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与流程

1.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：

2.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。
3.（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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.本发明提供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，有助于提高微波热声转化的效率，能用于对生物组织中的肿瘤进行非接触式、高对比度、高信噪比及实时成像。该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；金属互补开口环由金属平面蚀刻开口环后获得的其余部分形成，用于引导微波致声成像，将微波能量定向性地沉积到包含有肿瘤的生物组织并局域增强其周围的电场强度；包含有肿瘤的生物组织为成像对象；金属互补开口环平行于生物组织表面放置，二者之间需用绝缘薄膜隔开；在生物组织这样的复杂电磁环境下，由于互补金属开口环本身所具有的定向能量沉积及对周围电场的局域增强作用特性，肿瘤部位生物组织对微波吸收效率显著提高，最终产生高信噪比的超声信号；微波致声成像系统中的超声探头从侧面正对金属互补开口环和生物组织，用于获得生物组织中肿瘤对微波高效率吸收而产生的超声信号；图像处理分析模块对微波致声成像系统获得的图像进行处理分析，进一步得到包含有肿瘤的生物组织的重建图像。
9.更具体地，待成像的肿瘤包括但不限于皮下瘤、淋巴肿瘤、甲状腺肿瘤、乳腺肿瘤和结肠肿瘤等。
10.更具体地，金属互补开口环由铝、铜、铁、镁、金和银中的任意一种金属材料制成。
11.更具体地，绝缘薄膜的制作材料包括但不限于纤维纸、聚乙烯和聚氯乙烯等。
12.更具体地，金属互补开口环的几何形状包括但不限于字母“c”型、字母“s”型、“口”字型、正方形、长方形、三角形和椭圆形等。
13.更具体地，金属互补开口环的拓扑结构包括但不限于单环互补开口环，双环互补开口环，多环嵌套形式的互补开口环；互补开口环环内可根据实际需要嵌套任意套数的小互补开口环。
14.更具体地，天线的极化方向有两种选择：(a)输出电磁波的电场方向需在环的平面内且与开口的朝向方向平行；(b)输出电磁波的电场方向与环所在平面垂直。
15.本发明还提供一种互补开口谐振环引导微波致声成像的肿瘤成像方法，用于对生物组织中的肿瘤进行非接触式、高对比度、高信噪比实时成像，其采用前述的互补开口谐振环引导微波致声成像的肿瘤成像装置进行成像，具体步骤如下：步骤s1，根据所需制作微波频段的互补开口谐振环；步骤s2，搭建微波致声成像系统装置；步骤s3，将互补开口谐振环和绝缘薄膜铺开并平行置于包含有肿瘤的生物组织上方；步骤s4，使用超声探头从侧面对准金属互补开口环和包含有肿瘤的生物组织，开始扫描，扫描完成后利用图像重建算法获得相应的重建图像。
16.相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。
17.（1）本发明通过结合互补开口环谐振技术与微波致声成像技术，组成一种互补开口环引导的微波致声成像技术，以实现高效率的微波超声转换平台，产生高信噪比的热声信号，最终实现高信噪比、高对比度的肿瘤成像。
18.（2）与基于开口环局域微波致声成像相比，本发明具有对皮肤、肌肉、深层器官等复杂电磁环境不敏感的特性，因而即使工作在复杂电磁环境下仍可实现对目标区域的微波能量定向沉积和电磁场局域增强。
19.（3）在肿瘤的影像学检查应用领域，具有无损、高信噪比、高对比度、低辐照损伤风险和实时成像的优势。由于肿瘤区域血管丰富，与正常组织相比，电导率相对较高，因而对微波的吸收相对较强。采用基于互补开口谐振环引导的微波致声成像技术，可通过对图像重建直接获得相应的微波能量吸收的空间分布。在实际应用中，可以通过在体或离体的血管、皮下肿瘤、淋巴肿瘤、甲状腺肿瘤、乳腺肿瘤、结肠肿瘤或其他肿瘤与正常组织对微波能量的吸收差异，实现快速成像和诊断。
20.（4）本发明在微波致热超声成像应用领域，具有图像对比度高、信噪比高、成本低的特点。发明中通过加入互补开口谐振环，可实现在不提高微波源的功率情况下即可获得高的信噪比。开发高功率的脉冲、连续输出式微波源成本高，因而本发明可降低开发成本。
21.（5）本发明的互补开口谐振环具有亚波长、超薄(一般厚度仅为100微米)的显著特征，在可穿戴、可植入、需长期监测医疗设备方面有潜在应用。
22.（6）本发明的互补开口环制作原料来源丰富，可为价格低廉的金属铝、铜、铁、镁或价格高的金、银。整体结构可灵活变化，如正方形、长方形、三角形、椭圆形等，使用简单方便。
23.（7）本发明的应用场景和应用范围多样化，可包括但不限于：在体或离体的皮下瘤、淋巴肿瘤、甲状腺肿瘤、乳腺肿瘤、结肠肿瘤或其他肿瘤的生物医学影像学分析等。
附图说明
24.图1为本发明实施的结构示意图。
25.图2为互补开头谐振环的结构示意图。
26.图3是互补开口谐振环的天线远场辐射模式图。
