生物體組織探測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種生物體組織探測(cè)裝置，包括外殼和可動(dòng)的天線陣，天線陣可和外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，且天線陣只占據(jù)外殼的表面面積的一部分，避免使用費(fèi)用昂貴的射頻開關(guān)陣列，節(jié)省了天線成本，上述生物體組織探測(cè)裝置可以接收信號(hào)強(qiáng)度水平統(tǒng)一度較高的散射信號(hào)，并保證了快速的掃描時(shí)間，提高了掃描效率。本發(fā)明還公開了一種生物體組織探測(cè)系統(tǒng)及方法。
【專利說明】生物體組織探測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種生物體組織探測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]乳腺癌是一種嚴(yán)重影響婦女身心健康甚至危及生命的最常見惡性腫瘤，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，發(fā)病率占全身各種惡性腫瘤的7-10%。
[0003]目前乳腺癌普查主要采用人工手檢輔助其它醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)手段，常用的超聲成像利用超聲波在體內(nèi)傳播過程中遇到聲阻抗變化的界面時(shí)的反射回波成像，但對(duì)于早期病變部位其成像對(duì)比度很低；X-CT技術(shù)是借助各部分組織對(duì)X射線的吸收不同產(chǎn)生不同的陰影所形成的圖像，但對(duì)人體有害的射線作為信息的載體進(jìn)行成像可能會(huì)導(dǎo)致癌變幾率的增加；核磁共振成像用線圈檢測(cè)技術(shù)獲得組織馳豫信息與質(zhì)子密度信息成像技術(shù)，它對(duì)人體無損傷且能實(shí)現(xiàn)功能成像，但設(shè)備成本造價(jià)高、使用及維護(hù)費(fèi)用昂貴，給患者造成較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)小型化。
[0004]由于上述檢測(cè)手段的缺陷，微波成像檢測(cè)手段越來越受到關(guān)注。微波對(duì)乳腺癌的臨床診斷具有安全無電離輻射，不需要對(duì)乳房進(jìn)行疼痛的擠壓，對(duì)早期乳腺癌靈敏性高等特點(diǎn)。此外，微波成像技術(shù)和系統(tǒng)可以以較高的效益/成本比針對(duì)病人進(jìn)行日常的檢測(cè)和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，在臨床應(yīng)用上有廣泛的前景。不僅如此，微波成像還能針對(duì)有致密型乳腺的年輕人群進(jìn)行大規(guī)模乳腺癌篩查，這在X-CT攝片技術(shù)是無法做到的。
[0005]目前現(xiàn)有的微波成像技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，即微波層析成像和雷達(dá)成像方法。通過提高成像算法的效率、準(zhǔn)確率，可以很大程度提高成像的效果。無論哪一種成像方法，首先由一組天線構(gòu)成天線陣列緊密地圍繞或包裹整個(gè)乳房。單個(gè)天線作為發(fā)射單元依次向乳房發(fā)射微波信號(hào)，同時(shí)其他天線元作為接收單元接收散射的回波。接著計(jì)算機(jī)算法會(huì)對(duì)記錄的回波散射信號(hào)進(jìn)行算法處理，并還原成二維或三維的微波圖像。在圖像中，乳腺癌的微波特性會(huì)有別于背景中的健康乳腺組織，從而做出臨床診斷。
[0006]天線陣列中均勻分布的天線元由于信號(hào)傳播路徑的差異和乳房組織介電特性分布的不均勻接收的信號(hào)強(qiáng)度差異較大，很多天線元接收并記錄的信號(hào)由于強(qiáng)度很弱無法進(jìn)行后續(xù)算法處理。由于需要天線陣列緊密地圍繞或包裹整個(gè)乳房，所需天線元較多，成本較高。雙基地天線由于只有兩個(gè)天線元，控制系統(tǒng)要耗費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間才能完成對(duì)乳房的全掃描，掃描效率低。
