一种乳腺肿瘤检测装置和方法与流程

1.本发明涉及乳腺肿瘤检测技术领域，尤其涉及一种乳腺肿瘤检测装置和方法。


背景技术：

2.乳腺癌目前已经变成了世界上确诊数最多的癌症，其呈现发病率逐渐升高和发病年龄逐渐年轻化的趋势，所以定期筛查就显得极其重要。目前临床上常用的乳腺肿瘤检测方法主要有三种，乳腺钼靶x线摄影对钙化病灶有好的敏感性，但是它有辐射且挤压会引起疼痛。乳房b超检查无辐射且价格低廉，但是它的清晰度和特异性较弱。核磁共振检查它无辐射且灵敏度高，但是其检测费用高且费时。所以这些现有的这些检测方法存在对人体有较高辐射或费用昂贵等缺点，因此不适合作为常规的筛查方法。
3.微波检测乳腺肿瘤的物理基础是在微波频段范围内，肿瘤组织和正常组织的电特性差异较大，肿瘤组织的相对介电常数为正常组织的5～10倍，通过分析获取这些差异就可以对肿瘤进行检测。
4.目前，微波检测乳腺肿瘤主要有两种方法，微波共焦成像和微波断层成像。其中，微波共焦成像的原理相对简单且计算效率高，但是其分辨率低，目前已研究较为深入；微波断层成像分为正逆问题两部分，其中正问题是模拟穿过目标后电磁场的空间分布，逆问题是在前面正问题的基础上来反演内部电参数的空间分布，微波断层成像的分辨率较高，但其计算量较大且由于其逆问题存在非线性和病态性等的种种困难而进展缓慢。


技术实现要素：

5.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种乳腺肿瘤检测装置和方法，具有无辐射、灵敏度高、检测速度快和成本低等的特点，和传统装置相比具有小型化、便携和成本低的优点。
6.本发明提出的一种乳腺肿瘤检测装置，包括信号发生器、天线开关、天线阵列和iq混频器，其中一个信号发生器通过天线开关与天线阵列中的一个天线连接，天线阵列中的其他天线分别与假体、iq混频器的输入端连接，另一个信号发生器的输出端与iq混频器的输入端连接，天线阵列靠近假体设置，iq混频器输出检测结果。
7.进一步地，所述天线阵列包括多个分别与天线开关连接的单极天线，多个单极天线围成圆柱体放置于装有耦合液的盒体中，假体悬浮于圆柱体中、并没入耦合液设置。
8.进一步地，所述天线开关为单刀n掷开关，天线开关的动端与信号发生器的输出端连接、n个不动端分别n个单极天线连接。
9.进一步地，所述耦合液为不同比例的甘油和水的混合液，所述假体包括有机玻璃制成的柱体，柱体中填充有液体。
10.进一步地，两个信号发生器通过参考源锁，假体通过夹持机构悬浮于耦合液中。
11.一种乳腺肿瘤检测方法，包括：
12.iq混频器接收一个信号发生器发射的射频源，接收另一个信号发生器发射的本振
源，其中射频源为与信号发生器连接的天线阵列接收假体反射的微波信号，本振源为信号发生器发射的微波信号；
13.iq混频器将射频源和本振源混频，输出得到假体中不同位置对应的振幅值a
rf
，对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，得到乳腺肿瘤检测结果。
14.进一步地，在iq混频器接收一个信号发生器发射的射频源中，包括：
15.选择n个单极天线中一个作为发射天线，剩下的n-1个单极天线作为接收天线，发射天线通过天线开关与信号发生器连接；
16.发射天线发射微波信号，接收天线接收假体所反射的微波信号，并将接收到的散射场数据发送到iq混频器中；
17.依次选择n个单极天线中下一个作为发射天线，剩下的n-1个单极天线作为接收天线，循环上述步骤，将微波信号发送到iq混频器中。
18.进一步地，在iq混频器将射频源和本振源混频，输出得到假体中不同位置对应的振幅值a
rf
，对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，得到乳腺肿瘤检测结果中，具体包括：
