一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法及系统，涉及微波热声成像技术领域，解决了传统的穿刺引导影像学技术穿刺角度受限，成像效果不佳的问题，本发明专利技术通过调整天线电场极化方向与穿刺针的夹角、选择与穿刺针长度相近的半波长下对应频率的微波、增加穿刺针可视化增强模块，使穿刺针和病灶在热声图像中获得较高的介电对比度并呈现出清晰完整的形态。本发明专利技术所提供的穿刺针和病灶可视化方法及系统，相比于传统的穿刺引导影像学技术，具有对比度高、非电离、成本低、便携性好、可实时成像的特点，并且可无角度限制对穿刺针穿刺情况进行可视化。穿刺情况进行可视化。穿刺情况进行可视化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法及系统


[0001]本专利技术涉及微波热声成像
，更具体地说，它涉及一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法及系统。

技术介绍

[0002]现代医学影像技术是临床医学中不可或缺的技术手段，随着科技的不断发展，医学影像技术也在不断地进步，常用的医学影像技术有超声成像(Ultrasound Imaging)、X线成像(X
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ray Imaging)、计算机断层扫描成像(Computed Tomography,CT)和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)。医学影像技术使病灶可视化，极大的方便了医护人员对病灶位置和大小的把握。在实际临床过程中，往往会通过穿刺针对病灶组织穿刺采样或注射药物。在穿刺过程中，穿刺针的可视化是十分必要的，利用现代医学影像技术对穿刺针进行观察可以使穿刺更加方便、准确。
[0003]各类医学影像技术在穿刺针可视化方面各具优劣：超声成像是穿刺针可视化中常用的影像学技术，其具有非电离、可实时成像、易操作的特点，适用人群范围最广。但在病灶组织的声阻抗与周围正常组织相近时，超声成像将难以获得两者间明显的对比度差异。此外，研究发现，由于穿刺针表面光滑，当穿刺针与超声波束夹角过大时，超声探头将难以接收到反射的超声信号，即超声成像不可无角度限制观察穿刺针。X线成像具有对比度高、分辨率高的优点，尤其是对钙化病变灵敏度较高，这在观察具有钙化病变组织时具有较大优势，但固有的电离辐射危害限制了其长时间频繁使用。CT成像辅助穿刺针可以获得高精确度的深层组织图像，消除了组织重叠带了的不利影响，还可通过旋转图像来确定最佳穿刺角度。但CT成像过程具有较大的电离辐射危害、设备体量巨大，为实时观察穿刺情况带来不便。MRI成像辅助穿刺针同样可以获得高精确度的深层组织图像，且其特异性和敏感性较高，但昂贵的成本限制了其普及程度。并且MRI具有金属敏感性、不可实时成像，难以观察穿刺情况。
[0004]综上，为解决当前影像学技术在穿刺针可视化过程中的局限性，亟需发展一种新型生物医学影像技术改善穿刺针的可视化问题。

