一种基于微波热声成像的疾病检测系统及使用方法与流程

应用领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是一种基于微波热声成像的疾病检测系统及使用方法。

背景技术：

随着经济的发展以及生活品质的提升，健康成为一个越来越受人们关心的问题。在医学领域中，“望闻问切”是医之纲领，实现疾病的准确诊断是治疗疾病的前提，然后才是对症下药，所以对疾病的准确诊断是尤为重要。生物医学成像技术作为一种可以实现疾病“可视化”的方法，在临床医学中得到了广泛的应用，目前医学中的成像技术主要有核磁共振成像、光声成像、脑电图、超声成像以及计算机断层扫描等成像技术，例如，核磁共振具有高对比度、非入侵性等优点，但存在分辨率低维护成本高以及无法携带的缺点。光学成像有着极高的灵敏度、高空间和时间分辨率，但是受到光的传输深度限制，只能对透明组织浅表器官进行成像。因此，虽然现代成像技术在疾病检测方面已经取得了巨大的进步，但目前各种成像技术均存在一定程度的局限性。

近年来，伴随着微波激励源等关键技术的发展，微波热声成像也逐渐引起了关注。将微波能量辐射到物体上时，物体吸收能量后发生热性膨胀，通过收集膨胀所引起的机械波进行成像处理的技术称为微波热声成像技术。从信号产生的原理上看，因为微波能够到达激光难以到达的深度激励生物组织产生超声信号，又兼具超声成像技术的高分辨率的优点，使得这一技术能够在传统光学或光声成像技术难以到达的成像深度上实现较高分辨率成像，对于在成像技术疾病检测方面显得格外重要。因此，就提出了本发明以下的论述。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于微波热声成像的疾病检测装置；为达到上述目的本发明采用的技术方案为：一种基于微波热声成像的疾病检测装置，包括检测台以及与检测台配合连接的扫描组件；

所述检测台包括基座、床体以及控制区，所述基座设置有旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴，所述旋转轴与连接块配合连接，所述旋转机构用于带动所述床体旋转；

所述扫描组件包括扫描带，所述扫描带两侧设置有螺纹滑槽，所述螺纹滑槽与线性导轨滚动配合，所述扫描带内侧设置有换能器，所述扫描带上设置有微波辐射机构。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述床体旋转角度为0至90°，所述床体尾部设置有一支撑板，所述床体两侧设置有线性导轨，所述线性导轨包括梯形螺纹丝杠，所述梯形螺纹丝杠两端与轴承配合连接，所述轴承固定于轴承座上。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述线性导轨两端设置有限位开关，所述轴承座配合连接有一联轴器，所述联轴器一端固定有驱动电机。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述换能器用于接收热声信号并把热声信号机械波转化为电信号，所述换能器包括压电晶片以及连接在压电晶片上的若干条导线。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述压电晶片根据热声压力振动发生弹性变形而产生电压，所述电压经所述导线传导至连接器上。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述微波辐射机构包括若干微波同轴导线，所述微波同轴导线一端与连接器相连，另一端与喇叭口相连。

本发明第二方面提供了一种基于微波热声成像疾病检测装置的使用方法，应用于一种基于微波热声成像的疾病检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

采集热声信号信息，分析声压分布或能量损耗分布信息；

将每一累加的声压分布或能量损耗分布信息保留取平均值，生成声压模型信息；

将所述声压模型信息与预设模型对比，得出偏差率；

若大于，重建声压或能量损耗模型，生成热声图像信息；

将所述热声图像信息传送至终端。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，重建声压或能量损耗模型，生成热声图像信息，还包括以下步骤：

将所述热声信号进行带阻滤波处理，得到预设范围内频率的热声信号；

将范围内的热声信号放大处理，以消除热声微弱信号的传输损失与传输电容效应；

对图像进行锐化处理，以加强图像轮廓边缘与细节，提高特征识别清晰度；

将所述特征识别与预设图像作对比，得出灰度值；

当所述灰度值小于预设阈值时，提取该特征所在的区域图像信息。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，采集热声信号信息，分析声压分布或能量损耗分布信息，还包括：