19.iq混频器将接收到的射频源分成两路射频信号，将本振源分解为两个振幅相等、频率相同且相位相差90度的本振信号；
20.iq混频器将所述两路射频信号分别与所述两个本振信号进行混频，输出iq采样数据；
21.对iq采样数据进行变频处理，输出中频信号if的振幅；
22.根据中频信号if的振幅计算得到接收天线处微波信号的振幅值，所述振幅值作为假体中不同位置对应的振幅值a
rf
；
23.对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，当存在振幅值a
rf
与其他位置有明显不同时，输出该振幅值对应的假体中的位置，该位置作为假体中肿瘤所在位置。
24.进一步地，在根据中频信号if的振幅计算得到接收天线处微波信号的振幅值中，接收天线处微波信号的振幅值a
rf
具体计算公式如下：
[0025][0026]
其中，alo表示本振信号的振幅值，i和q分别表示混频器的同相端(in-phase,i)和正交端(quadrature,q)输出的含有接收天线处的微波信号。
[0027]
本发明提供的一种乳腺肿瘤检测装置和方法的优点在于：本发明结构中提供的一种乳腺肿瘤检测装置和方法，具有无辐射、灵敏度高、检测速度快和成本低等的特点，通过使用集成度高和小型化的信号源(本振源和射频源)，使其本装置和传统装置相比具有小型化、便携和成本低的优点，这些特点也为后面的微波断层成像和临床应用的研究提供了便利。
附图说明
[0028]
图1为本发明的结构示意图；
[0029]
图2为乳腺肿瘤检测装置的结构示意图；
[0030]
图3为图2的剖面示意图；
[0031]
图4为乳腺肿瘤检测方法的流程示意图；
[0032]
图5为iq混频器的解调原理图；
[0033]
图6为iq混频器输出信号i和q的关系图；
[0034]
其中，1-信号发生器，2-天线开关，3-天线阵列，4-iq混频器，5-假体，6-盒子，7-肿瘤。
具体实施方式
[0035]
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0036]
如图1至6所示，本发明提出的一种乳腺肿瘤检测装置，包括信号发生器1、天线开关2、天线阵列3和iq混频器4，其中一个信号发生器1通过天线开关2与天线阵列3中的一个天线连接，天线阵列3中的其他天线分别与假体5、iq混频器4的输入端连接，另一个信号发生器1的输出端与iq混频器4的输入端连接，天线阵列3靠近假体5设置，iq混频器4输出检测结果。
[0037]
和传统的临床上乳腺肿瘤检测方法相比较，利用正常组织与肿瘤组织间5-10的倍介电常数差异，微波在不同介电常数中存在不同信号走向，使得iq混频器4输出肿瘤组织的检测波纹振幅值具有明显的不同，因而可以根据该装置准确的检测肿瘤位置。
[0038]
该肿瘤检测装置具有无辐射、灵敏度高、检测速度快和成本低等的特点。通过使用集成度高和小型化的信号源(本振源和射频源)，使其本装置和传统装置相比具有小型化、便携和成本低的优点，这些特点也为后面的微波断层成像和临床应用的研究提供了便利。
[0039]
其中信号发生器选用微波信号发生器，其频率可达20ghz，功率范围从-35dbm到+15dbm，微波信号发生器使用usb来进行供电。其中一个微波信号发生器作为rf(radio frequency，射频)源，使用sma端口和天线开关相连来选择天线阵列中的天线以发射微波信号。另一个微波信号发生器作为lo(local oscillator，本振)源，两个微波源之间通过参考源连接来进行锁相。
[0040]
在本实施例中，天线阵列3包括多个分别与天线开关2连接的单极天线，多个单极天线围成圆柱体放置于装有耦合液的盒体6中，肿瘤7设置于假体5中，模拟正常状态下，乳腺肿瘤设置于正常组织液中，假体5悬浮于盒体6中、并没入耦合液设置，可以设置假体5设置于天线阵列3围成的圆柱体中间，使得每个单极天线与假体5的相对位置一致，更贴近于真实情况，其中耦合液为不同比例的甘油和水的混合液。