技术实现思路

[0005]本申请的目的是提供一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法及系统，通过微波热声成像结合机械臂带动天线和超声换能器转动以及增加金属反射面，实现穿刺针和病灶的最佳可视化效果。
[0006]第一方面，本申请提供了一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化系统，包括微波激励模块、数据采集模块、图像重建模块、机械臂控制模块以及可视化增强模块；
[0007]所述微波激励模块包括依次连接的微波源、同轴线、天线和计算机内置的微波源控制程序，用于将微波源产生的微波辐射至生物组织和穿刺针，所述微波源控制程序用于调整微波频率；
[0008]所述数据采集模块包括依次连接的超声换能器、多通道放大器和多通道采集卡，用于采集生物组织和穿刺针产生的热声信号；
[0009]所述图像重建模块包括计算机，其内置延迟叠加算法和图像融合算法，所述计算机分别与所述多通道采集卡、微波源和伺服电机连接，用于根据采集到的热声信号构建可视化热声图像、调整微波频率以及发送控制指令；
[0010]所述机械臂控制模块包括依次连接的多轴机械臂、伺服电机和计算机内置的机械臂电机控制程序，所述控制程序用于发送控制指令、接收返回的运动角度，所述多轴机械臂的不同轴分别连接超声换能器和天线，用于响应于控制指令，带动天线和超声换能器运动，并返回运动角度；
[0011]所述可视化增强模块包括单个或阵列金属反射面，所述金属反射面置于天线对侧用于将透过或绕射过生物组织的微波反射回穿刺针和生物组织。
[0012]本申请第二方面提供一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法，应用于上述的一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化系统，方法包括：
[0013]S1、响应于第一控制指令，伺服电机调整天线和超声换能器与生物组织的相对位置，使超声换能器处于可获得病灶形态完整热声图像的成像层面；
[0014]S2、响应于第二控制指令，伺服电机调整天线面向病灶，并使得病灶处于天线微波传输路径上，沿传输路径的中轴线旋转天线，在旋转过程中，若天线电场极化方向或入射方向平行于病灶长轴，将获得病灶的最佳热声图像；
[0015]S3、调整微波频率使得微波半波长与穿刺针长度相等；
[0016]S4、响应于第三控制指令，伺服电机带动天线旋转，使得天线电场极化方向向着与穿刺针平行的角度旋转，直至获得包含穿刺针和病灶的最佳热声图像。
[0017]采用上述技术方案，通过调整天线电场极化方向与穿刺针的夹角、选择与穿刺针长度相近的半波长下对应频率的微波，使穿刺针和病灶在热声图像中获得较高的介电对比度并呈现出清晰完整的形态。相比于传统的穿刺引导影像学技术，具有对比度高、非电离、成本低、便携性好、可实时成像的特点，并且可无角度限制对穿刺针穿刺情况进行可视化。
[0018]在一种可能的实施方式中，所述步骤S2包括：在伺服电机带动天线沿传输路径的中轴线旋转的过程中，以固定频率计算并显示热声图像中病灶CNR值，计算机自动确定最大的CNR值，并将其对应的天线旋转角度反馈到机械臂控制模块，伺服电机带动天线旋转至该天线角度，获得病灶的最佳热声图像。
[0019]在一种可能的实施方式中，所述步骤S4包括：以病灶CNR值最大时对应的天线旋转角度作为初始角度，伺服电机带动天线旋转，在旋转过程中实时计算并显示病灶CNR值和穿刺针CNR值，在保证病灶CNR值不低于可视阈值的前提下，获得包含穿刺针和病灶的最佳热声图像。
[0020]在一种可能的实施方式中，在旋转过程中，若穿刺针CNR值可获得极大值，则分析穿刺针CNR极大值是否小于病灶CNR值，如小于则保持天线于此角度，如不小于则伺服电机旋转天线回退至病灶CNR值与穿刺针CNR值相等时的角度，获得包含穿刺针和病灶的最佳热声图像。
[0021]在一种可能的实施方式中，在旋转过程中，若穿刺针CNR值不能获得极大值，则分析穿刺针CNR最大值是否小于病灶CNR值，如小于则保持天线于此角度，如不小于则伺服电
机旋转天线回退至病灶CRN值与穿刺针CNR值相等时的角度，获得包含穿刺针和病灶的最佳热声图像。
[0022]在一种可能的实施方式中，还包括：在包含穿刺针和病灶的最佳热声图像中，如穿刺针和病灶CNR值均小于可视阈值，则在微波激励模块中设置输出与病灶和穿刺针微波频率相匹配的两种微波。
[0023]在一种可能的实施方式中，还包括：数据采集模块采集两个单频热声信号后，通过图像重建模块执行图像融合算法，获得并显示两个单频热声图像和融合热声图像。
[0024]在一种可能的实施方式中，还包括：若穿刺针和病灶的可视化效果不佳，还可在生物组织周围放置可视化增强模块，用于将透过或绕射过生物组织的微波反射回穿刺针和病灶组织。
[0025]在一种可能的实施方式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化系统，其特征在于，包括微波激励模块、数据采集模块、图像重建模块、机械臂控制模块以及可视化增强模块；所述微波激励模块包括依次连接的微波源、同轴线、天线和计算机内置的微波源控制程序，用于将微波源产生的微波辐射至生物组织和穿刺针，所述微波源控制程序用于调整微波频率；所述数据采集模块包括依次连接的超声换能器、多通道放大器和多通道采集卡，用于采集生物组织和穿刺针产生的热声信号；所述图像重建模块包括计算机，其内置延迟叠加算法和图像融合算法，所述计算机分别与所述多通道采集卡、微波源和伺服电机连接，用于根据采集到的热声信号构建可视化热声图像、调整微波频率以及发送控制指令；所述机械臂控制模块包括依次连接的多轴机械臂、伺服电机和计算机内置的机械臂电机控制程序，所述控制程序用于发送控制指令、接收返回的运动角度，所述多轴机械臂的不同轴分别连接超声换能器和天线，用于响应于控制指令，带动天线和超声换能器运动，并返回运动角度；所述可视化增强模块包括单个或阵列金属反射面，所述金属反射面置于天线对侧用于将透过或绕射过生物组织的微波反射回穿刺针和生物组织。2.一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化系统，包括：S1、响应于第一控制指令，伺服电机调整天线和超声换能器与生物组织的相对位置，使超声换能器处于可获得病灶形态完整热声图像的成像层面；S2、响应于第二控制指令，伺服电机调整天线面向病灶，并使得病灶处于天线微波传输路径上，沿传输路径的中轴线旋转天线，在旋转过程中，若天线电场极化方向或入射方向平行于病灶长轴，将获得病灶的最佳热声图像；S3、调整微波频率使得微波半波长与穿刺针长度相等；S4、响应于第三控制指令，伺服电机带动天线旋转，使得天线电场极化方向向着与穿刺针平行的角度旋转，直至获得包含穿刺针和病灶的最佳热声图像。3.根据权利要求2所述的一种基于微波热声成像的穿刺针和病灶可视化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在伺服电机带动天线沿传输路径的中轴线旋转的过程中，以固定频率计算并显示热声图像中病灶CNR值，计算机自动...

【专利技术属性】
技术研发人员：强涛，迟子惠，杜爽，蒋华北，王阳，吴丹，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：