一种基于多频热声成像联合特征提取的组织鉴别方法

本发明属于微波热声成像领域和光声成像领域，包含一个系统及不同组织含量计算方法，尤其涉及一种基于多频热声成像联合特征提取的组织鉴别方法。

背景技术：

1、医学影像在临床诊断领域起着至关重要的作用。微波热声成像系统是一种结合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率优点的非侵入性生物医学成像方法。微波热声成像技术的原理可以总结如下：首先，利用脉冲微波作为激励源辐射生物组织。其次，生物组织吸收微波能量，然后膨胀，产生机械波(或热声信号)，热声信号向外辐射。接收到信号后，探头对信号进行放大。采集卡采集信号。最后，利用相关算法对图像进行重构。根据电磁脉冲的类型，微波热声成像一般分为光声成像和微波诱导热声成像。两者都可以实现高分辨率和高对比度成像。然而，由于光声成像中光声激励源频率较高，与光声成像相关的方法通常集中于浅表组织。另一方面，微波热声成像技术在检测深部组织方面具有潜在的优势，引起了许多研究者的关注。微波热声成像技术不断发展，应用领域研究不断扩展，在临床和应用中展示了广阔的前景与独特的价值。

2、然而，在传统的微波热声成像技术中，主要依赖于单频微波激励以实现成像。尽管对于那些对微波吸收能力较强的组织，其成像效果相对显著，但对于微波吸收性能较弱的生物组织，则呈现出不甚明显的显像特征。这种微波吸收减弱现象可能源于两个主要原因：一是组织本身的微波吸收系数较低；二是组织结构尺寸过小，以至于小于探测器所采用的层析投影厚度，进而导致整个组织在微波作用下的整体吸收效应减弱，并受到周围较大尺寸组织的影响，最终使得成像质量欠佳。

3、传统的单频微波热声成像技术已经在一定程度上实现了对特定生物组织结构的可视化，但由于其局限性，在面对微波吸收特性各异的不同组织时，特别是对于那些微波吸收较弱或者存在多种组织混合的情况，如脂肪、肌肉和血管等，单频激励下的图像分辨率和定量分析能力明显受限。现有的技术难以准确区分和量化这些不同组织成分的相对含量，从而限制了该技术在临床诊断和科研中的深入应用。

4、2023年，迟子惠等人(中国科学:技术科学，2024，54(2):333～350)提出了双频微波热声成像方法及应用研究，该方法通过使用两个不同中心频率的短脉宽微波激励组织，并结合能量校准和加权相减的技术手段，有效地减少了骨骼对成像质量的影响。这项技术提高了对含骨骼复杂结构生物组织的成像能力，有助于传统的基于单频率激励的微波热声成像技术的发展。然而，这一技术的主要贡献在于改善骨骼区域的成像质量，并未涉及对不同组织成分及其含量的鉴别。目前尚缺乏相关研究，无法通过恰当的数据处理方法对双频微波热声成像的数据进行分析，实现对不同组织成分及其含量的鉴别。总之，现有技术虽然在某些方面有所改进，但仍存在诸多不足，特别是在多组织成分鉴别和含量分析方面亟需突破。

技术实现思路

1、为克服现有技术中单频微波热声成像在组织成分鉴别及含量评估上的局限性，本发明提供了一种多频热声成像联合特征提取方法，旨在实现对不同组织成分及精确含量的高效鉴别。该方法紧密结合临床实际需求，通过多频激励机制对不同组织成分及含量进行评估，验证了微波热声在评估不同组织中含量的准确性，验证了微波热声评估组织含量的可行性和稳定性，提升了对多种组织成分检测的灵敏度和可靠性。

2、一种多频热声成像系统，包括：

3、图像采集系统，被配置为，采集至少两种频率激励下样本的热声信号，通过成像算法重建单频热声图像，通过融合算法得到多频热声图像；

4、图像分析模块，被配置为，通过至少两种频率激励下的组织热声信号计算样本中不同组织的含量。

5、优选的，所述组织选自脂肪、肌肉或血管。

6、优选的，所述多频热声图像为双频热声图像，组织含量的计算公式为：

7、

8、其中，f和m指样本中两种不同的组织，ta_f为组织f在样本中的比例，cf和cm分别是两种组织的含量，σm1和σm2为组织m在频率f1和f2下的电导率，σf1和σf2为组织f在频率f1和f2下的电导率，e1和e2为在频率f1和f2下的电场强度，γf和γm分别为组织f和组织m的gruneisen参数，a1和a2分别为在频率f1和f2下的热声信号强度信息。

