016] U形臂与平移步进电机的输出轴端相连接，所述平移步进电机的电源接入端连接 平移步进电机驱动电路的输出端，所述平移步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接 FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；
[0017] 所述载物台与旋转步进电机输出轴端相连接；所述旋转步进电机的电源接入端连 接旋转步进电机驱动电路的输出端，所述旋转步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连 接FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号；
[0018] 所述载物台和U形臂均通过丝杠分别与旋转步进电机的输出轴端和平移步进电 机的输出轴端相连接；
[0019] 最后采用0. 5mm厚的铁皮制作封闭式屏蔽外壳，该屏蔽外壳将待测生物组织、载 物台、旋转步进电机、U形臂、电磁波发射线圈、电磁波接收线圈和平移步进电机包容在其 中，对它们进行电磁屏蔽；
[0020] 所述的终端计算机内还设置有生物组织电磁参数图像重建模块，用于对生物组织 进行图像重建，得到生物组织的重建图像。
[0021] 采用所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置的生物组织电磁 参数成像方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤1 :装置初始化；
[0023] 步骤I. 1 :从终端计算机发出初始化指令，并通过单片机将该指令传送给FPGA ;
[0024] 步骤1. 2 :接收到初始化指令后，FPGA控制激励信号发射电路、单稳态触发控制电 路、计时电路和延时电路完成初始化工作；
[0025] 步骤I. 2. I :FPGA给激励信号发射电路发送控制信号，设定激励信号发射电路的 信号发射频率；
[0026] 步骤1. 2. 2 :FPGA给单稳态触发控制电路发送复位信号，使单稳态触发控制电路 复位；
[0027] 步骤1. 2. 3 :FPGA给计时电路发送控制信号，先使计时电路复位，然后设置计时电 路的输出时钟频率；
[0028] 步骤1. 2. 4 :FPGA给延时电路发送控制信号，设置延时电路的延时时间；
[0029] 步骤2 :生物组织的电磁波传播时间测量；
[0030] 步骤2. 1 :在初始位置，即载物台未进行旋转，U形臂未进行平移，进行生物组织的 电磁波传播时间的测量；
[0031] 步骤2. I. 1 :终端计算机发出开始测量指令并通过单片机将该指令传送给FPGA ;
[0032] 步骤2. I. 2 :FPGA发出一个启动测量的脉冲信号并传送至单稳态触发控制电路；
[0033] 步骤2. 1. 3 :单稳态触发控制电路接收到脉冲信号后被触发，产生三路脉冲信号； 其中一路脉冲信号发送至FPGA中的高速计数模块，用于记录脉冲次数；另一路脉冲信号发 送给计时电路，用于控制计时电路开始计时；第三路脉冲信号发送给激励信号发射电路；
[0034] 步骤2. 1. 4 :接收到脉冲信号后，激励信号发射电路驱动电磁波发射线圈产生电 磁波；该电磁波穿过生物组织，由电磁波接收线圈接收后，电磁波接收线圈输出检测信号至 信号调理电路；
[0035] 步骤2. 1. 5 :信号调理电路对检测信号进行滤波放大处理后，传送至AGC-整形电 路；
[0036] 步骤2. I. 6 :AGC_整形电路对接收的检测信号进行自动幅值调整并将其整形为矩 形脉冲信号后传送至延时电路；
[0037] 步骤2. 1.7 :延时电路接收到矩形脉冲信号后，产生的延时信号同时传入计时电 路与单稳态触发控制电路；
[0038] 步骤2. 1. 8 :接收到延时信号后，计时电路停止计时，同时单稳态触发电路被重新 触发；
[0039] 步骤2. 1.9 :重复执行步骤2. 1.3至2. 1.8,直到FPGA中高速计数模块的计数值达 到事先设定的最大计数值后，FPGA发出复位信号使单稳态触发控制电路复位，即开放式振 荡电路停止振荡；
[0040] 步骤2. 1. 10 :根据最大计数值和开放式振荡电路停止振荡时的计时器给出的时 间值，FPGA计算生物组织的电磁波传播时间，记为Dcitl ;
[0041] 电磁波传播时间的计算方法为计时器传送的时间值除以对应的最大计数值；
[0042] 步骤2. 2 :保持载物台不动，U形臂平移运动，测量生物组织的电磁波传播时间；
[0043] FPGA通过平移电机驱动电路驱动平移步进电机运转，使U形臂按照事先确定的步 长进行水平移动；U形臂每移动到一个新的位置后，按照步骤2. I. 1至步骤2. 1. 10测得生 物组织的电磁波传播时间；U形臂移动η次后，测得一组生物组织的电磁波传播时间数据， 分别记为 DQ1，DQ2, . . ·，Dtln ;
