一種多模態微波掃描成像裝置的製造方法
2023-06-25 12:10:21
專利名稱:一種多模態微波掃描成像裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多模態微波掃描成像裝置，微波信號發生單元發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，微波信號天線單元發射微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元接收微波寬帶脈衝回波信號和微波單頻回波信號，所述雷達成像單元根據微波寬帶脈衝回波信號生成雷達探測圖像，所述斷層掃描成像單元根據微波單頻回波信號生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單元將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合輸出。本實用新型中將這兩種技術成功融合，構成一套多模微波乳腺成像系統，達到成像優劣互補的目的。
【專利說明】
一種多模態微波掃描成像裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種微波圖像掃描裝置，尤其涉及一種用於微波成像圖像融合的 掃描裝置。
【背景技術】
[0002] 在醫療檢測過程中，通常包括X光攝片、彩超、磁共振以及組織學檢測。X光攝片分 辨率高，但伴隨著電離輻射，不適應於病人的普查。彩超檢測無放射性損害，但是對部分癌 症病患、鈣化點和毛刺楊結構不能顯示，且受檢查醫師經驗影響大。磁共振費用高，成像時 間久，而組織學檢查亦需精確定位，如鉬靶引導入針、彩超引導入針等。因此，當前的這些檢 測手段並不適用於大規模的癌症病患篩查，尤其是針對中國廣大的農村地區，醫療設施和 普及非常不平衡的條件下，而微波成像的臨床檢測具有無電離輻射、造價低、效果和X光相 當、可長期監測特點，能夠成為我過大規模篩查的重要工具。
[0003] 在微波成像技術中，微波天線的掃描技術具有重要作用，尤其針對乳房成像，是針 對部分區域，同時又具有一定形狀，微波天線的形狀和掃描方式對乳房成像具有重要作用。 現有技術並不具有專門針對乳房的微波掃描裝置和方法，成像效果受到極大影響。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型解決的技術問題是:構建一種多模態微波掃描成像裝置，克服現有技 術並不具有專門針對乳房的微波掃描裝置和方法，成像效果受到極大影響的技術問題。
[0005] 本實用新型的技術方案是：提供一種一種多模態微波掃描成像裝置，包括微波信 號發生單元、微波信號天線單元、微波信號處理單元、雷達成像單元、斷層掃描成像單元、圖 像輸出單元，微波信號發生單元發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天 線單元以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，微波信號 天線單元發射微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元接收微波寬帶脈 衝回波信號和微波單頻回波信號，所述雷達成像單元根據微波寬帶脈衝回波信號生成雷達 探測圖像，所述斷層掃描成像單元根據微波單頻回波信號生成斷層掃描圖像，所述圖像輸 出單元將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合輸出。
[0006] 本實用新型的進一步技術方案是:所述微波信號天線單元包括微波發射天線和微 波接收天線。
[0007] 本實用新型的進一步技術方案是:所述微波發射天線和所述微波接收天線為同一 微波天線，所述微波發射天線和所述微波接收天線交替工作。
[0008] 本實用新型的進一步技術方案是:所述微波信號發生單元為多個，分別發生微波 寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號。
[0009] 本實用新型的進一步技術方案是:所述微波信號發生單元為一個，交替發生微波 寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號。
[0010] 本實用新型的進一步技術方案是:所述微波信號天線單元繞立體待測區域旋轉掃 描或者微波信號天線單元相對面狀待測區域移動掃描。
[0011] 本實用新型的技術效果是：構建一種多模態微波掃描成像裝置，包括微波信號發 生單元、微波信號天線單元、微波信號處理單元、雷達成像單元、斷層掃描成像單元、圖像輸 出單元，微波信號發生單元發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單 元以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，微波信號天線 單元發射微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元接收微波寬帶脈衝回 波信號和微波單頻回波信號，所述雷達成像單元根據微波寬帶脈衝回波信號生成雷達探測 圖像，所述斷層掃描成像單元根據微波單頻回波信號生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單 元將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合輸出。本實用新型微波信號天線單元 以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，並發送和接收微 波信號，通過微波信號天線單元基於乳房形狀進行掃描，能使微波信號更好，成像更精細準 確。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0013] 圖2為本實用新型的結構圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合具體實施例，對本實用新型技術方案進一步說明。