27.图4是肿瘤仿体i的微波致热超声重建对比图。
28.图5是肿瘤仿体ii的微波致热超声重建对比图。
29.图6是小鼠活体实验的微波致热超声重建对比图。
30.图7是活体小鼠的实际图。
31.其中，图中所示各元件的名称为：重频、频率可自行选择的微波源1-1，天线或波导1-2，耦合液，可为变压器油或植物油1-3，盛装耦合液的容器1-4，互补开口环1-5，绝缘薄膜层1-6，在体或离体生物组织1-7，超声探头1-8，函数发生器1-9，步进电机控制台1-10，计算机1-11，示波器1-12，信号放大器1-13。
具体实施方式
32.本发明提供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。下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
33.图1为本发明实施的结构示意图。其中微波源、函数发生器与天线或波导组成泵浦系统，微波源的功能是产生高频电磁信号，函数发生器用于定义电磁信号的物理参数，如脉宽、重频等，天线或波导的作用是将该类电磁信号以电磁波的形式辐射至自由空间。互补开口环、绝缘薄膜层用于局域增强在体或离体生物组织接收的微波能量。基于微波热声效应，在体或离体生物组织因热膨胀和弛豫产生超声波，这一过程微波能量转化为机械能。超声波通过耦合液最终被超声探头接收，由于涉及到全角度360
°
采样，超声探头需通过步进电机控制获得相应采样。基于压电效应超声信号进一步转换为电信号，并通过信号放大器、示波器获得其对应的时域波形图。计算机中相关图像重建算法对采集到的时域信号进行处理，获得在体或离体生物组织的重建图像。
34.根据所需制作微波频段的互补开口谐振环。图2为互补开口谐振环的结构示意图，其中黑色部分是金属，白色部分是空气或填充的耦合介质液体。注意到3ghz入射条件下，开口环的几何参数如下：外环半径为5.5mm，内环半径为4.5mm，开口的宽度为3mm，厚度为100μm。图3是互补开口谐振环的天线远场辐射模式图。
35.搭建微波致声成像系统装置。采用传统单探头环形扫描成像系统。此系统使用3ghz的脉冲微波源作为信号激励源，其产生的脉冲微波通过同轴电缆穿过旋转电机的中心并传递到偶极子天线，然后通过偶极子天线以线极化的形式从生物上方垂直辐照到待成像样品上。mc600电机控制箱用于接收计算机的编程控制并驱动旋转电机进行步进旋转，带动固定于旋转电机上的超声探头进行环形扫描并获得仿体x-y断层的热声信号，进而重建出截面图像。本系统采用奥林巴斯提供的水浸式非聚焦超声探头对热声信号进行探测，其直径为15.8mm，有效响应区域为12.7mm，中心频率为2.25mhz。信号经过前置放大器放大后输入数据采集卡pci-5122并存储到计算机上。值得注意的是，为了实现互补开口环的谐振，天线的极化方向有两种选择：(a)天线的电场方向需在环的平面内且与开口的朝向方向平行；(b)天线的电场方向与环所在平面垂直。
36.将互补开口谐振环和绝缘薄膜铺开并平行置于待成像生物组织上方。平铺互补开口谐振环，并使之几乎接触待成像生物组织的表面，注意开口环和生物组织表面需用绝缘薄膜隔开。绝缘薄膜材料包括但不限于：纤维纸，聚乙烯、聚氯乙烯等。
37.对目标区域进行成像，应用数据处理软件完成图像重建。使用超声探头对目标区域进行360度扫描并成像，应用数据处理软件对目标生物组织的图像进行处理。在互补开口环作用下的定向能量沉积和强局域微波场作用下，生物组织特别是肿瘤对微波能量实现超声能量转换。在这个过程，微波电磁能先转化为热能，通过热声效应最后转化为机械能，以声波形式向周围传播。探测器收集信号后将热声信号转化为电信号，经过滤波器与放大器以及数字采集卡被转化为数字信号，经过labview等程序进行图像重建。所述成像目标物可以是在体或离体的皮下肿瘤、淋巴肿瘤、甲状腺肿瘤、乳腺肿瘤、结肠肿瘤或其他肿瘤等。结合labview控制程序对整个系统进行运行同步控制，采集到图像之后使用内嵌的matlab语言程序对采集到的图像进行实时显示直接看到病灶。
38.图4是肿瘤仿体i的微波致热超声重建对比图。箭头所指位置为肿瘤仿体区域。图4
中，(a)为没有加入单互补开口环的重建图，(b)为加入单互补开口环的重建图。两者对比，(a)由于没有单互补开口环对微波场的定向能量沉积和局域场增强，图像的信噪比差，肿瘤的边缘模糊，不易辨别，(b)的成像效果显著优于(a)。
39.图5是肿瘤仿体ii的微波致热超声重建对比图。箭头所指位置为肿瘤仿体区域。图5中，(a)为没有加入双互补开口环的重建图，(b)为加入双互补开口环的重建图。两者对比，(a)由于没有双互补开口环对微波场的定向能量沉积和局域场增强，图像的信噪比差，肿瘤的边缘模糊，不易辨别，(b)的成像效果显著优于(a)。
40.图6是小鼠活体实验的微波致热超声重建对比图。箭头所指位置为肿瘤区域。图6中，(a)为没有加入互补开口环的重建图，(b)为加入双互补开口环的重建图。两者对比，(a)由于没有互补开口环对微波场的定向能量沉积和局域增强，图像的信噪比差，肿瘤的边缘模糊，肿瘤无法辨别，(b)的成像效果显著优于(a)。
41.图7是活体小鼠的实际图。箭头所指位置为皮下肿瘤区域。
42.本技术中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。