[0041]
将天线阵列3与假体5放置在同一耦合液中，使得微波信号可以在同一介电常数的介质中进行反射、折射，使得进入假体5中的微波信号是一致的，提高了最终接受天线接收到的微波信号的准确性和稳定性，解决了微波信号在不同介电常数的介质中进行不同反射、折射时，进入假体中的微波信号各不相同时，造成接收天线接收到的微波信号不准确且不稳定，使得最终混频输出结果不准确。
[0042]
天线阵列3采用多个单极天线围成一个圆形均匀放置在检测区域中心。在实验中一个单极天线直接和信号发生器相连接来发射微波信号，剩下的单体天线接收穿过假体5后的信号，所有单体天线通过天线开关3控制轮流发射和接收来获得穿过假体5的微波信
号。天线开关2的频率最高可达16ghz，通过sma接头连接同轴电缆线和对应的发射天线或者接收天线相连接。
[0043]
其中假体5采用有机玻璃制成的柱体和内部填充液体作为假体。甘油无毒无菌且易溶于水，因此使用不同比例的甘油和水的混合液可产生不同电特性值从而可以代表不同组织，另外在假体5中还可以设置一个玻璃制成的柱体，该柱体悬浮于假体中作为肿瘤，根据肿瘤组织和正常组织的电特性差异较大，肿瘤组织的相对介电常数为正常组织的5～10倍，因而肿瘤组织和假体5中的其他组织对发射光线的反射特性是不同的，因而接收天线接收到的微波信号自然也是不同的，所以最终iq混频器输出的结果可以作为评价假体5中是否有肿瘤的依据，且该检测结果检查时间短且准确率高。
[0044]
如图2所示，一种乳腺肿瘤检测方法，其特征在于，包括步骤s1至s2：
[0045]
s1：iq混频器4接收一个信号发生器1发射的射频源，接收另一个信号发生器1发射的本振源，其中射频源为与信号发生器1连接的天线阵列3接收假体5反射的微波信号，本振源为信号发生器1发射的微波信号；
[0046]
两个信号发生器通过参考源进行锁相，使得两个信号发生器的相位同步。
[0047]
s2：iq混频器4将射频源和本振源混频，输出得到假体5中不同位置对应的振幅值a
rf
，对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，得到乳腺肿瘤检测结果。
[0048]
通过步骤s1至s2，采用一个高频大信号本振输入(本振源)和一个高频小信号射频输入(射频源)，通过iq混频器4混频产生一个低频i和q两路输出信号，如图4所示，通过分析接收到的i和q两路信号可以得到接收天线处的振幅信息，从而可以用微波来进行乳腺肿瘤的检测，提高了肿瘤检测的灵敏度和准确度。
[0049]
如图4至6所示，步骤s2：iq混频器4将射频源和本振源混频，输出得到假体5中不同位置对应的振幅值a
rf
，对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，得到乳腺肿瘤检测结果中，具体包括：
[0050]
s21：iq混频器4将接收到的射频源分成两路射频信号，将本振源分解为两个振幅相等、频率相同且相位相差90度的本振信号；
[0051]
s22：iq混频器4将所述两路射频信号分别与所述两个本振信号进行混频，输出iq采样数据；
[0052]
s23：对iq采样数据进行变频处理，输出中频信号if的振幅；
[0053]
s24：根据中频信号if的振幅计算得到接收天线处微波信号的振幅值，所述振幅值作为假体5中不同位置对应的振幅值a
rf
；
[0054]
s25：对不同位置的振幅值a
rf
进行比较，当存在振幅值a
rf
与其他位置有明显不同时，输出该振幅值对应的假体5中的位置，该位置作为假体5中肿瘤所在位置。
[0055]