[0007]對(duì)于微波層析成像方法，首先需要重建正向的數(shù)值乳房模型包括二維或三維的乳房組織和天線陣列，其次需要通過迭代算法匹配測(cè)量所得的微波散射信號(hào)和由正向數(shù)值模型所得的數(shù)值散射信號(hào)。當(dāng)兩者達(dá)到估計(jì)的匹配時(shí)，收斂的迭代算法將還原乳房組織的介電特性的空間分布圖形成最終醫(yī)療影像。這種成像方法也稱為逆散射成像方法。
[0008]微波層析成像方法的準(zhǔn)確性取決于正向數(shù)值模型的精度，測(cè)量系統(tǒng)的精度，成像算法的可靠性等因素。迭代算法對(duì)計(jì)算量的要求很高，現(xiàn)有的層析成像算法包括高斯-牛頓方法等一系列解決逆散射問題的方法，其中全局性優(yōu)化算法由于優(yōu)化算法的不斷進(jìn)步引起了較高的關(guān)注。在使用全局優(yōu)化算法中，全局的最優(yōu)解對(duì)應(yīng)著最終成像的介電特性的空間分布。相反局部的優(yōu)化解則對(duì)應(yīng)著被測(cè)物介電特性的錯(cuò)誤分布，會(huì)導(dǎo)致誤診或漏診。因此，準(zhǔn)確性高的優(yōu)化算法對(duì)成像的效果至關(guān)重要。較常見的全局優(yōu)化算法包括遺傳算法(Genetic Algorithm)和粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimizat1n)。兩者都是從生物體活動(dòng)中抽象出的數(shù)學(xué)方法，其優(yōu)點(diǎn)是無需確定性的算法。
[0009]在應(yīng)用全局優(yōu)化算法的層析成像中，算法面臨一種稱為多維數(shù)災(zāi)難的技術(shù)瓶頸，即當(dāng)要優(yōu)化的對(duì)象維數(shù)很大時(shí)，優(yōu)化算法的表現(xiàn)下降的非常顯著。對(duì)于乳腺成像，通常優(yōu)化的對(duì)象維數(shù)很大，因此當(dāng)前的全局優(yōu)化算法無法達(dá)到超高分辨率的效果。
[0010]雷達(dá)成像方法無需對(duì)被測(cè)物的介電特性進(jìn)行重構(gòu)，只需對(duì)雷達(dá)散射回波進(jìn)行合成疊加，通過掃描被測(cè)物中的各個(gè)共焦點(diǎn)完成雷達(dá)成像。癌變組織由于含水量較背景中健康組織多，會(huì)反射更強(qiáng)的回波，因此在成像時(shí)會(huì)疊加成更強(qiáng)的強(qiáng)度水平。雷達(dá)成像的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算簡(jiǎn)單，而且容易消除皮膚的損耗對(duì)回波的影響。但是，當(dāng)成像對(duì)象是腺體致密型的乳房時(shí)，雷達(dá)成像很難探測(cè)微小的腫瘤。雷達(dá)成像方法也存在對(duì)乳房組織的平均介電常數(shù)的預(yù)估計(jì)問題，由于乳房的非均勻各向異性，其介電常數(shù)變化非常顯著，造成在算法處理時(shí)的錯(cuò)誤合成疊加。
[0011]當(dāng)前的微波成像系統(tǒng)由于不同的算法對(duì)天線的要求不同也分為兩大類，即層析成像和雷達(dá)成像系統(tǒng)。兩者的工作頻段不同，層析成像選取500M赫茲到3G赫茲的范圍來滿足求解逆散射問題的穩(wěn)定性要求。雷達(dá)成像則包括了從3G赫茲到1G赫茲更高更寬的頻段范圍。當(dāng)前系統(tǒng)的天線陣列一般選取為天線元均勻分布的三維陣列或二維陣列，或雙基地雷達(dá)系統(tǒng)即只用兩個(gè)天線元。前者用一系列天線元均勻的分布在陣列內(nèi)，通過微波開關(guān)矩陣控制天線的發(fā)射和接收。而后者只用一個(gè)天線發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)天線通過馬達(dá)控制的旋轉(zhuǎn)裝置在多個(gè)不同位置接收信號(hào)。然而層析成像和雷達(dá)成像系統(tǒng)分別為獨(dú)立的成像系統(tǒng)，成像手段單一，不利于提高診斷率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]鑒于此，有必要提供一種可以既能提高接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度水平統(tǒng)一度、節(jié)省天線成本且掃描效率較高的生物體組織探測(cè)裝置。此外還提供了一種生物體組織探測(cè)系統(tǒng)及方法。
