用于电磁成像的设备和方法技术

一种用于电磁成像的计算机实现方法，该方法包括以下步骤：访问散射数据，该散射数据至少表示对象的内部特征的电磁波散射的测量值的二维阵列，其中，对象相对于穿过对象的对称平面是大体对称的，并且每个所述测量值表示由设置在对象周围的天线阵列中的对应天线所测量的、由天线阵列中的对应天线发射的电磁波的散射；和处理散射数据以生成表示对象的至少一个内部特征的空间分布的图像数据，其中，图像数据的生成不涉及断层重建，而是根据对象内的在对称平面的两侧上的对应区域对之间的相似性的统计度量。性的统计度量。性的统计度量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电磁成像的设备和方法


[0001]本专利技术涉及电磁成像或表征，特别涉及一种用于电磁成像的设备和方法。

技术介绍

[0002]本说明书中对任何先前出版物(或从中获得的信息)的引用，或对任何已知事项的引用，不被视为也不应被视为该先前出版物(或从中获得的信息)或已知事项构成本说明书所涉及的领域中的公知常识的一部分的认可或承认或任何形式的建议。
[0003]虽然磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)是黄金标准的医学成像模式，但它们非常昂贵，对于特定社区来说数量有限，体积庞大且在紧急情况下不便携，并且需要很长时间(通常长达约40分钟)准备和扫描患者。因此，作为一种更实惠、更容易获得和更便携的成像替代方案，中风和其他病症的基于电磁的成像、定位和分类已在文献中被广泛研究。基于低功率电磁的成像(频率从100MHz开始，通常不超过4GHz)特别令人感兴趣，因为较短波长的电磁场能够更深入地穿透人体头部，并且与频率低于100MHz的电磁场相比产生具有更高空间分辨率的图像。
[0004]研究是利用天线阵列进行的，其中，每个天线都具有对应的专用且独立的电子发射
‑
接收通道，以便能够收集测量散射参数的整个矩阵，通常但不总是S参数或Z参数。例如，对于频谱中的每个频率点，S
ii
参数和S
ij
参数能够直接由矢量网络分析仪收集并存储为二维N
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N矩阵，其中N是在阵列中通道(并因此是天线)的数量。在本说明书的其余部分中，S参数测量值用作散射参数的代表性示例，但应该理解的是，本领域技术人员已知的其他类型的电磁散射测量值，例如Z参数，能够代替或补充S参数使用。
[0005]天线在配置和样式上可以是广泛和多样的，例如通常采用介电负载波导或贴片天线的形式。天线的大小决定了能够安装在头部或其他身体部位周围的天线数量，以及天线能够运行的频率带宽。例如，在人体头部成像的情况下，天线通常围绕头部周向布置，每个天线向内指向头部。通常，在天线孔径与头部表面之间插入耦合介质以减少阻抗失配和功率反射。
[0006]理想情况下，首先在目标病理(例如中风)下执行S参数N
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N矩阵测量，然后在不包含目标病理的背景参照物下重复测量。例如，该背景参照物能够涉及以下任何一项或其组合：(i)空白空间背景参照物、(ii)均匀参照物，例如水浴、(iii)填充阵列内空间的专用模型、(iv)采用头部形状的专用均匀或不均匀模型、和/或(v)与能够准确模拟实验测量值的电磁场求解器(基于软件)相结合的从患者的一组磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)扫描中获得的数字模型。尽管参照物扫描绝对不是必要的，但在许多情况下，它能够有助于显著改善目标中风(或病理学)信号区分，从而改善其检测、定位和分类(通过减法，即
△
S)。
[0007]在中风疾病的情况下，中风通常以两种类型之一发生：(i)出血性或(ii)缺血性。出血性中风是一种类型的中风，其中，血管破裂，导致无法控制的出血进入正常组织区域，通常导致颅内压升高，并导致部分/完全残疾、昏迷或死亡。同样危险的是缺血性中风，其中小的(血)凝块阻塞了血液流向大脑的某个部位。这种类型的中风通常低于微波成像的空间
分辨率，即使在MRI和CT扫描中也通常无法立即看到并且无法与正常组织区分开来。然而，在数小时或数天后，随着凝块闭塞周围形成水性水肿，缺血性中风就很容易用微波成像技术检测到。已知缺血性中风的电磁介电特性(电导率和相对介电常数)比健康组织的头部平均介电特性低约5％至20％，并且因此相对于邻近的健康组织提供稍微较低的微波成像对比度，相对于出血性中风来说，出血性中风具有比头部平均健康组织更高的介电特性，因此产生更高的图像对比度。
[0008]为了使用电磁医学成像对此类疾病进行成像，使用了断层成像方法，其依赖于在高速计算机上实现的基于麦克斯韦场方程或其变体的电磁场求解器。对于任何可用于医学成像的断层扫描方法，确保这些求解器能够常规匹配真实世界的电磁场
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组织相互作用是至关重要的。这些电磁场求解器通常被称为“正向”求解器或“反向”求解器，并与作为目标函数的一部分的S参数测量值结合使用，以迭代优化计算出的电磁场，使得其与现实世界情况的电磁场相匹配。存在有大量此类算法，其通常基于局部/全局积分或微分断层成像模型，通常包含Born迭代求解器。通常这种优化的输出是组织的相对介电常数和电导率的空间图，通常(粗略地)指示目标(例如，异常)组织的介电特性分布，这可能(也可能不)很容易看到并从正常组织的周围介电分布中区分出来。此外，断层扫描方法需要求解比已知测量数量大几个数量级的未知数(例如，在14个天线的阵列下，100
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100 2D断层扫描图像中有10000个未知数，而测量值数量例如仅为169)。附带地，尽管使用了最好的优化求解器，断层成像方法仍然存在最终成像结果可能无法收敛的真实可能性。
[0009]上述断层成像方法的另一个共同特征是通常较长的计算时间，即使采用2D假设(即，假设受试者的解剖结构相对于作为第三空间维度的z方向是不变的)。例如，计算通常至少需要几分钟的时钟时间，在需要高各向同性图像空间分辨率(例如1mm或2mm)以确保准确性的情况下甚至需要数小时。因此，3D断层成像建模系统实际上可能是不可行的，因为体素的数量随着空间分辨率的三次方而增加，并且额外的电磁张量场分量的数量增加了三倍，最多为九倍。这将需要对超级计算能力(在CPU数量和RAM数量方面)进行大量投资，以及任何基于矩量法(MoM)、时域有限差分法(FDTD)或有限元方法(FEM)的断层扫描技术将需要复杂的并行计算算法，尽管计算资源投资很大，但这些算法不一定能提供期望/所需的计算加速(例如，特别是针对中风的紧急情况)。
[0010]此外，基于雷达的成像方法需要相当准确的患者介电(数字)组织模板，由于患者之间的解剖差异很大，该模板通常是未知的，并且如果不额外使用MRI或CT来提供分割和数字化所需的形态学，就难以获得。
[0011]因此，期望提供克服或减轻现有技术的一个或更多个困难的用于电磁成像的设备和计算机实现方法，或者至少提供有用的替代方案。