[0015]如圖1、圖2所示，本實用新型的【具體實施方式】是:本實用新型構建一種多模態微波 掃描成像裝置，包括微波信號發生單元1、微波信號天線單元2、雷達成像單元3、斷層掃描成 像單元4、圖像輸出單元5,微波信號發生單元1發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信 號，微波信號天線單元2以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移 動掃描，微波信號天線單元2發射微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單 元2接收微波寬帶脈衝回波信號和微波單頻回波信號，所述雷達成像單元3根據微波寬帶脈 衝回波信號生成雷達探測圖像，所述斷層掃描成像單元4根據微波單頻回波信號生成斷層 掃描圖像，所述圖像輸出單元5將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合。具體實 施例中，所述圖像輸出單元5將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合輸出。具體 實施例中，所述微波信號天線單元繞立體待測區域旋轉掃描或者微波信號天線單元相對面 狀待測區域移動掃描。
[0016]具體實施過程如下:所述微波信號發生單元1通過微波信號天線單元2對待測區域 發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，所述微波信號發生單元1工作頻率範圍為1到 30GHz。所述微波信號天線單元2接收微波寬帶脈衝回波信號和微波單頻回波信號，微波信 號天線單元2以線形排列繞待測區域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，發 送和接收微波信號，接收微波寬帶脈衝回波信號，微波雷達成像原理利用合成孔徑雷達原 理，以一個小天線作為單個輻射單元，沿一直線方向不斷移動掃描，在移動中選擇若干位置 發射信號，接收相應的發射位置的回波信號，存貯接收信號的振幅和相位。通過微波信號天 線單元記錄接收到微波散射信號的時間，即可算出時延，而微波發射天線與病灶的距離固 定，故可得到微發射天線到病灶的距離，從而進行精確的成像。接收的微波單頻回波信號， 微波斷層成像方法類似於計算機斷層攝影術，是一種電磁逆散射方法，通過在散射體外部 觀測到的電磁場來反演成像區域的電磁特徵參數分布，從而判斷散射體目標的位置、形狀 和尺寸分布等信息。將接收的微波單頻回波信號，根據電磁特徵參數分布及散射體目標的 位置、形狀和尺寸分布信息生成斷層掃描圖像。所述雷達成像單元3根據微波寬帶脈衝回波 信號生成雷達探測圖像，所述斷層掃描成像單元4根據微波單頻回波信號生成斷層掃描圖 像。所述圖像輸出單元5將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像中一幅圖像的像素點映 射到另一幅圖像中，使兩幅圖像的相關像素點在空間位置上達到一致完成該兩幅圖像的融 合。
[0017] 圖像融合包括多種方法:一種方法為標記法，所述圖像輸出單元5還包括圖像標記 模塊51、圖像標記識別模塊52、圖像優化模塊53，所述圖像標記模塊51在所述雷達探測圖像 和所述斷層掃描圖像兩者中圖像的特徵點處進行標記，將所述雷達探測圖像和所述斷層掃 描圖像的圖像標記重合對所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像進行融合。所述圖像標記 識別模塊52將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像的圖像標記進行識別。所述圖像優化 模塊53對標記後的圖像進行優化。在圖像融合時，將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖 像的圖像標記進行識別，然後將識別圖像作為界標進行圖像融合。具體實施例中，在進行標 記後對圖像進行優化。圖像標記軟體設計成將圖像的特徵點識別作為圖像合成的界標。圖 像標記軟體根據所述雷達探測圖像和斷層掃描圖像對組織識別的標記、淋巴結識別的標記 以及特徵部分的標記，在坐標軸上形成重合點，完成所述雷達探測圖像和斷層掃描圖像的 融合，該方法同樣適用於其他方式組合的二維或三維圖像。還包括了對多模態微波乳房圖 像的顯示，顯示乳房的二維和三維信息，對病灶區域的標記。另一種方法為像素加權平均 法，即：將所述雷達探測圖像和所述斷層掃描圖像對應位置的圖像像素加權平均完成圖像 融合。
[0018] 以下以標記法為例：
[0019] 圖像配準
[0020] 通過使用匹配、疊加等處理手段，將多幅圖像中的同一對象保持在圖像中的同一 位置，使其具有相同的空間坐標的過程。
[0021] 在微波斷層掃描圖像與微波雷達圖像的配準中，將相對穩定的微波斷層掃描圖像 作為參考圖象I，將微波雷達圖像作為浮動圖像II，進行基於像素的最大互信息法的圖像配 準。
[0022] 剛體變換包括比例變換，在二維圖像II中，點（X1，yi)經過剛性變換到點(X2，y 2)應 用公式為：
[0023]
(1)
[0024]其中，α為旋轉角度，κ為尺度參數.