[0044] 步骤2.3 :载物台旋转，且U形臂平移，测量生物组织的电磁波传播时间；
[0045] FPGA通过旋转电机驱动电路驱动旋转步进电机转动，使载物台按照事先确定的步 长进行旋转，载物台每旋转到一个新的位置后，重复执行步骤2. 1至步骤2. 2,测得载物台 的一次旋转对应U形臂不动和U形臂η次移动的电磁波传播时间数据；则在载物台每旋转 到一个新的位置后，通过重复执行步骤2. 1至步骤2. 2,都获得一组数据，则载物台由不动 至完成360度旋转，旋转次数为m，得到的生物组织的电磁波传播时间的数据集为：
【权利要求】
1. 一种基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征在于：包括：电磁 波发射线圈、电磁波接收线圈、U形臂、载物台、电机单元、电机驱动单元、控制单元和开放式 振荡电路； 所述控制单元主要由FPGA、单片机和终端计算机构成；所述单片机与FPGA互连，单片 机同时还与终端计算机互连； 所述开放式振荡电路用于通过反复振荡对电磁波在生物组织中传播的时间进行累积， 其包括：单稳态触发控制电路、激励信号发射电路、信号调理电路、AGC-整形电路、延时电 路和计时电路； 所述单稳态触发控制电路与FPGA互连，同时单稳态触发控制电路的一个输入端连接 延时电路的一个输出端，单稳态触发控制电路的一个输出端连接激励信号发射电路的输 入端，单稳态触发控制电路的另一个输出端连接计时电路的一个输入端；所述激励信号发 射电路的输出端连接电磁波发射线圈，同时激励信号发射电路通过数据总线连接FPGA，单 向接收FPGA发送的数据；所述计时电路的另一个输入端连接延时电路的另一个输出端， 同时计时电路还与FPGA互连；所述延时电路的输入端连接AGC-整形电路的输出端；所述 AGC-整形电路的输入端连接信号调理电路的输出端；所述信号调理电路的输入端连接电 磁波接收线圈； 所述电磁波发射线圈用于在激励信号发射电路的驱动下产生能够穿过生物组织的电 磁波； 所述电磁波接收线圈用于接收穿过生物组织的电磁波； 所述电磁波发射线圈、电磁波接收线圈分别固定在U形臂的两臂上，且电磁波发射线 圈与电磁波接收线圈的轴线在同一水平线上； 所述载物台用于放置待测生物组织，置于U形臂的内腔中，且与U形臂的两臂之间留有 相应的间隙； 所述电机单元用于驱动U形臂进行平移运动及载物台进行旋转运动，其包括：平移步 进电机用于驱动U形臂进行平移运动；旋转步进电机用于驱动载物台进行旋转运动； 所述电机驱动单元用于驱动电机单元中电机的运行，其包括：平移步进电机驱动电路 为所述平移步进电机的驱动电路，用于驱动平移步进电机的平移运行；旋转步进电机驱动 电路为所述旋转步进电机的驱动电路，用于驱动旋转步进电机的旋转运行； U形臂与平移步进电机的输出轴端相连接，所述平移步进电机的电源接入端连接平 移步进电机驱动电路的输出端，所述平移步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接 FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号； 所述载物台与旋转步进电机输出轴端相连接；所述旋转步进电机的电源接入端连接 旋转步进电机驱动电路的输出端，所述旋转步进电机驱动电路的输入端通过控制总线连接 FPGA，接收FPGA发送的控制命令信号； 所述的终端计算机内还设置有生物组织电磁参数图像重建模块，用于对生物组织进行 图像重建，得到生物组织的重建图像。
2. 根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征 在于：采用0. 5mm厚的铁皮制作封闭式屏蔽外壳，该屏蔽外壳将待测生物组织、载物台、旋 转步进电机、U形臂、电磁波发射线圈、电磁波接收线圈和平移步进电机包容在其中，对它们 进行电磁屏蔽。
3. 根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征 在于：所述载物台置于U形臂的内腔时，其与U形臂的两臂之间的间隙以U形臂不影响载物 台转动为原则进行调整。
4. 根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征 在于：载物台为圆柱体，其上顶面放置待测生物组织。
5. 根据权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置，其特征 在于：载物台和U形臂均通过丝杠分别与旋转步进电机的输出轴端和平移步进电机的输出 轴端相连接。