提取细胞组织热压信号，将所述热压信号进行增益处理，以提高信噪比；

获取压电晶片上压力变化信息，生成电压信息；

将所述电压信息数字化处理，生成图像信息。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述声压分布或能量损耗分布信息为任一方向组织细胞相互挤压所产生的机械波或热压能量。

本发明公开的一种基于微波热声成像的疾病检测装置，利用生物组织吸收微波脉冲的能量后温度升高，生物组织由于温度升高而产生热膨胀，组织相互挤压产生的机械波(声波)在超声频段，即产生超声波，使用超声换能器采集组织产生的超声信号，并利用采集到的信号进行图像重建，具有高穿透深度、高时间和空间分辨率的非侵入式、非电离的优点，此外，还能够进行全身一体化疾病检测，省时省力，能够实现精准诊断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为检测台结构示意图；

图2为装置工作示意图；

图3为换能器结构示意图；

图4为线性导轨示意图；

图5为整体方法流程图；

图6为热声信号处理方法流程图；

图7为图像重建方法流程图；

附图标记说明如下：1、检测台；2、扫描带；104、旋转轴；105、连接块；106、支撑板；107、线性导轨；108、基座；109、床体；110、控制区；111、喇叭传导器；112、换能器；301、压电晶片；302、导线；303、连接器；304、壳体；305、背衬；401、梯形螺纹丝杠；402、轴承；403、轴承座；404、联轴器；405、驱动电机；406、螺纹滑槽；

具体实施方式：

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

实施例一：

本发明第一方面提供了一种基于微波热声成像的疾病检测装置，包括检测台1以及与检测台配合连接的扫描组件2；

如图1所示，所述检测台1包括基座108、床体109以及控制区110，所述基座108设置有旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴104，所述旋转轴104与连接块105配合连接，所述旋转机构用于带动所述床体2旋转，所述床体2旋转角度为0至90°，所述床体尾部设置有一支撑板106，所述床体两侧设置有线性导轨107；如图4所示，所述线性导轨107包括梯形螺纹丝杠401，所述梯形螺纹丝杠401两端与轴承402配合连接，所述轴承402固定于轴承座403上，所述线性导轨两端设置有限位开关，所述轴承座配合连接有一联轴器404，所述联轴器404一端固定有驱动电机405，所述扫描组件包括扫描带，所述扫描带两侧设置有螺纹滑槽406，所述螺纹滑槽406与线性导轨滚动配合。如图2所示，一方面基座设置有旋转轴104，旋转轴104与连接块配合105连接，床体尾部设置有支撑板106，开始检测时，床体110旋转至预设角度后，用户只需要脚部踏上支撑板106，背部贴着床体110，便能够完成检测准备，无需“爬”上检测台，从而来适应不同用户，使得更具人性化，提高用户体验。另一方面，传动机构设置为线性导轨结构，梯形螺纹丝杠401与联轴器配404合连接，利用轴承403作为旋转件，以旋转过程中的减少摩擦，另外扫描带两侧设置有螺纹滑槽406，使用螺纹滑槽406与梯形螺纹丝杠401配合传动，使得扫描仪能够根据指令及时的停止与启动，控制精度更高，扫描效果更好。

所述扫描带上设置有微波辐射机构，所述换能器用于接收热声信号并把热声信号机械波转化为电信号，所述微波辐射机构包括若干微波同轴导线，所述微波同轴导线一端与连接器相连，另一端与喇叭口相连。用户完成检测准备后，一方面扫描带上设置有微波辐射机构，利用微波作为激励源，通过环形器、微波同轴导线以及喇叭传导111，将微波脉冲能量稳定可靠耦合到组织细胞中，以获取更好的微波热声信号。另一方面，利用换能器112作为信号转化装置，压电晶片301受到压力作用后在其两端会产生电压，电压由覆盖在晶片301两端的电极接收，通过导线302传输到连接器上，导线302会连接匹配电路来调整换能器112的阻抗和容抗特性，以获得良好的时间、距离分辨率，对信号的响应灵敏度更高。热声信号的产生与生物组织吸收微波能量后膨胀速度有着密切关系，而生物组织吸收微波能量可以理解成能量损耗，因此能够通过能量损耗来了解生物组织吸收微波能量的过程：