[0013]一種生物體組織探測(cè)裝置，包括外殼和設(shè)于外殼外表面的天線陣，所述外殼用于覆蓋生物體組織，所述天線陣包括兩個(gè)以上集中分布的天線元，所述天線陣的天線元集中分布于所述外殼的外表面的一部分。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述外殼的形狀為半球型或圓錐形。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述天線元為喇叭天線、貼片天線和維瓦爾第天線中的一種。
[0016]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述天線元的工作頻率在IGHZ?8GHZ。
[0017]一種生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，包括上述的生物體組織探測(cè)裝置，還包括信號(hào)單元、控制單元和算法處理單元；
[0018]所述信號(hào)單元用于產(chǎn)生超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)，所述控制單元用于控制所述生物體組織探測(cè)裝置將所述超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)激發(fā)成電磁波信號(hào)并通過所述生物體組織探測(cè)裝置發(fā)射；
[0019]所述控制單元還用于控制所述生物體組織探測(cè)裝置接收所述電磁波信號(hào)的回波散射信號(hào)，并將接收到的回波散射信號(hào)傳送到所述算法處理單元；
[0020]所述算法處理單元用于重構(gòu)生物體組織的介電特性的圖像和雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像。
[0021]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)的產(chǎn)生是采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)或通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將一組離散的頻域信號(hào)經(jīng)過逐個(gè)掃描然后合成的信號(hào)。
[0022]一種生物體組織探測(cè)方法，基于上述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，用于重構(gòu)生物體組織介電特性的圖像，重構(gòu)生物體組織介電特性的圖像的方法采用具備了緩沖型邊界條件的粒子群優(yōu)化算法，所述緩沖型邊界條件為:允許粒子穿過邊界并到達(dá)設(shè)定距離，然后以一個(gè)衰減的速度反向回到邊界附近；
[0023]所述重構(gòu)生物體組織的介電特性的圖像的方法包括步驟:
[0024]步驟1:屏蔽全部維度中的一個(gè)或兩個(gè)以上的維度，被屏蔽維度中的粒子不再更新自己的位置和速度信息；
[0025]步驟2:應(yīng)用所述緩沖型邊界條件，找到未屏蔽維度的局部偽優(yōu)化解；所述局部偽優(yōu)化解為在維度改變的過程中粒子暫時(shí)的最優(yōu)解；
[0026]步驟3:繼續(xù)分解維度，再屏蔽I或2個(gè)以上維度；
[0027]步驟4:重復(fù)步驟I到步驟3直到未屏蔽的維數(shù)降至預(yù)設(shè)維度；
[0028]步驟5:找到所述預(yù)設(shè)維度上的解，并在后續(xù)的迭代計(jì)算中鎖定所述預(yù)設(shè)維度的全局最優(yōu)解，使所述預(yù)設(shè)維度的位置信息不變；
[0029]步驟6:釋放一個(gè)或兩個(gè)以上被屏蔽的維度；
[0030]步驟7:找到釋放維度的局部偽優(yōu)化解，所述局部偽優(yōu)化解作為被釋放的維度的全局最優(yōu)解；
[0031]步驟8:更新釋放維度中的粒子的位置和速度信息；
[0032]步驟9:重復(fù)步驟I到步驟8直到獲得全部維度的全局最優(yōu)解；
[0033]步驟10:將所述全部維度的全局最優(yōu)解生成生物體組織介電特性圖像。
[0034]一種生物體組織探測(cè)方法，基于上述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，用于重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像，重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像的方法包括步驟:
[0035]設(shè)置或修正平均介電常數(shù)值；
[0036]將接收天線元記錄的回波時(shí)移到發(fā)射天線元的位置并合成疊加成像；
