微波热声内窥显微成像系统及方法

本发明属于微波热声成像，涉及微波热声内窥显微方法及系统，具体涉及三种微波热声内窥显微镜。

背景技术：

1、医学影像是指为了医疗或医学研究，对人体或人体某部分，以侵入或非侵入方式取得内部组织影像的技术与处理过程。它可以通过多种检查手段，获得多方位的全面的病变信息，对病变的定位、定性、定量起着至关重要的作用，为临床疾病诊断提供强有力的证据支持，从而指导临床疾病的治疗方案制定，并可以对临床疾病治疗后的疗效进行评估，能有效地协助临床解决诊疗难题。此外，通过定期的影像体查，可以发现早期病变，对病变进行早期判断，防微杜渐。近年来，随着电子学和计算机等高新技术的不断发展，新型影像方法也在不断涌现，朝着多模态、三维成像等方向前行。

2、在各种新兴成像模式中，微波热声成像以兼具了微波成像技术的高对比度和深穿透深度，以及超声成像技术的高分辨率的优点成为前景广阔的新型医学成像方法之一。近年来，随着微波源以及超声硬件的不断发展，该技术已在多个成像领域得以使用，如乳腺癌检测、甲状腺检测、脑成像、骨成像等，展现出其用于预临床或临床的潜力。

3、然而，传统微波热声成像技术分辨率被限制在毫米或者亚毫米量级。为了提升分辨率，电子科技大学的相关团队提出并搭建了微波热声显微成像系统并将其用于植物叶片的水分检测，该系统利用偶极子天线辐射微波以及点聚焦超声换能器探测信号，一定程度上提升了分辨率，但受限于系统体积原因，难以用于内窥成像。而目前，对于微波热声内窥成像技术鲜有报道。其中，电子科技大学的相关团队提出并搭建了微波热声内窥成像系统并进行了活体大鼠实验，该系统通过体外的全向偶极子天线对生物组织进行辐射，再通过内窥镜中超声换能器进行信号探测，而当微波到达待成像生物组织时，能量衰减较大，影响信号强度从而影响所得图像的信噪比。华南师范大学相关小组提出了利用单极子套筒天线内置于内窥镜中进行成像，但该方法内窥镜中的天线设置位置与超声换能器相距过近，导致天线辐射的微波会对换能器的信号探测产生影响。此外，上述微波热声内窥成像系统的分辨率依旧限制于毫米或亚毫米量级。因此为了克服当前微波热声显微成像或者内窥成像的不足，本发明提出不同天线结合不同点聚焦超声换能器的三种微波热声内窥显微镜。

4、本发明人之前的一个专利，一种微波热声显微成像系统及方法，属于微波热声成像领域。利用短脉宽微波聚焦辐射待成像生物组织，组织吸收微波能量产生超声波即热声信号，利用点聚焦超声探测器反射式扫描接收热声信号，信号经放大后被数据采集卡采集用于图像重建。接收热声信号过程中，采用短脉宽微波聚焦并使其跟随超声探测器同步移动进行反射式扫描，使得探测点附近的热声信号强而远离探测点范围的热声信号弱从而提高信噪比，使得成像平面微波场均匀分布从而缓解传统热声成像微波场分布不均匀带来的图像对比度恶化，不限制扫描部位。按照本发明成像方法构建的微波热声显微成像系统信噪比高，对比度高，分辨率高，不限制扫描部位，从而实现高成像质量。

5、该专利所描述系统受限于本身体积原因，难以进行进入人体消化道、肠道等部位，难以对这些部位进行精准成像，而本专利针对该系统难以进行内窥成像的限制，设计了3种内窥镜，利用带增益的定向喇叭天线、微带偶极子天线以及开放式同轴微波探针实现了内窥显微成像。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种微波热声内窥显微成像系统及方法。本发明的技术方案如下：

2、一种微波热声内窥显微成像系统，其包括：微波输入、带有增益的喇叭天线、电机、内窥镜、传动杆、点聚焦超声换能器、液体柱，其中所述微波输入通过带有增益的喇叭天线辐照生物组织，微波穿透皮肤以及其他组织到达肠道，激发的热声信号通过内窥镜中的点聚焦超声探测器探测后输出信号，内窥镜内部结构使用外壳包裹，利用电机控制传动杆带动点聚焦超声换能器进行多断层的360°数据探测，被探测的信号经数据采集卡采集，存储至计算端进行处理和图像重建；同时点聚焦超声能器前封有一小段液体柱，传动杆使用筒套包裹。