根据步骤s21至s25，利用波源在不同介电常数的组织中的差异不同，可以高灵敏度的检测假体5中是否有肿瘤以及肿瘤的大致位置。
[0056]
具体地，rf源(射频源)为高频小信号，lo源(本振源)为高频大信号，通过iq混频器4混频产生一个低频i和q两路输出信号；i和q两路信号的频率相同，振幅相同相位相差90
°
，使用i和q两路信号有大的动态范围和精度，采样率低抗干扰能力强，在信号采集存储和数字信号处理具有一定的优势，通过对接收天线接收到的信息进行分析计算即可以得到其振幅信息，具体计算过程如下：
[0057]
假设iq解调的rf源和lo源输入信号分别为：
[0058][0059][0060]
其中lo信号可以分解为两个振幅相等、频率相同且相位相差90
°
的信号，所以混频后得到的iq信号可以表示为：
[0061][0062][0063]
iq信号再通过下变频可以得到：
[0064][0065][0066]
所以输出中频信号if的振幅可表示为：
[0067][0068]
即
[0069]
其中，a
rf
表示接收天线处微波信号的振幅值，a
lo
表示本振信号的振幅值，i和q分别表示混频器的同相端(in-phase,i)和正交端(quadrature,q)输出的含有接收天线处的微波信号，i＝yi(t)，和q＝yq(t)，i和q的里中频信号振幅为
[0070]
所以当iq混频器4输入lo源的功率已知时，可以得到其振幅a
lo
，再由采集到的iq信号就可以得到接收天线处信号的振幅值a
rf
，接收天线接收到的信号数据也是后面微波断层成像和临床应用研究所需要的。
[0071]
在步骤s1：iq混频器4接收一个信号发生器1发射的射频源中，具体包括步骤s11至s13：
[0072]
s11：选择n个单极天线中一个作为发射天线，剩下的n-1个单极天线作为接收天线，发射天线通过天线开关2与信号发生器1连接；
[0073]
s12：发射天线发射微波信号，接收天线接收假体5所反射的微波信号，并将接收到的散射场数据发送到iq混频器4中；
[0074]
s13：依次选择n个单极天线中下一个作为发射天线，剩下的n-1个单极天线作为接收天线，循环上述步骤，将微波信号发送到iq混频器4中。
[0075]
通过以上步骤s11至s13，n个单体天线均分别作为发射天线，其他天线作为接收天线进行微波信号传输，通过得到的多个数据比较可以较为准确的得出是否有肿瘤，以及肿瘤的大概位置，提高了检测准确性，避免了通过单一少量数据得出的检测结果所存在的偶然性以及数据不稳定性带来的结果不准确的缺陷。
[0076]
其中，天线开关2为单刀n掷开关，天线开关2的动端与信号发生器1的输出端连接、n个不动端分别n个单极天线连接。例如当n等于12时，天线阵列3中有12个单体天线，选择其中一个单体天线作为发射天线，该发射天线与信号发生器连接以发射微波信号，剩下11个单体天线作为接受天线，接收假体5反射发射天线所发射的微波信号，并依次将11个接收到的微波信号发送到iq混频器4中与本振源进行混频，以输出11个微波信号对应的振幅值，然后选择另一个单体天线作为发射天线，其他11个单体天线作为接收天线，此时天线开关2的开关转到另一个不动端，以使得该作为发射天线的单体天线与信号发生器连接，循环以上操作，iq混频器4得到当前接收天线发送的11个微波信号，然后输出11个微波信号对应的振幅值，依次选择下一个单体天线作为发射天线，循环上述操作，直至12个单体天线均作为发射天线完成上述过程，同时iq混频器4同步输出每个微波信号对应的振幅值，以此判断哪个微波信号的振幅值异常，则靠近该微波信号对应单体天线的假体5中存在肿瘤，因而不仅实现了对肿瘤的检测，也对肿瘤的位置也进行了一定程度的限定。
[0077]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。