[0037]若成像的點(diǎn)收斂在發(fā)射天線元的位置，則得到電磁波在生物體組織中的傳播時(shí)間；
[0038]去除皮膚反射干擾信號(hào)；
[0039]將待成像區(qū)域分割成的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行時(shí)移并合成疊加成像。
[0040]在其中一個(gè)實(shí)施例中，將待成像區(qū)域分割成的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行時(shí)移并合成疊加成像的步驟包括:將同一時(shí)刻的回波信號(hào)強(qiáng)度相乘得到乘積，然后將不同時(shí)刻回波信號(hào)強(qiáng)度的乘積疊加。
[0041]上述生物體組織探測(cè)裝置和生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，包括外殼和天線陣，天線陣可和外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，且天線陣只占據(jù)外殼的表面面積的一部分，避免使用費(fèi)用昂貴的射頻開關(guān)陣列，節(jié)省了天線成本，上述生物體組織探測(cè)裝置可以接收信號(hào)強(qiáng)度水平統(tǒng)一度較高的散射信號(hào)，并保證了快速的掃描時(shí)間，提高了掃描效率。
[0042]通過經(jīng)典的高維測(cè)試方程的運(yùn)算表明，上述用于重構(gòu)生物體組織介電特性圖像的生物體組織探測(cè)方法，采用的粒子群優(yōu)化算法可以在維數(shù)高達(dá)500甚至2000時(shí)達(dá)到比現(xiàn)有的粒子群優(yōu)化算法低4到5個(gè)數(shù)量級(jí)的適合度值。在使用反演算法對(duì)乳腺組織進(jìn)行層析成像時(shí)，對(duì)介電常數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)等效于找到高精度的全局最優(yōu)解。因此，本實(shí)施例的粒子群優(yōu)化算法可以還原生物體組織(例如乳房組織)的準(zhǔn)確介電特性圖像，從而達(dá)到超高分辨率的生物體組織(例如乳房組織)成像。
[0043]上述用于重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像的生物體組織探測(cè)方法，利用未經(jīng)預(yù)處理的散射回波(即接收天線元接收的信號(hào))，和天線元的位置來補(bǔ)償乳房中由于各向異性的非均勻乳腺組織而造成對(duì)波的傳播速度的估計(jì)偏差，達(dá)到散射強(qiáng)度準(zhǔn)確的合成疊加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)裝置的側(cè)面示意圖；
[0045]圖2為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)裝置的俯視圖；
[0046]圖3為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)系統(tǒng)的模塊圖；
[0047]圖4為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)方法流程圖；
[0048]圖5為另一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
[0050]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0051]圖1為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)裝置的側(cè)面示意圖，圖2為一個(gè)實(shí)施例生物體組織探測(cè)裝置的俯視圖，請(qǐng)結(jié)合圖1和圖2。
[0052]一種生物體組織探測(cè)裝置100，包括外殼110和設(shè)于外殼110外表面的天線陣120，外殼110用于覆蓋生物體組織，天線陣120包括兩個(gè)以上集中分布的天線元121，天線陣120可和外殼110 —起轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，天線陣120的天線元121集中分布于外殼110的表面的一部分。