9、优选的，所述至少两种频率是微波中心频率不同而其他参数相同的至少两种频率，所述其他参数包括脉冲宽度、脉冲功率和脉冲重复频率。

10、优选的，所述成像算法选自反投影算法、延迟和叠加算法、滤波后反投影算法、时间反转算法或压缩感知。

11、优选的，所述融合算法通过单频热声数据或图像得到多频热声图像，具体包括：对多组单频热声图像进行融合或直接对多组单频热声数据进行融合，所述融合采用差分融合，初始融合权重因子由理论微波吸收系数确定，得到多频热声图像后对于需要突出显示的组织区域进行平滑度和聚焦强度判断，若组织平滑且聚焦则直接输出融合后得到的多频热声图像并伴随几组单频图像，若组织不平滑且不聚焦，则调整权重因子直至组织平滑且聚焦后，输出一组多频热声图像并伴随多组单频热声图像。

12、优选的，所述图像采集系统包括：多频微波源、同轴线、天线、超声换能器、放大器和多通道数据采集卡及计算机，

13、其中，所述多频微波源用于产生不同频率的脉冲微波，经由同轴线缆传输至天线，将微波辐射至被测样本，被测样本吸收微波能量产生超声波即热声信号，不同频率微波激励下的热声信号分别由超声换能器探测，被探测的信号经由放大器进行放大，放大后的信号被多通道数据采集卡采集，从而得到不同频率激励下的热声数据，整个流程由计算机控制，根据时域信息与空间位置的关系利用成像算法进行单频热声图像重建，然后对单频热声数据或图像利用融合算法得到多频热声图像，所述多频微波热声成像中的频率指的是微波中心频率，单频热声图像用于分析单频微波能量吸收较强的生物组织，选择单频图像中感兴趣的区域来计算不同组织成分的含量，多频热声图像用于突出显示单频微波能量吸收较弱而随频率变化微波能量吸收变化较大的组织和检测相应病变。

14、优选的，所述多频微波源产生的不同频率的脉冲微波由同一个可变频率微波源产生，或由多个单频率微波源产生；所述不同频率的脉冲微波需保持脉冲宽度和峰值功率一致；或所述多频微波源具有功率监测实时反馈功能；

15、和/或，所述天线是一个覆盖多频范围或针对多个所需辐射频率点的非频变天线；或，所述天线是一个覆盖多频范围的宽频带天线；所述天线需保证用于进行激励成像的多个频率点的场分布保持一致；经场分布一致的天线激励被测样本；

16、和/或，所述超声换能器、放大器、多通道数据采集卡构成热声信号采集模块，在进行多频率微波激励切换时，超声换能器、放大器、多通道数据采集卡与天线和被测生物组织均保持不动；

17、和/或，所述多频微波源与天线构成微波激励模块，其中所述多频微波源由多个可输出相同脉冲宽度、相同重复频率、相同功率和不同频率的独立微波源组成，或所述多频微波源是一个可变频率但保证其它脉冲微波参数不变的微波源，所述其它脉冲微波参数包括脉冲宽度、脉冲功率和脉冲重复频率。

18、本发明还提供一种基于上述系统的多频微波热声成像方法，包括以下步骤：

19、步骤1：所述多频为双频时，对于单频微波激励下微波吸收较弱的生物组织，选取理论微波吸收系数变化较大而周围组织微波吸收系数变化较小的频率范围，选取此频率范围的两个边界频点，作为进行双频微波热声成像的两个激励频率点；

20、步骤2：开启设备，并设置参数进行初始化；

21、步骤3：将待测样本放置到耦合液中；

22、步骤4：利用计算机触发多频微波源产生一种中心频率的脉冲微波，并触发数据采集卡开始工作：一种中心频率的脉冲微波经天线辐射至待测生物组织，组织基于热声效应产生热声信号，热声信号被超声探测器探测，经超声探测器转换为电信号被数据采集卡采集，进而被储存在计算机中并进行单频热声图像重建处理；

23、步骤5：维持所有实验条件不变；

24、步骤6：利用计算机触发多频微波源产生另一种中心频率的脉冲微波，并触发数据采集卡开始工作：另一种中心频率的脉冲微波脉冲经天线辐射至待测生物组织，组织基于热声效应产生超声波即热声信号，热声信号被超声探测器探测，经超声探测器转换为电信号被数据采集卡采集，进而被储存在计算机中并进行单频热声图像重建处理，即此单频激励的热声成像完成；根据实际需要可以产生两个以上频率微波进行热声信号激发；

25、步骤7：利用融合算法对已经完成的单频热声图像进行后处理，或直接对储存在计算机种的单频热声数据进行处理；

26、步骤8：导出图像，其中单频热声图像用以分析单频微波能量吸收较强的生物组织和检测相应病变，而多频热声图像用于突出显示单频微波能量吸收较弱而随频率变化微波能量吸收变化较大的组织和检测相应病变。

