[发明专利]一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法

说明书

一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法，属于热声成像技术领域。本发明包含系统支撑模块、手指固定模块、微波产生传输模块、信号接收和图像重建模块。微波产生/传输模块中提供了波导H面T型结和同轴波导适配器来实现反相位微波照射的关键，有助于纠正图像场依赖性对比度恶化；系统支撑模块使得只有被成像的手指需要浸没在油中，增强受试者的接受度，减轻受试者的疲惫感；手指固定模块使得成像系统适用于不同尺寸的手指关节，以完成人体病态手指关节的临床试点评估。初步的类风湿性关节炎/银屑病关节炎的评估结果表明，病态关节和正常关节之间以及不同病态关节之间可明显区分。

技术领域

本发明涉及一种用于手指关节疾病诊断的热声层析成像系统及方法，属于热声成像技术领域。

背景技术

关节疾病是50岁以上人群残疾的主要原因，带来的影响包括活动受限、就业障碍、生活质量下降和医疗费用增加。关节疾病的早期诊断非常重要，若未能及早发现耽误治疗，病情进展至骨质的破坏，致残的进程则不可逆转。关节疾病的长期病情监测和疗效监测也很重要，原因有三：第一，疾病发展缓慢，例如骨关节炎，病情长达十几年甚至几十年；第二，疾病反复发作，例如类风湿性关节炎，即使被认为治愈，也可在后续短时间或几年内突然发作；第三，药物评估，临床上像骨关节炎和类风湿性关节炎尚无可治愈的药物，新药物因缺乏评估机制限制了临床应用。当前的临床影像学检测方法，例如X线成像、计算机体层成像、超声成像和磁共振成像，在评估关节疾病方面发挥巨大作用，然而因关节结构的复杂性和疾病的多样性，在疾病的早发现或长期监测上有限制。因此，发展一种协助关节疾病尽早确诊和长期监测，并可用于常规体检普查的新型影像学检测技术具有较大的临床意义。

作为一种新型医学成像方法，热声层析成像是一种无损的混合成像模式，结合了微波成像吸收对比度高、穿透深度深和超声成像分辨率高的优点。热声层析成像不仅可以提供组织的功能性信息，包括组织的微波能量吸收特性和介电特性(介电常数和电导率)，还可以提供组织的解剖结构信息。热声层析成像系统操作简单、成本低、便于携带。至今，热声层析成像技术已经被应用于乳腺癌成像、脑成像和血管成像等。

手指关节损伤常最早或最严重。例如，手指骨关节炎是骨关节炎全身性倾向的重要指标，类风湿关节炎主要影响手脚的小关节。因此，热声层析成像技术被发明人首次用于手指关节成像(Zihui Chi,et al.Thermoacoustic tomography of in vivo humanfinger joints.IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2019,66(6):1598-1608)。正常手指关节热声成像结果表明，热声层析图像与对应的磁共振图像吻合良好，能高分辨率显示关节内和关节外的各种组织(皮肤、皮下脂肪、血管、神经、伸肌腱、副韧带、屈肌腱、关节面和骨)。此外，病态手指关节模拟实验表明，损伤或异常(撕裂伤，血管翳和骨质增生)可以被热声层析成像技术识别出来。

然而，此研究的局限性限制了热声层析成像对诊断手指关节疾病的临床试点评估。局限性有三：第一，关节内微波能量分布不均，图像对比度恶化，对于热声层析成像检测微小病变(疾病早期，相对于周围环境具有低对比度的一些病变和小尺寸的一些病变)存在阻碍；第二，在数据采集过程中，几乎整只手和大部分手臂都浸在油(耦合介质)中，受试者接受度低且容易疲劳；第三，手指固定支架不具有调节性，每一位受试者因手指尺寸不同均需要一套特制的手指固定支架，这在临床试点评估实验中不可实现。其中对于第一点，发明人首次提出反相位微波照射使得关节内能量分布均匀，纠正场依赖性对比度恶化(ZihuiChi,et al.Technical Note:Antiphase microwave illumination basedthermoacoustic tomography of in vivo human finger joints.Medical Physics,2019,46(5):2363-2369)。但是，此研究中未提及利用波导H面T型结和同轴波导适配器来实现反相位微波照射的关键；未着墨如何确保只有被成像的手指需要浸没在油中；没有解决如何获得具备调节性的手指固定支架以适应不同尺寸的手指关节，以完成临床试点评估。