[0053]上述生物體組織探測(cè)裝置，包括外殼110和天線陣120，天線陣120可和外殼110一起轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，且天線陣120只占據(jù)外殼110的表面面積的一部分，避免使用費(fèi)用昂貴的射頻開關(guān)陣列，節(jié)省了天線成本，上述生物體組織探測(cè)裝置可以接收信號(hào)強(qiáng)度水平統(tǒng)一度較高的散射信號(hào)，并保證了快速的掃描時(shí)間，提高了掃描效率。
[0054]下面對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0055]外殼110形狀為半球型或圓錐形，可以用于乳房組織的檢測(cè)，例如乳腺癌的檢測(cè)。在其他實(shí)施例中，外殼110形狀還可以為其他形狀，可以用于例如肝癌、肺癌等人體組織的檢測(cè)。
[0056]外殼110上的一側(cè)上固定有天線陣120，天線陣120只占據(jù)外殼110的表面面積的一半(例如，圖2中分布有正方形圖形的半圓AOB)，天線陣120包括多個(gè)離散分布的天線元121。如圖2，天線陣120可和外殼100沿著圓心O—起做圓周運(yùn)動(dòng)。由于天線陣120只集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，使得不同天線元121接收的信號(hào)強(qiáng)度水平近似，方便預(yù)算法處理對(duì)皮膚的反射干擾。并且利用了少量的天線元，結(jié)合旋轉(zhuǎn)裝置(圖未示)可以達(dá)到大型天線陣列的效果。此外，這樣既保證了掃描的速度，又避免了昂貴且復(fù)雜的天線開關(guān)矩陣。當(dāng)然，天線陣120也可以分布在小于半圓的扇形面積內(nèi)，例如分布有正方形圖形的扇形AOC區(qū)域里，或者分布在稍大于半圓的扇形面積內(nèi)。
[0057]天線元121為喇叭天線、貼片天線和維瓦爾第天線中的一種，工作頻率在IGHZ?8GHZ，可以進(jìn)行雷達(dá)成像和層析成像。首先單個(gè)天線元121(圖1中虛線圖形)作為發(fā)射單元(發(fā)射天線元)向乳房發(fā)射微波信號(hào)，同時(shí)其他天線元121作為接收單元(接收天線元)接收散射的回波；然后下一次則由另外的單個(gè)的天線元121向乳房發(fā)射微波信號(hào)，各個(gè)天線元121依次輪換。
[0058]上述生物體組織探測(cè)裝置100可以應(yīng)用于生物體組織探測(cè)系統(tǒng)中。
[0059]如圖3所示，一種生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，包括上述的生物體組織探測(cè)裝置100，還包括信號(hào)單元200、控制單元300和算法處理單元400。
[0060]信號(hào)單元200用于產(chǎn)生超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)，控制單元300用于控制生物體組織探測(cè)裝置100將超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)激發(fā)成電磁波信號(hào)，并通過生物體組織探測(cè)裝置100的天線陣120發(fā)射，電磁波信號(hào)穿過生物體組織(例如乳房組織)并能到達(dá)癌變區(qū)域。
[0061]控制單元300還用于控制生物體組織探測(cè)裝置100接收電磁波信號(hào)的回波散射信號(hào)，并將接收到的回波散射信號(hào)傳送到算法處理單元400。
[0062]算法處理單元400用于重構(gòu)生物體組織(例如乳房組織)介電特性圖像和雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像。
[0063]超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)的產(chǎn)生可以是采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)或通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將一組離散的頻域信號(hào)經(jīng)過逐個(gè)掃描然后合成的信號(hào)。
[0064]上述重構(gòu)生物體組織介電特性圖像可以采用下述方法，該方法可以突破多維數(shù)災(zāi)難的限制，在處理高維問題時(shí)仍能獲得準(zhǔn)確的全局最優(yōu)解，可以獲得準(zhǔn)確的電介質(zhì)特性的分布圖像。