[0025]互信息相關性評估。將兩幅待配準的圖像的灰度值分別看作兩個隨機變量A和Β， 範圍0到255,邊緣概率分布分別為PA(a)和PB(b)，聯合概率分布為PAB(a，b)，則可以得到A與 B的邊緣熵和聯合熵分別為:H(A)，H(B)和H(A，B)。則有：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 當兩幅基於共同解剖結構的圖像達到最佳配準時，它們對應像素的灰度互相關信 息值I(A，B)應該達到最大。
[0030] 配準優化。剛體變換完成後，所述圖像優化模塊53進行優化，即：找到一種相似性 側度來衡量兩幅圖像的相似程度，需要不斷的變換參數α和K，使得相似側度達到最優，其中 尺度參數K變化範圍為0到1，旋轉角度範圍為0到180度。
[0031]①將α與K變換範圍集合為坐標軸的單位向量:Ci = e(i = l，2,…，N);
[0032] ②記錄初始值位置向量為Po= (aQ，K0);
[0033]③對i = l，2,…，Ν，將Ph移至目標函數Ι(Α，Β)延Ci方向的極大值位置，記下此點 Pi;
[0034]④對i = 1，2，…，N，將ci+1 賦給Ci，並置 Cn = Pn-P0 ;
[0035]⑤將Pn移至目標函數I(A，B)在CN方向上的極大值點，並記錄此點的Po;
[0036] ⑥重複步驟②到⑤，直至函數值I (A，B)不再增大。
[0037] 本實用新型的優選實施方式為:在進行圖像融合之前還包括進行圖像預處理。
[0038] 微波斷層掃描圖像預處理方法如下：基於微波斷層掃描成像受外界幹擾因素大， 圖像預處理我們利用點運算來進行對比度的擴展，使圖像清晰，特徵明顯，假定原圖像f(x， y)的灰度範圍為[a，b]，變換後的圖像g(x，y)的灰度範圍線性的擴展至[c，d]，則存在灰度 線性變換耒伏忒為，
[0039]
[0040] 當圖像中大部分像素的灰度級分布在區間[a，b]內，fmax為原圖的最大灰度級，只 有很小一部分的灰度級超過了此區間，則為了改善增強效果，我們令
[0041]
[0042] 通過對圖像的線性拉伸，可以有效改善圖像對比度效果。
[0043]微波雷達圖像預處理方法如下：由於微波雷達成像除了存在的固有問題斑點噪聲 外，同時還存在隨機出現的亮點高頻噪聲，我們利用低通遞歸濾波方法對其進行預處理。
[0044]假設第η幅微波雷達圖像中各像素點的灰階值用Xn(i，j)表示，α為相關係數，則處 理後的圖像yn(i，j)為
[0045] yn(i，j)=a*yn-"i，j) + (l-a)*xn(i，j) (4)
[0046] 由式(4)可以得知，當前每個像素點的值只取決於本像素點的輸入及上一次的輸 出，與其他像素的值無關，我們藉助一維的Z變換方法來分析它的頻率特性，分析各個像素 點自身的頻率響應，即有：
[0047] y(n) =a*y(n-l) + (l_a)*x(n) (5)
[0048] 其傳遞函數為，
[0049] H(z)=Y(z)/X(z) = (l-a)/(l-az_1) (6)
[0050] 在仿真試驗中，取值a為0.2，0.6以及0.8的幅頻特性，a值越大，高頻成分被抑制的 越厲害，削弱斑點噪聲越明顯。
[0051] 本實用新型的優選實施方式是:微波信號發生單元1發生微波信號，根據待測區域 的形狀，微波信號天線單元2以直線形狀排列繞待測區域旋轉掃描，或者以弧線形狀排列繞 待測區域旋轉掃描。待測區域為立體時，微波信號天線單元2繞待測區域旋轉掃描;待測區 域為面狀時，微波信號天線單元2相對待測區域移動掃描。
[0052]本實用新型的優選實施方式是:所述微波信號天線單元2可以為一個，也可以為多 個。所述微波發射天線發射微波信號，所述微波接收天線接收微波信號。