27、本发明还提供一种基于上述系统实现组织含量计算的方法，包括以下步骤：

28、步骤a：采集对微波中心频率变化不敏感的参照物在各个激励频率下的电场强度，作为多频微波热声信号的归一化基数；

29、步骤b：采集多个单频热声图像；

30、步骤c：计算单频热声图像的归一化电场强度；

31、步骤d：从单频热声图像中提取组织特征，获得感兴趣组织所在的区域。

32、步骤e：根据选择的感兴趣组织所在的区域，计算不同组织的含量。

33、本发明的技术方案如下：这种多频微波热声成像技术评估不同组织含量的方法，其包括以下步骤：

34、1.系统构建：设计和构建一种多频微波热声成像系统，该系统包括多频微波源、天线、超声换能器、放大器和多路复用器、多通道数据采集卡以及计算机控制系统。

35、2.微波产生与传输：多频微波源生成一系列不同中心频率且具有脉冲的微波信号，这些信号按顺序通过同轴线传送到天线。

36、3.微波辐射与热声信号生成：天线将接收到的不同频率微波辐射至被测生物组织中，组织吸收微波能量后转化为超声波信号，即为热声信号。

37、4.热声信号检测与放大：阵列超声探测器依次捕获在不同频率激励下产生的热声信号，并将其送入阵列放大电路进行信号增强处理。

38、5.信号采集与记录：放大后的热声信号由多通道数据采集卡实时采集并存储，形成多组不同频率下的热声数据集。

39、6.图像重建：根据热声信号的时间域信息与空域位置关系，运用反投影算法、时间反转算法或压缩感知等成像算法对每一组单频热声数据进行图像重建，生成多个单频热声图像。

40、7.图像融合与分析：对得到的各单频热声图像采用融合算法进行整合处理，获得高分辨率和高对比度的多频热声图像。

41、8.组织含量计算：

42、①归一化电场强度计算：依据各频率下的热声信号特征，首先在单频图像上计算出不同频率下的归一化电场强度。

43、②特征提取：从单频热声图像中提取组织特征，具体包括：

44、边缘检测：用于识别组织边界，确保边缘轮廓清晰。

45、纹理分析：用于评估组织内部的均匀性和结构特征。

46、形态学处理：用于去除噪声和增强图像中的重要细节。

47、统计分析：用于量化特征参数，如平均灰度值、标准偏差等。

48、③组织含量计算：分别选择单频热声图像中感兴趣的组织所在的区域，提取该区域内的特征参数，并计算脂肪含量，基于特征参数计算脂肪组织的含量，并将结果与实际情况中的脂肪含量进行比对验证。

49、9.病变及组织特征识别：根据量化的不同组织成分的含量分析相关病变；同时，通过比较多频融合图像，突出显示那些随频率变化而引起微波能量吸收显著改变的组织区域及相应的病理状态。

50、本发明的主要优点与创新性效果在于利用多频微波热声成像技术，根据生物组织对不同频率微波能量吸收的差异性规律，通过精心选取多个具有显著吸收差异性的频率范围作为激励源。具体而言，在单频激励下表现微波吸收较弱、但在特定频率范围内其吸收系数变化较大的组织类型，我们设计系统以这些频率区间的边界频率点作为多频激励的核心参数。

51、在实验操作中，系统采用一系列不同频率的脉冲微波信号依次对被测生物组织进行激励。每个频率下的组织产生的热声信号由超声换能器探测，并经放大器增强后传输给数据采集卡，在计算机上实时成像。针对每一个选定频率，重建对应的单频热声图像，融合成多频热声图像。

52、其中，每组单频图像用于深入分析在该频率下微波能量吸收较强的生物组织及其相关的病变；将所有单频热声图像经多频融合算法整合，则可获得高对比度的多频热声图像，该图像能够显著突出显示那些在单一频率下由于微波吸收较弱，但随频率变化吸收特性有较大波动的组织结构及其潜在病变。

53、此外，本发明还实现了计算和定量评估生物组织成分含量的功能。通过对多个单频热声成像数据的分析，可以精确测定样本内不同组织成分(如脂肪、肌肉、血管等)的含量，增强了对于复杂生物组织内部结构及功能状态的检测能力。

54、综上所述，相较于传统的单频热声成像技术，本发明所提出的多频微波热声成像系统在揭示微波吸收较弱但频率依赖性强的组织结构特征以及实现组织成分量化方面展现出卓越性能，极大地提升了成像质量和病变识别率。