[0065]如圖4所示，一種生物體組織探測(cè)方法，基于上述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)重構(gòu)生物體組織介電特性圖像，重構(gòu)生物體組織介電特性圖像的方法采用了緩沖型邊界條件的粒子群優(yōu)化算法，粒子群優(yōu)化算法用于生成生物體組織介電特性圖像。
[0066]緩沖型邊界條件為:允許粒子穿過邊界并到達(dá)一定距離，然后以一個(gè)衰減的速度反向回到邊界附近，這種緩沖型邊界條件可以允許粒子搜索邊界附近的解。具體來說，緩沖型邊界條件允許粒子穿過邊界并到達(dá)一定距離，然后反向并以一個(gè)衰減的速度回到邊界附近，這相當(dāng)于可以適度的調(diào)整邊界的大小。當(dāng)粒子以較大的速度穿過時(shí)，邊界會(huì)拓展的較大，相反拓展的較小。這種邊界條件的優(yōu)點(diǎn)是避免了漏掉邊界附近的最優(yōu)解。
[0067]重構(gòu)生物體組織的介電特性圖像的方法包括步驟:
[0068]步驟Sll:屏蔽全部維度中的一個(gè)或兩個(gè)以上的維度，被屏蔽維度中的粒子不再更新自己的位置和速度信息。屏蔽意味著在后續(xù)的迭代計(jì)算中，被屏蔽的粒子不再更新自己的信息，算法以這樣的方式逐步虛擬化地降低計(jì)算的維度。
[0069]步驟S12:應(yīng)用緩沖型邊界條件，找到未屏蔽維度的局部偽優(yōu)化解。局部偽優(yōu)化解為在維度改變的過程中粒子暫時(shí)的最優(yōu)解。因?yàn)椴皇亲罱K的全局最優(yōu)解，所以稱之為局部偽優(yōu)化解。
[0070]步驟S13:繼續(xù)分解維度，再屏蔽I或2個(gè)以上維度。
[0071]步驟S14:重復(fù)步驟Sll到步驟S13直到未屏蔽的維數(shù)降至預(yù)設(shè)維度，例如2維。
[0072]步驟S15:找到預(yù)設(shè)維度上的解，并在后續(xù)的迭代計(jì)算中鎖定預(yù)設(shè)維度的全局最優(yōu)解，使預(yù)設(shè)維度的位置信息不變。
[0073]步驟S16:釋放一個(gè)或兩個(gè)以上被屏蔽的維度。
[0074]步驟S17:找到釋放維度的局部偽優(yōu)化解，局部偽優(yōu)化解作為被釋放的維度的全局最優(yōu)解。
[0075]步驟S18:更新釋放維度中的粒子的位置和速度信息。
[0076]步驟S19:重復(fù)步驟Sll到步驟S18直到獲得全部維度的全局最優(yōu)解。
[0077]步驟SllO:將全部維度的全局最優(yōu)解生成生物體組織介電特性圖像。
[0078]本實(shí)施例的粒子群優(yōu)化的算法表現(xiàn)為適合度值的震蕩狀態(tài)，隨著維度的屏蔽和釋放，適合度值震蕩。當(dāng)獲得全局最優(yōu)解時(shí)，適合度值為最低值，此時(shí)算法收斂。通過經(jīng)典的高維測(cè)試方程的運(yùn)算表明，本實(shí)施例的粒子群優(yōu)化算法可以在維數(shù)高達(dá)500甚至2000時(shí)達(dá)到比現(xiàn)有的粒子群優(yōu)化算法低4到5個(gè)數(shù)量級(jí)的適合度值。在使用反演算法對(duì)乳腺組織進(jìn)行層析成像時(shí)，對(duì)介電常數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)等效于找到高精度的全局最優(yōu)解。因此，本實(shí)施例的粒子群優(yōu)化算法可以還原生物體組織(例如乳房組織)的準(zhǔn)確介電特性圖像，從而達(dá)到超高分辨率的生物體組織(例如乳房組織)成像。
[0079]如圖5所示，上述重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像可以采用下述方法。
[0080]一種生物體組織探測(cè)方法，基于上述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像，重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像的方法包括步驟:
[0081]步驟S21:設(shè)置或修正平均介電常數(shù)值。
[0082]步驟S22:將接收天線元記錄的回波時(shí)移到發(fā)射天線元的位置并合成疊加成像。
[0083]步驟S23:判斷成像的點(diǎn)是否收斂在發(fā)射天線元的位置，若是則執(zhí)行步驟S24，若否則跳至步驟S21。
[0084]步驟S24:得到電磁波在生物體組織中的傳播時(shí)間。
[0085]步驟S25:去除皮膚反射干擾信號(hào)。
[0086]步驟S26:將待成像區(qū)域分割成的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行時(shí)移并合成疊加成像。
