[发明专利]基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置

说明书

本发明提出了一种基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置，包括机械手臂，脉冲微波源、波导转同轴、同轴电缆线、乳腺定型器组件、维瓦尔第天线、热声采集组件，热声采集组件包括数据采集组件和数据处理组件，数据采集组件包括超声换能器、低噪声放大器和64路数据采集组件，乳腺定型器包含聚苯乙烯透声组件和步进电机组件。本发明在热声成像的微波辐射天线上有较大改进，区别于传统的热声成像天线辐射微波方式，该装置的辐射天线使用异面维瓦尔第天线，其特点是功率容量高，尺寸轻薄，实用性强，可以方便地对乳腺进行三维热声成像，将维瓦尔第天线放置于超声换能器长边的两侧极大的减小了装置的尺寸，能够推动热声技术的产业化和临床应用。

技术领域

本发明涉及微波热声成像技术领域，提出了一种基于微型贴片天线的三维热声成像方法与装置。

背景技术

物质吸收电磁波后转换为热能而引起局部热膨胀，进而产生声波的现象，称为热声效应。微波热声成像技术是一种高穿透深度、高时间和空间分辨率的非侵入式、非电离成像技术。微波热声成像技术通过非电离辐射的方式将微波以脉冲的方式辐射到生物组织上，生物组织将会吸收微波电磁能量进而产生瞬间的热膨胀，热膨胀过程中会产生压力波即超声波向组织的四周扩散，产生的超声波会被组织周围的超声阵列探测截获，通过超声信号的采集采集并通过延迟叠加算法反演出组织内部微波吸收差异图像。

正常乳腺组织的主要成分是脂肪，肿瘤组织与以脂肪组织为主的正常乳腺组织之间的介电常数与电导率属性差异较大，微波热声成像可以利用肿瘤和乳腺脂肪的微波吸收差异将肿瘤和正常的脂肪区分开来。但是传统微波热声成像的微波源辐射微波多采用波导辐射和喇叭天线辐射微波的形式，而传统热声成像所使用波导和喇叭天线由于尺寸较大、较为笨重，移动性差等原因极大地限制了微波热声成像的发展。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种方便的用于乳腺肿瘤筛查的基于微型贴片天线的三维热声成像方法所述方法包含以下步骤：

第一步，所述脉冲微波源连接220V电压后可输出重复频率为10-100Hz的脉冲微波，脉冲峰值功率可达350KW；

第二步，所述定型器由聚苯乙烯板和步进电机组成，聚苯乙烯的超声衰减较小可以作为透声材料放置于定型器底部与人体皮肤接触；定型器尺寸长210mm宽170mm高130mm；将两片维瓦尔第天线放置于线性超声换能器长边两侧，将超声换能器和两片维瓦尔第天线一起放置于乳腺定型器中，通过定型器内部的步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线做直线运动；

第三步，脉冲微波经由方形波导传输后再经波导转同轴将波导传输微波转为同轴线传输微波，最后经维瓦尔第天线向空间辐射频率为6.7GHz的脉冲微波，其中维尔瓦第天线长42.2mm，宽1.6mm，高74mm；经由维尔瓦第天线辐射出的微波在辐射到样品上后，样品吸收电磁能量产生瞬间温升膨胀，样品的瞬间温升将热能转化为机械波向周围扩散；

第四步，热声信号经由1.5mm厚的定型器底板和变压器油后被64路超声换能器接收，再经64路数字转换电路将每次采集到的数据传给主控计算机，采集到的数据以矩阵的形式保存于计算机中；

第五步，乳腺定型器所使用的步进电机尺寸为长28mm，宽28mm，高31mm，定型器使用的步进电机和数据采集系统均由自主编写的Labvie程序控制，Labview控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线移动一个确定的距离，待电机移动完成后会发出脉冲给采集系统告知采集系统开始接收热声信号，系统采集完成后再给步进电机脉冲，控制步进电机带动超声换能器和维瓦尔第天线继续移动下一个确定的距离，直至扫描完成整个乳腺；步进电机每次移动的最小距离可设置为0.01mm，根据信号平均次数的不同、乳腺的大小以及电机每次移动的距离不同完成一次全乳腺扫描需要的时间从30s到10分钟之间，完全满足实验要求；

第七步，计算机对采集到的数据进行数据处理，将每次采集得到的数据导入MATLAB，通过滤波反投影算法对数据进行滤波反投影得到乳腺三维热声图像。