[0053] 本實用新型的優選實施方式是:所述微波信號天線單元2包括微波發射天線和微 波接收天線。所述微波發射天線和所述微波接收天線為同一微波天線，所述微波發射天線 和所述微波接收天線交替工作。所述微波發射天線和所述微波接收天線不為同一微波天 線，所述微波發射天線和所述微波接收天線分別工作。
[0054] 本實用新型的技術效果是：構建一種多模態微波掃描成像裝置，通過將所述雷達 探測圖像和所述斷層掃描圖像中一幅圖像的像素點映射到另一幅圖像中，使兩幅圖像的相 關像素點在空間位置上達到一致完成該兩幅圖像的融合。在診斷早期癌症患者的過程中可 以通過使用不同的成像模態進行優勢互補，微波雷達成像利用超寬帶微波信號來獲取目標 散射中心在距離上的高解析度，然後利用都卜勒信息，獲得散射中心在橫向距離上的高分 辨率，兩者結合即可獲得目標的二維或三維解析度，從而使目標的多位高解析度得以實現。 微波斷層掃描成像是將低功率微波射向被測物體，在微波的激勵下被測物產生一個散射 場，該散射場與被測物內部的復介電常數分布有關，通過對該散射物的測量，得到被測物的 相對介電常數及電導率的分布，進行相應的信息處理後即可獲得被測物內部目標的微波斷 層成像。本實用新型中將這兩種技術成功融合，構成一套多模微波乳腺成像系統，達到成像 優劣互補的目的。
[0055] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能 認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視 為屬於本實用新型的保護範圍。
【主權項】
1. 一種多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，包括微波信號發生單元、微波信號天線 單元、微波信號處理單元、雷達成像單元、斷層掃描成像單元、圖像輸出單元，微波信號發生 單元發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元以線形排列繞待測區 域旋轉掃描或者以線型排列相對待測區域移動掃描，微波信號天線單元發射微波寬帶脈衝 信號和微波單頻相干信號，微波信號天線單元接收微波寬帶脈衝回波信號和微波單頻回波 信號，所述雷達成像單元根據微波寬帶脈衝回波信號生成雷達探測圖像，所述斷層掃描成 像單元根據微波單頻回波信號生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單元將所述雷達探測圖像 和所述斷層掃描圖像進行融合輸出。2. 根據權利要求1所述多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，所述微波信號天線單元 包括微波發射天線和微波接收天線。3. 根據權利要求2所述多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，所述微波發射天線和所 述微波接收天線為同一微波天線，所述微波發射天線和所述微波接收天線交替工作。4. 根據權利要求2所述多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，所述微波信號發生單元 為多個，分別發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號。5. 根據權利要求2所述多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，所述微波信號發生單元 為一個，交替發生微波寬帶脈衝信號和微波單頻相干信號。6. 根據權利要求1所述多模態微波掃描成像裝置，其特徵在於，所述微波信號天線單元 繞立體待測區域旋轉掃描或者微波信號天線單元相對面狀待測區域移動掃描。
【文檔編號】A61B5/00GK205729361SQ201521140330
【公開日】2016年11月30日
【申請日】2015年12月31日
【發明人】李明
【申請人】深圳市體醫療科技有限公司, 深圳市一體醫療科技有限公司