[0087]步驟S26包括:將同一時(shí)刻的回波信號(hào)強(qiáng)度相乘得到乘積，然后將不同時(shí)刻回波信號(hào)強(qiáng)度的乘積疊加。
[0088]利用未經(jīng)預(yù)處理的散射回波(即接收天線元接收的信號(hào))，和天線元的位置來補(bǔ)償乳房中由于各向異性的非均勻乳腺組織而造成對(duì)波的傳播速度的估計(jì)偏差，達(dá)到散射強(qiáng)度準(zhǔn)確的合成疊加。
[0089]在已知各個(gè)天線元位置的前提下，通過發(fā)射天線元、接收天線元和散射位置之間的各個(gè)距離，以及電磁波在乳房中的傳播速度計(jì)算出電磁波在天線元間的傳播時(shí)間。接收天線元所記錄的回波信號(hào)根據(jù)計(jì)算出的傳播時(shí)間時(shí)移到發(fā)射天線元的位置，這等效于在回波信號(hào)上通過傳播時(shí)間找出發(fā)射天線元激發(fā)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，最終對(duì)這些天線元的激發(fā)信號(hào)相加成像，這一過程稱為時(shí)移和疊加。
[0090]由于發(fā)射天線元的位置已知，如果波傳播時(shí)間估計(jì)準(zhǔn)確，則推算出的成像點(diǎn)應(yīng)該收斂在發(fā)射天線的位置，此時(shí)成像點(diǎn)的位置和已知發(fā)射天線元的位置重合。如果不收斂，則設(shè)置的平均介電常數(shù)不準(zhǔn)確，迭代的算法會(huì)修正平均介電常數(shù)，直到成像點(diǎn)收斂在已知的發(fā)射天線元的位置上，此時(shí)電磁波在乳房組織中的傳播時(shí)間可以被準(zhǔn)確計(jì)算出來。
[0091]接著利用預(yù)處理算法去除皮膚的反射干擾，然后再對(duì)得到的散射回波進(jìn)行時(shí)移和疊加。與之前的時(shí)移和疊加不同，此時(shí)的時(shí)移對(duì)象不是發(fā)射天線元的位置而是成像區(qū)域中預(yù)先分割的網(wǎng)格上的點(diǎn)。而在信號(hào)強(qiáng)度疊加時(shí)，在多個(gè)回波信號(hào)上同一時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度先相乘然后將不同時(shí)刻的乘積結(jié)果相加完成信號(hào)的疊加。在完成對(duì)整個(gè)乳房中網(wǎng)格的掃描后，完整的雷達(dá)散射強(qiáng)度成像就形成了。這樣的雷達(dá)成像因?yàn)楦倪M(jìn)了介電常數(shù)平均數(shù)的估計(jì)和散射信號(hào)疊加的方法，可以準(zhǔn)確的顯示乳腺腫瘤的位置。
[0092]通過合并重構(gòu)生物體組織(例如乳房組織)介電特性圖像和雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像，將提高乳腺癌的診斷率。此外，層析成像還能夠重建乳房的密度、組織形狀等臨床診斷非常有用的信息。
[0093]上述生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，兼具微波層析和雷達(dá)成像技術(shù)，通過共焦的圖像提高探測(cè)(例如乳腺癌)的靈敏度和診斷率。
[0094]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種生物體組織探測(cè)裝置，其特征在于，包括外殼和設(shè)于外殼外表面的天線陣，所述外殼用于覆蓋生物體組織，所述天線陣包括兩個(gè)以上集中分布的天線元，所述天線陣的天線元集中分布于所述外殼的外表面的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體組織探測(cè)裝置，其特征在于，所述外殼的形狀為半球型或圓錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體組織探測(cè)裝置，其特征在于，所述天線元為喇叭天線、貼片天線和維瓦爾第天線中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體組織探測(cè)裝置，其特征在于，所述天線元的工作頻率在 IGHZ ?8GHZ。