技术实现思路

[0012]根据本专利技术的一些实施例，提供一种用于电磁成像的计算机实现方法，该方法包括以下步骤：
[0013]访问散射数据，该散射数据至少表示对象的内部特征的电磁波散射的测量值的二维阵列，其中，对象相对于穿过对象的对称平面是大体对称的，并且每个所述测量值表示由设置在对象周围的天线阵列中的对应天线所测量的、由天线阵列中的对应天线发射的电磁
波的散射；和
[0014]处理散射数据以生成表示对象的至少一个内部特征的空间分布的图像数据，其中，图像数据的生成不涉及断层重建，而是根据对象内的在对称平面的两侧上的对应区域对之间的相似性的统计度量。
[0015]对象内的区域可以是多边形，其顶点对应于天线阵列中的三个或更多天线的相应位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电磁成像的计算机实现方法，所述方法包括以下步骤：访问散射数据，所述散射数据至少表示对象的内部特征的电磁波散射的测量值的二维阵列，其中，所述对象相对于穿过所述对象的对称平面是大体对称的，并且每个所述测量值表示由设置在所述对象周围的天线阵列中的对应天线测量的、由所述天线阵列中的对应天线发射的电磁波的散射；和处理所述散射数据以生成表示所述对象的至少一个内部特征的空间分布的图像数据，其中，所述图像数据的生成不涉及断层重建，而是根据所述对象内的在对称平面的两侧上的对应区域对之间的相似性的统计度量。2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中，所述对象内的区域是多边形，其顶点对应于天线阵列中的三个或更多个天线的相应位置。3.根据权利要求1或2所述的计算机实现方法，其中，处理所述散射数据的步骤包括生成所述散射数据的时间序列表示的可视图。4.根据权利要求3所述的计算机实现方法，其中，所访问的散射数据在频域中，并且处理所述散射数据的步骤包括对所访问的所访问的散射数据应用傅立叶逆变换以生成时间序列的散射数据。5.根据权利要求1至4中任一项所述的计算机实现方法，其中，处理所述散射数据的步骤包括选择对称平面的对应侧，用于与每个相似性的统计度量关联。6.根据权利要求5所述的计算机实现方法，其中，区域对中的区域包含在所述对象相对于对称平面的相应侧内，并且所述选择基于相应区域与参照物的对应区域之间的相似性度量。7.根据权利要求5或6所述的计算机实现方法，其中，区域对中的区域中的每个穿过对称平面，并且所述选择基于每个区域的上部(和/或下部)与所述区域对中的另一区域的对应的上部(和/或下部)之间的相似性度量，根据表示反射的散射参数(例如，Sii参数)来计算相似性度量。8.根据权利要求5所述的计算机实现方法，其中，相似性的统计度量与基于所述对象的包含具有对比介电特性的关注区域的一侧上的先验信息选择的对称平面的一侧相关联。9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机实现方法，其中，处理所述散射数据的步骤包括：针对多个网格位置中的每个，融合该网格位置的相似性的统计度量。10.根据权利要求9所述的计算机实现方法，其中，融合相似性的统计度量的步骤包括生成统计度量的对应期望值。11.根据权利要求1至10...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿依达，
申请(专利权)人：伊爱慕威讯医疗设备有限公司，
类型：发明
国别省市：