其中，h，e分别为电场和磁场强度；σ，μ，ε分别为电导率，磁导率，介电常数；ρ代表电流密度；t代表时间；代表激励介质体积。当激励介质损耗时，激励介质的节点常数可以用复数表示成：

ε＝ε′-jε″

其中，ε′＝εrε0；εr，ε0为相对介电常数和真空介电常数；ε″为损耗因素；j为常数，若极化损耗为ω，则方程可以改写为：

上述公式描述了微波在介质中能量的损耗问题，但是最终确认生物的热损耗，还需要确认生物组织中电场以及磁场的大小。在微波辐射进生物组织中后，首先要考虑的问题是阻抗匹配，能够通过调整喇叭传导器的阻抗和生物组织相互匹配，以及可以提高辐射能量。其次，还需要考虑极化方向，当微波能量从激励介质辐射到生物组织时，根据电磁场的边界条件：

其中，e1，e2分别为激励介质和生物组织的电场强度，d1，d2分别为激励介质和生物组织的电位移矢量，en为法向磁场，那么就能够得到

其中，e和e″分别为激励介质中入射场电场强度和生物组织中折射场电场强度；θ1和θ2为折射角；ε1，ε2分别为激励介质和生物组织的介电常数。所以，微波极化方向与曲率半径最终影响入射生物组织能量的大小。因此，选择合适的计划方向一方面能突出以下特殊结构，另一方面表明极化方向与结构之间的关系造成热声压与电导率不是正相关关系。

结合上述方程，定量的微波热声成像技术能够通过声压重建生物组织物理参数，表征生物组织特征。将微波脉冲辐射到生物组织上后，换能器从各个方向接收细胞膨胀产生的热压信号，根据热压信号定量重建出微波能量吸收密度的分布，生成热声图像，因此，微波热声成像技术通过组织介电特性反映了组织的结构性信息。而且，通过热声信号发生的过程便能够知道，热声成像综合了微波成像高对比度激发、深穿透和超声成像高分辨率的优点。

需要说明的是，微波脉冲宽度、频率以及峰值功率共同决定了热声幅值的大小，而微波激励源产生的微波脉冲重复频率决定了热声图像的采集速度与图像信噪臂比，重复频率越高，采集速度越快，因此，本发明通过线性导轨带动扫描带精准移动，并在扫描带上设置有多个换能器，使得能够在每个位置采集多次热声信号并取平均值方法来提高热声信号的信噪比，在保证采集速度的同时也能获取更好的图像信噪比。同时，还能够检测一次性完成全身疾病检测，方便快捷。

如图3所示，所述扫描带2内侧设置有换能器112，所述换能器包括压电晶片301以及连接在压电晶301片上的若干条导线302，所述压电晶片301根据热声压力振动发生弹性变形而产生电压，所述电压经所述导线传导至连接器303上。换能器112和微波传导喇叭111均设置在扫描带2上，当组织细胞接产生热压信息时，能够及时的检测出疾病与正常组织的电导率差异，从而生成和保留病变区域图像信息，因此，为了高分辨率的获取到病变组织的热声时域信号，本发明使用高阻尼宽带的换能器采集热声信号，当换能器的高频截止频率低于热声信号的高频截止频率时，会减低热声图像的分辨率，但当换能器低频截止频率过高，会导致热声信号低频成分丢失，只留下组织结构的高频信息，一般高频信息对应着组织结构的边缘信息。所以，为了突出热声成像结构的边缘信息，选用宽带换能器以保证接收到足够的低频信息并具有较高的分辨率，以更精准的识别出病变组织。