5.一種生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的生物體組織探測(cè)裝置，還包括信號(hào)單元、控制單元和算法處理單元； 所述信號(hào)單元用于產(chǎn)生超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)，所述控制單元用于控制所述生物體組織探測(cè)裝置將所述超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)激發(fā)成電磁波信號(hào)并通過所述生物體組織探測(cè)裝置發(fā)射； 所述控制單元還用于控制所述生物體組織探測(cè)裝置接收所述電磁波信號(hào)的回波散射信號(hào)，并將接收到的回波散射信號(hào)傳送到所述算法處理單元； 所述算法處理單元用于重構(gòu)生物體組織的介電特性的圖像和雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述超寬帶的頻域信號(hào)或短時(shí)的時(shí)域信號(hào)的產(chǎn)生是采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)或通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將一組離散的頻域信號(hào)經(jīng)過逐個(gè)掃描然后合成的信號(hào)。
7.一種生物體組織探測(cè)方法，其特征在于，基于權(quán)利要求5所述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，用于重構(gòu)生物體組織介電特性的圖像，重構(gòu)生物體組織介電特性的圖像的方法采用具備了緩沖型邊界條件的粒子群優(yōu)化算法，所述緩沖型邊界條件為:允許粒子穿過邊界并到達(dá)設(shè)定距離，然后以一個(gè)衰減的速度反向回到邊界附近； 所述重構(gòu)生物體組織的介電特性的圖像的方法包括步驟: 步驟1:屏蔽全部維度中的一個(gè)或兩個(gè)以上的維度，被屏蔽維度中的粒子不再更新自己的位置和速度信息； 步驟2:應(yīng)用所述緩沖型邊界條件，找到未屏蔽維度的局部偽優(yōu)化解；所述局部偽優(yōu)化解為在維度改變的過程中粒子暫時(shí)的最優(yōu)解； 步驟3:繼續(xù)分解維度，再屏蔽I或2個(gè)以上維度； 步驟4:重復(fù)步驟I到步驟3直到未屏蔽的維數(shù)降至預(yù)設(shè)維度； 步驟5:找到所述預(yù)設(shè)維度上的解，并在后續(xù)的迭代計(jì)算中鎖定所述預(yù)設(shè)維度的全局最優(yōu)解，使所述預(yù)設(shè)維度的位置信息不變； 步驟6:釋放一個(gè)或兩個(gè)以上被屏蔽的維度； 步驟7:找到釋放維度的局部偽優(yōu)化解，所述局部偽優(yōu)化解作為被釋放的維度的全局最優(yōu)解； 步驟8:更新釋放維度中的粒子的位置和速度信息； 步驟9:重復(fù)步驟I到步驟8直到獲得全部維度的全局最優(yōu)解； 步驟10:將所述全部維度的全局最優(yōu)解生成生物體組織介電特性圖像。
8.一種生物體組織探測(cè)方法，其特征在于，基于權(quán)利要求5所述的生物體組織探測(cè)系統(tǒng)，用于重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像，重構(gòu)雷達(dá)散射強(qiáng)度的圖像的方法包括步驟: 設(shè)置或修正平均介電常數(shù)值； 將接收天線元記錄的回波時(shí)移到發(fā)射天線元的位置并合成疊加成像； 若成像的點(diǎn)收斂在發(fā)射天線元的位置，則得到電磁波在生物體組織中的傳播時(shí)間； 去除皮膚反射干擾信號(hào)； 將待成像區(qū)域分割成的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行時(shí)移并合成疊加成像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的生物體組織探測(cè)方法，其特征在于，將待成像區(qū)域分割成的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行時(shí)移并合成疊加成像的步驟包括:將同一時(shí)刻的回波信號(hào)強(qiáng)度相乘得到乘積，然后將不同時(shí)刻回波信號(hào)強(qiáng)度的乘積疊加。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK104473617SQ201410629453
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】楊帆, 陳意釩 申請(qǐng)人:南方科技大學(xué)