6. 采用权利要求1所述的基于电磁波传播速度的生物组织电磁参数成像装置的生物 组织电磁参数成像方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1 :装置初始化； 步骤2 :测量生物组织的电磁波传播时间，得到生物组织的电磁波传播时间数据集D ; 步骤3 :FPGA通过单片机将生物组织的电磁波传播时间实时上传至终端计算机，终端 计算机根据电磁波发射线圈与电磁波接收线圈间的距离，利用速度公式计算生物组织各个 位置的电磁波传播速度，得到的电磁波传播速度数据集V，如下所示： ^oo Kn Ki2 ··· ? Vn Vn - K, V- V20 ν21 ν22 …ν2" 步骤4 :利用步骤3获得的电磁波传播速度数据集V，采用正则化高斯牛顿重建算法对 生物组织进行图像重建，得到生物组织的重建图像。
7. 根据权利要求6所述的生物组织电磁参数成像方法，其特征在于：所述步骤1中的 装置初始化过程，包括如下步骤： 步骤1. 1 :从终端计算机发出初始化指令，并通过单片机将该指令传送给FPGA ; 步骤1. 2 :接收到初始化指令后，FPGA控制激励信号发射电路、单稳态触发控制电路、 计时电路和延时电路完成初始化工作； 步骤1. 2. 1 :FPGA给激励信号发射电路发送控制信号，设定激励信号发射电路的信号 发射频率； 步骤1. 2. 2 :FPGA给单稳态触发控制电路发送复位信号，使单稳态触发控制电路复位； 步骤1. 2. 3 :FPGA给计时电路发送控制信号，先使计时电路复位，然后设置计时电路的 输出时钟频率； 步骤1. 2. 4 :FPGA给延时电路发送控制信号，设置延时电路的延时时间。
8. 根据权利要求6所述的生物组织电磁参数成像方法，其特征在于，所述步骤2中的测 量生物组织的电磁波传播时间，得到生物组织的电磁波传播时间数据集D，包括如下步骤： 步骤2. 1 :在初始位置，即载物台未进行旋转，U形臂未进行平移，进行生物组织的电磁 波传播时间的测量； 步骤2. 1. 1 :终端计算机发出开始测量指令并通过单片机将该指令传送给FPGA ; 步骤2. 1. 2 :FPGA发出一个启动测量的脉冲信号并传送至单稳态触发控制电路； 步骤2. 1. 3 :单稳态触发控制电路接收到脉冲信号后被触发，产生三路脉冲信号；其中 一路脉冲信号发送至FPGA中的高速计数模块，用于记录脉冲次数；另一路脉冲信号发送给 计时电路，用于控制计时电路开始计时；第三路脉冲信号发送给激励信号发射电路； 步骤2. 1. 4 :接收到脉冲信号后，激励信号发射电路驱动电磁波发射线圈产生电磁波； 该电磁波穿过生物组织，通过电磁波接收线圈传送至信号调理电路； 步骤2. 1.5 :信号调理电路对接收的电磁波进行滤波放大处理后，传送至AGC-整形电 路； 步骤2. 1. 6 :接收到滤波放大后的电磁波信号，AGC-整形电路对其进行自动幅值调整 并将其整形为矩形脉冲信号后传送至延时电路； 步骤2. 1. 7 :延时电路接收到矩形脉冲信号后，产生的延时信号同时传入计时电路与 单稳态触发控制电路； 步骤2. 1. 8 :接收到延时信号后，计时电路停止计时，同时单稳态触发电路被重新触 发； 步骤2. 1. 9 :重复执行步骤2. 1. 3至2. 1. 8,直到FPGA中高速计数模块的计数值达到事 先设定的最大计数值后，FPGA发出复位信号使单稳态触发控制电路复位，即开放式振荡电 路停止振荡； 步骤2. 1. 10 :根据最大计数值和开放式振荡电路停止振荡时的计时器给出的时间值， FPGA计算生物组织的电磁波传播时间，记为; 电磁波传播时间的计算方法为计时器传送的时间值除以对应的最大计数值； 步骤2. 2 :保持载物台不动，U形臂进行平移运动，测量生物组织的电磁波传播时间； FPGA通过平移电机驱动电路驱动平移步进电机运转，使U形臂按照事先确定的步长进 行水平移动；U形臂每移动到一个新的位置后，按照步骤2. 1. 1至步骤2. 1. 10测得生物组 织的电磁波传播时间；U形臂移动η次后，测得一组生物组织的电磁波传播时间数据，分别 记为 D〇i，D02，· · ·， D〇n ; 步骤2. 3 :载物台旋转，且U形臂平移，测量生物组织的电磁波传播时间； FPGA通过旋转电机驱动电路驱动旋转步进电机转动，使载物台按照事先确定的步长进 行旋转，载物台每旋转到一个新的位置后，重复执行步骤2. 1至步骤2. 2,测得载物台的一 次旋转对应U形臂不动和U形臂η次移动的电磁波传播时间数据；则通过重复执行步骤2. 1 至步骤2. 2,在载物台每旋转到一个新的位置后，都可以获得一组数据，则载物台完成360 度旋转，旋转次数为m后，得到的生物组织的电磁波传播时间的数据集D，如下所示： D01 DfQ · · · D0n Du) D12 .. · Dltl D = D2i Dn …Dhl。 Dm' Dm2 · · · Dmri_
【文档编号】A61B5/05GK104257382SQ201410459281
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】王旭, 刘承安, 宣杨, 张志美, 杨丹 申请人:东北大学