[发明专利]互补开口谐振环引导微波致声成像的肿瘤成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种互补开口谐振环引导微波致声成像的肿瘤成像装置及方法，可用于生物医学影像学领域中对肿瘤等病灶部位的成像和分析。本发明将微波频段的互补开口环谐振技术与微波致声成像结合，以互补开口谐振环引导微波致声成像为手段，实现微波场的定向能量沉积和局域增强，提高生物组织内的微波热声转化效率，在不增加峰值功率的前提下，仍可实现高信噪比、高对比度的微波致声图像。本发明的肿瘤成像装置包括金属互补开口环、包含有肿瘤的生物组织、微波致声成像系统和图像处理分析模块。与传统的微波致声成像技术比较，该技术具有高对比度、高信噪比、低辐照损伤风险、可穿戴、可植入、可长期监测等特点，在临床前、床旁均有潜在应用价值。

技术领域

本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种互补开口谐振环引导微波致声成像的肿瘤成像装置及方法。

背景技术

现代科技高速发展，多学科间催生了不同成像原理的生物医学影像和治疗技术，但是针对肿瘤成像的技术需求仍迫在眉睫。对比现阶段常用的三种针对肿瘤的成像技术，X射线计算机断层扫描成像、核磁共振成像以及超声成像，可以发现这些技术都存在自身的固有局限性。

（1）X射线计算机断层扫描在成像过程中存在电离辐射，对软组织灵敏度低；

（2）核磁共振成像费用昂贵，扫描过程耗时较长，容易受到患者呼吸，心跳等运动伪影的影响；

（3）超声成像虽然安全舒适，具备较高的分辨率，但对病灶的病理性质缺乏特异性成像能力，图像对比度相对较低；

（4）其它光学影像手段如光学相干层析成像、光声成像以及荧光成像等技术，在特定的生物医学研究领域有无可替代的地位，但是受限于生物组织对光波的强散射特性，难以达到足够的穿透深度，无法满足深层器官成像的要求。

微波致声成像拥有较大穿透深度、高图像分辨率和对比度，该技术结合了微波成像和超声成像二者的优点。微波致声成像技术可应用于组织介电特性分布成像研究中，依据生物组织在不同生理及病理条件下微波吸收特性差异，实现非入侵式、高分辨率和高对比度的医学无损检查，在在体肿瘤成像方面有潜在的医学应用价值。

微波致声成像的物理基础是热声效应，该物理过程包含电磁能向机械能转化，其中的转化效率直接决定了所探测的热声信号的强度。现有的微波致声成像一般是将生物组织置于辐射天线的远场范围，利用窄带调制微波脉冲对物体进行辐射。研究发现，尽管激励电压幅值已经达到了十几千伏，然而由于生物组织对微波的反射和损耗，其诱导的热声信号仍然非常微弱。相对于远场辐射方式，近场辐射方式可在一定程度上提高组织对微波的吸收及转化效率。但是，由于近场系统采用的脉冲发生器无法有效地实现与能量耦合器的有效匹配，大部分微波能量耗散在放电电阻上，而成像区域的能量所占比重依然非常有限。生物组织对微波极低的转化效率往往导致信号和图像的信噪比偏低，因而制约了微波致声成像在临床前、床旁的应用。

提高微波热声转化效率的另一种途径是将窄带调制脉冲的瞬时功率提高到几十千瓦以上，然而这需要研发专用、昂贵且笨重的脉冲产生或放大装置，且瞬时功率高的微波对生物组织具有造成热损伤的潜在风险，因而限制了该方法在临床方面的应用。还有一种相对更常见的做法是采用持续时间更长的脉冲并将峰值功率限制在千瓦范围内，然而这种方法往往是以牺牲图像的空间分辨率为代价，其空间分辨率往往放宽到几毫米的级别，因而无法从根本上满足临床前、床旁的需求。

基于开口谐振环局域的微波致热超声成像在对生物组织特别是病灶区域成像方面也有其局限性。一方面开口谐振环在靠近生物组织时，谐振频率会发生较大偏移而出现失谐。其次，开口谐振环的天线固有特征决定了绝大部分微波能量往往在小区域的开口环处被横向散射或辐射，这导致微波能量无法有效地沉积到目标生物组织中，微波热声转化效率仍然偏低。

发明内容