实施例二：

本发明第二方面提供了一种基于微波热声成像疾病检测装置的使用方法，应用于任一所述的一种基于微波热声成像的疾病检测装置，如图5所示，包括以下步骤：

s102:采集热声信号信息，分析声压分布或能量损耗分布信息；

s104:将每一累加的声压分布或能量损耗分布信息保留取平均值，生成声压模型信息；

s106:将所述声压模型信息与预设模型对比，得出偏差率；

s108:若大于，重建声压或能量损耗模型，生成热声图像信息；

s110:将所述热声图像信息传送至终端。

需要说明的是，当换能器采集组织细胞产生的热压信号信息，需要合适的数据采集以及合适的数据重建系统来对信号进行数字化处理，数据采集系统由热声放大器和数据采集卡组成。由于初始声压经过换能器转换为电压信号的幅值在几μv至几十μv之间，因此需要使用热声放大器对热信号进行放大处理，放大处理后的信号经数据采集卡采集，然后再对图像进行定量重建，将实时的变化声速信息用于修正延迟叠加算法中的声速项，从而提高重建热声图像的质量。本发明中提出了以下图像重建算法，通过采集不同位置热声信号，热声信号到达不同位置的换能器所需的传播距离会体现出时间差异称为飞行时间。考虑将接收到的信号通过飞行时间反演到成像区域中，以获得数字信息模型。将组织细胞产生的任一点的热压信号按照球面波处理，可以得到：

其中，psum为图像中重建区域的声压值，p代表换能器接收到的声压信号，rj和ri分别代表重建像素点和探头的位置，nd代表换能器的数目，c代表传播距离，i代表第n个换能器，从公式中可以看出重建算法重建得到的图像与声压大小仅有相对关系而没有绝对关系。

以换能器移动采集信号所在的圆半径为重建半径，并且以换能器采集位置为圆心，分别将各个位置采集到的信号方向投影回成像区域，获得值为n个位置的圆弧信号幅值的叠加值，则算法重建图像表达式为：

其中ω为重建空间；r代表热声反射半径；t代表热声反射时间；式中括号包括两项，一项为换能器接收到的热声信号p(rj,t)，另一项为热声信号对时间的一阶导数

进一步的，本发明的一个较佳实施例中，重建声压或能量损耗模型，生成热声图像信息，如图6所示，还包括以下步骤：

s202:将所述热声信号进行带阻滤波处理，得到预设范围内频率的热声信号；

s204:将范围内的热声信号放大处理，以消除热声微弱信号的传输损失与传输电容效应；

s206:对图像进行锐化处理，以加强图像轮廓边缘与细节，提高特征识别清晰度；

s208:将所述特征识别与预设图像作对比，得出灰度值；

s210:当所述灰度值小于预设阈值时，提取该特征所在的区域图像信息。

需要说明的是，一方面将热声信号数据运用于上述算法重建图像之前，需要设置一个适当的阈值对原始的热声信号进行时域和频域处理，以消除不需要的噪音，使用带阻滤波器来滤除噪音，使得重建图像更清晰。另一方面，信号解析度决定了最终数字信号的准确度，数据采集器采集的频率应当大于电压信号最高频率的两倍，以保证采样的稳定性和可靠性。在对组织细胞产生的热压信号采集的过程中，需要对每个位置信号进行多次采集取平均值以提高信噪比，因此，只需要在每次采集后保留一组累加后的数据，并在达到采集所需的平均次数后传输到处理器，实现边采边存，使得在扫描的过程中同步进行图像重建。

进一步的，本发明的一个较佳实施例中，采集热声信号信息，分析声压分布或能量损耗分布信息，如图7所示，还包括以下步骤：

s302:提取细胞组织热压信号，将所述热压信号进行增益处理，以提高信噪比；

s304:获取压电晶片上压力变化信息，生成电压信息；

s306:将所述电压信息数字化处理，生成图像信息。

进一步的，本发明的一个较佳实施例中，所述声压分布或能量损耗分布信息为任一方向组织细胞相互挤压所产生的机械波或热压能量。

需要说明的是，生物组织热声效应过程中，微观上离子和极性分子是以不同的运动方式产生焦耳损耗和介电损耗。当压电晶片301接受声波的作用力后，压电晶片离子在电场力作用下定向运动形成电压，电压由覆盖在晶片两端的电极吸收。此外，背衬305的声阻抗与晶片声阻抗相互匹配时，具有良好的时间、距离分辨率，对信号的灵敏度效应高。

以上依据本发明的理想实施例为启示，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。