[发明专利]基于压缩感知的微波热声成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于压缩感知的微波热声成像装置及方法，属于热声成像技术领域。

背景技术

微波热声成像，是由脉冲调制的微波激励、产生超声的成像技术，它既具有微波成像对不同组织的区分能力，又结合了超声成像价格低廉、分辨率较高等优势，利用超声探头和定制的微波源，很容易做到小型便携化和低成本化。微波热声成像既能提供组织的解剖结构信息，也能够反映一定的生理生化特性(如组织介电常数、电导率、声波传导规律以及微波吸收剂量等)。所以微波热声成像可能成为一种新型的高质量无损医学成像技术，具有广阔的应用前景。

热声成像技术图像重建的实质是通过超声探头检测到的热声波重建出生物组织内电磁波的吸收系数的分布。目前多采用的扫描与成像方案大概以下三种：

第一种是采用聚焦式超声传感器进行圆周扫描，采用滤波反投影算法重建出二维图像，采用此种扫描方案时，成像时间长，需要从各个方向接收热声信号，如果投影的数据不是完备的，将导致重建图像的伪迹严重，图像严重变形；

第二种是采用非聚焦式超声传感器接受较大立体角范围内的超声信号，采用合成孔径扫描方案，然后按照一定的成像算法进行信号处理，一次性给出二维成像结果，采用此种扫描方案通常近场和远场成像效果差别明显，图像分辨率低，伪迹现象严重；

第三种是采用多元超声阵列探头接受信号，避免探测装置的全方位圆周扫描，采用相控聚焦算法进行成像，缩短了系统的成像时间，但图像横向分辨率较差，系统的硬件成本增加。

综上，现有热声成像技术存在成像过程复杂，成像效果差别明显，图像分辨率低，图像的伪迹现象严重，系统的硬件成本高等一系列问题

发明内容

本发明目的是为了解决现有热声成像技术存在成像过程复杂，成像效果差别明显，图像分辨率低，图像的伪迹现象严重，系统的硬件成本高的问题，提供了一种基于压缩感知的微波热声成像装置及方法。

本发明基于压缩感知的微波热声成像装置，它包括微波发生器、波导、微波掩膜、、伺服电机及驱动器、支架、样品池、单阵元超声探测器、计算机和热声信号采集电路，

待测样品在样品池的正上方设置有微波掩膜，热声信号采集电路的测量矩阵输出端与微波掩膜的输入端相连，热声信号采集电路的微波控制输出端与微波发生器的控制端相连，微波发生器输出的脉冲微波经过波导发射至微波掩膜表面，并透过该微波掩膜照射在样品池内，

两个单阵元超声探测器镜像设置在样品池内左右两侧，所述两个单阵元超声探测器通过支架和伺服电机及驱动器的动力输出端固定连接，所述伺服电机及驱动器能够通过支架控制所述单阵元超声探测器的阵元面的旋转角度每个单阵元超声探测器的回波信号输出端与热声信号采集电路的热声信号输入端相连，热声信号采集电路将处理过的回波数据输出给计算机，由计算机基于压缩感知算法完成对回波数据进行图像重建，并将单阵元超声探测器不同角度观测到的图像进行融合处理，获取待测样品的微波热声图像。

热声信号采集电路包括主控电路、TGC放大电路、预滤波电路、A/D采样电路、数据采集电路和USB数据传输电路，主控电路内置FPGA，主控电路内置的FPGA控制微波掩膜产生压缩感知重建算法的测量矩阵，主控电路内置的FPGA控制触发微波发生器产生脉冲微波，主控电路的串行数据控制端与USB数据传输电路的串行数据控制端相连，主控电路的数据采集信号控制端与数据采集电路的信号控制端相连，主控电路的A/D采样信号控制端与A/D采样电路的信号控制端相连，主控电路的放大信号控制端与TGC放大电路的信号控制端相连，

TGC放大电路接收两个单阵元超声探测器观测的热声信号，TGC放大电路的输出端与预滤波电路的输入端相连，预滤波电路的输出端与A/D采样电路的输入端相连，A/D采样电路的输出端与数据采集电路的输入端相连，数据采集电路的输出端与USB数据传输电路的输入端相连，USB数据传输电路的输出端与计算机的输入端相连。

基于如上所述的一种基于压缩感知的微波热声成像装置的微波热声成像方法包括以下步骤：

步骤一、将待测样品放置在样品池内的中心位置，主控电路内置的FPGA发射脉冲信号触发微波发生器，同时控制微波掩膜产生随机矩阵，微波发生器产生脉冲微波，脉冲微波经波导、微波掩膜后照射到待测样品上，产生热声信号；

步骤二、伺服电机及驱动器通过支架调整两个单阵元超声探测器的观测角度，使两个单阵元超声探测器的阵元面的中心与待测样品的中心在一条直线上，且所述单阵元超声探测器的阵元面对准待测样品的水平切面，利用热声信号采集电路对热声信号进行同步采集；