3、进一步的，所述微波输入采用在保证微波穿透深度的情况下可激励出高频热声信号的短脉宽微波，并采用相应的高频点聚焦换能器进行信号探测；

4、进一步的，所述的带增益的定向喇叭天线，相较于全向天线，辐射的微波具备更强的穿透性。

5、进一步的，所述点聚焦超声换能器采用olympus um-dg20-31r或olympus um-bs20-26r，液体柱采用去离子水柱，由于去离子水柱对超声波透明且对微波高衰减，因此用于减少微波对信号采集的干扰。

6、一种微波热声内窥显微成像系统，其包括：微波输入、微带偶极子天线、电机、内窥镜、传动杆、点聚焦超声换能器、液体柱，其中，所述微波输入到内嵌于内窥镜中的微带偶极子天线中辐射待成像生物组织，激发的热声信号通过点聚焦超声换能器探测，点聚焦超声换能器包裹在外壳中，电机控制筒套包裹的传动杆带动点聚焦超声换能器以及微带偶极子天线进行多断层的360°数据探测；同时点聚焦超声换能器前封有一小段液体柱。

7、进一步的，所述微带偶极子天线内置于内窥镜中，微波无需穿透非成像生物组织，这种设置可保证微波的穿透深度；采用超短微波脉宽配合高频点聚焦超声探测以实现μm级的成像分辨率。

8、进一步的，所述点聚焦超声换能器以及小型微带偶极子天线共同旋转，用于一定程度上增强成像层面场分布的均匀性。

9、一种微波热声内窥显微成像系统，其包括：微波输入、开放式同轴微波探针、电机、内窥镜、传动杆、中空点聚焦超声换能器、液体柱，微波输入到内嵌于内窥镜中的开放式同轴微波探针中辐射待成像生物组织，激发的热声信号通过中空点聚焦超声换能器探测，中空点聚焦超声换能器的结构包裹在外壳中，开放式同轴微波探针从中空点聚焦超声换能器的中间穿出并由电机控制的传动杆实现共聚焦的多断层的360°探测。

10、进一步的，所述开放式同轴微波探针辐射生物组织，开放式同轴微波探针能将微波能量聚焦到它针尖上的焦点，开放式同轴微波探针的尺寸有数十个微米，可直接内置于内窥镜中；

11、所述中空点聚焦超声换能器，代表中间挖空的点聚焦换能器，这方便开放式同轴微波探针从其中间穿出，中空点聚焦超声换能器的焦点与开放式同轴微波探针的焦点相重合，实现共聚焦。

12、进一步的，电机带动换能器以及开放式同轴微波探针共同旋转实现进行360°信号探测，这种结构能够产生均匀的场分布，从而缓解由于场分布不均产生的图像对比度恶化现象。

13、本发明的优点及有益效果如下：

14、本发明旨在缓解当前微波热声显微成像和微波热声内窥成像的不足，提出以不同天线结合不同点聚焦超声探测器的微波热声内窥显微成像方法，基于该方法构建的三种微波热声内窥显微镜体积较小可以进入肠道、消化道等进行内窥成像，实现显微层次的高分辨率内窥检测。

15、本发明结合了微波脉宽与穿透深度以及分辨率的关系，使用了超短脉宽微波实现显微成像，同时利用了内窥镜以及带增益的定向喇叭天线和微型天线实现了整体结构的缩小，可以进入肠道、消化道等区域进行内窥成像。

16、首先本发明利用带增益的定向喇叭天线缓解了由于使用短脉宽微波的穿透深度问题，相较于全向天线可使用更窄脉宽，从而保证穿透深度情况下实现分辨率更高。其次采用了微带偶极子天线内嵌于内窥镜中使得微波不用穿透非成像生物组织，从而可以使用更短的微波脉宽用于提升分辨率，并且通过天线以及换能器的共同旋转一定程度上缓解由于场分布不均带来的图像恶化。最后采用了开放式同轴微波探针与中空点聚焦超声换能器相结合，使开放式同轴微波探针的焦点与中空点聚焦超声换能器的焦点重合，实现了共聚焦的结构，这使得微波几乎不辐射非成像区域，极大程度上缓解了环境噪声对信号的影响，提升了图像的信噪比；同时还提高了成像平面的场均匀度，提升了图像的对比度；且分辨率可比前两种结构更高。