CN110464350A - 微波显微成像方法、装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波显微成像方法、装置及***，涉及生物医学成像技术领域。该方法通过获取对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的第一光声信号及第二光声信号，然后根据第一光声信号及第二光声信号确定目标激发点的微波吸收系数，从而根据每个激发点的位置坐标及对应的微波吸收系数得到待测样品的微波显微图像。由于第二光声信号和第一光声信号两者的差值包括脉冲微波导致的目标激发点的温度变化情况，从而可以根据第二光声信号和第一光声信号两者确定微波吸收系数；又由于激光可以聚焦，从而减小照射至激发点的光斑的面积，使得待测样品可以测定的激发点更多，进而提高了图像分辨率，实现了微波显微成像。

Description

微波显微成像方法、装置及***

技术领域

本发明涉及生物医学成像技术领域，具体而言，涉及一种微波显微成像方法、装置及***。

背景技术

微波成像是以微波频谱的电磁波作为探测手段，获取生物体内介电特性的空间分布，通过呈现不同组织之间介电特性的差异来诊断病变组织，其方法主要是对植入耦合媒介中的待测样品进行电磁波探测，在接收端通过旋转天线阵以实现对散射波的全方位收集与监控，最后利用重复迭代的算法得出待测样品的介电特性分布。

微波热声成像是近年来发展中的一种新无损医学成像方法，利用脉冲微波照射生物组织来激发热声信号(超声波信号)的断层成像技术，由于微波的深穿透性，生物组织内部产生的热声信号携带了组织的微波吸收特征信息，通过测量热声信号能重建出组织中的微波吸收分布图像。因此，热声成像是一种无损、高对比度、深成像深度、大视场的成像方法。

但是，由于微波难以聚焦，微波成像分辨率依赖于微波波长(厘米量级)，而微波热声成像将分辨率提高到声学分辨率(亚毫米量级)，所以一般的微波成像分辨率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微波显微成像方法、装置及***。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种微波显微成像方法，应用于微波显微成像***的处理器，所述方法包括：

获取第一光声信号及第二光声信号，其中，所述第一光声信号及所述第二光声信号分别为对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的光声信号；

根据所述第一光声信号及所述第二光声信号确定所述目标激发点的微波吸收系数，其中，所述微波吸收系数与所述激发点对应；

根据每个所述激发点的位置坐标及对应的所述微波吸收系数得到所述待测样品的微波显微图像。

第二方面，本发明实施例提供一种微波显微成像装置，应用于微波显微成像***的处理器，所述装置包括：

光声信号获取模块，用于获取第一光声信号及第二光声信号，其中，所述第一光声信号及所述第二光声信号分别为对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的光声信号；

微波吸收系数确定模块，用于根据所述第一光声信号及所述第二光声信号确定所述目标激发点的微波吸收系数，其中，所述微波吸收系数与所述激发点对应；

图像生成模块，用于根据每个所述激发点的位置坐标及对应的所述微波吸收系数得到所述待测样品的微波显微图像。

第三方面，本发明实施例提供一种微波显微成像***，所述微波显微成像***包括处理器，所述处理器用于执行如前述实施方式中任意一项所述的微波显微成像方法。

本发明实施例提供的微波显微成像方法、装置及***，通过获取对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的第一光声信号及第二光声信号，然后根据第一光声信号及第二光声信号确定目标激发点的微波吸收系数，从而根据每个激发点的位置坐标及对应的微波吸收系数得到待测样品的微波显微图像。由于第二光声信号和第一光声信号两者的差值包括脉冲微波导致的目标激发点的温度变化情况，从而可以根据第二光声信号和第一光声信号两者确定微波吸收系数；又由于激光可以聚焦，从而减小照射至激发点的光斑的面积，使得待测样品可以测定的激发点更多，进而提高了图像分辨率，实现了亚微米量级的微波显微成像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明提供的微波显微成像***的结构框图。

图2示出了本发明提供的微波显微成像方法的流程图。

图3示出了本发明提供的微波显微成像方法进一步的流程图。

图4示出了本发明提供的微波显微成像方法的原理图。

图5示出了本发明提供的微波显微成像装置的功能模块图。

图标：100-微波显微成像***；110-处理器；120-激光发生单元；130-微波发生单元；140-超声探测单元；150-耦合单元；160-数据采集单元；200-微波显微成像装置；210-光声信号获取模块；220-微波吸收系数确定模块；230-图像生成模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供了一种微波显微成像***100，用于得到高分辨率的微波显微图像。请参阅图1，为本发明提供的微波显微成像***100的结构框图。本发明提供的微波显微成像***100包括：处理器110、激光发生单元120、微波发生单元130、超声探测单元140、耦合单元150、数据采集单元160以及聚焦单元(图未示)。其中，处理器110与激光发生单元120、微波发生单元130以及数据采集单元160分别电连接，超声探测单元140、数据采集单元160以及处理器110依次电连接。

其中，激光发生单元120用于在处理器110的控制下，向设置于耦合单元150内的待测样品的目标激发点发射脉冲激光。在一种可选的实施方式中，激光发生单元120发射的脉冲激光的脉宽为10ns，脉冲重复频率为10Hz，波长为1206mm。

聚焦单元设置于激光发生单元120与耦合单元150之间，用于对激光发生单元120发射的脉冲激光进行聚焦，以减小光斑的面积。

微波发生单元130用于在处理器110的控制器，向待测样品的目标激发点发射脉冲微波。在一种可选的实施方式中，微波发生单元130为BW-6000HPT高功率微波发生器，其频率为6GHz、脉冲功率在80KW-300KW内连续可调。而脉冲微波的脉冲宽度为0.5μs，重复频率为50～500Hz，优选为500Hz。

耦合单元150用于放置待测样品。具体地，耦合单元150可以包含透光、透微波的容器以及容器内的耦合剂，待测样品便置于耦合剂内。耦合剂使得待测样品处于恒温环境，同时可使得光声信号能有效传输至超声探测单元140，使得成像更加清晰。

超声探测单元140用于接收超声波信号，并将其转换为电信号后传输至处理器110。在一种可选的实施方式中，超声探测单元140的类型为多阵元的线阵探头，主频为10MHz，相对带宽为70％左右。

数据采集单元160用于对超声探测单元140传输的电信号进行选频、滤波、模数转换等操作得到光声信号，并将光声信号传输至处理器110。

处理器110用于确定每个激发点的微波吸收系数，并利用matlab程序进行图像重建得到微波显微图像以及进行图像显示。

本发明还提供了一种微波显微成像方法，应用于上述微波显微成像***100的处理器110，用于得到高分辨率的微波显微图像。请参阅图2，为本发明提供的微波显微成像方法的流程图。该微波显微成像方法包括：

S201，获取第一光声信号及第二光声信号。

其中，第一光声信号及第二光声信号分别为对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的光声信号。

请参阅图3，为微波显微成像方法进一步的流程图。该S201包括：

S2011，控制激光发生单元120向目标激发点发射脉冲激光。

首先，处理器110控制激光发生单元120发射特定参数的脉冲激光，并经由聚焦单元聚焦后辐射到目标激发点。

S2012，接收超声探测单元140采集的第一光声信号。

超声探测单元140采集第一光声信号，并将第一光声信号传输至处理器110。由于微波发生单元130还未工作，此时采集到的第一光声信号即为对目标激发点使用脉冲微波加热前的光声信号。

S2013，在第一预设时间后，控制微波发生单元130向目标激发点发射脉冲微波并持续预设时长以加热目标激发点。

也即，让待测样品冷却第一预设时间后，再控制微波发生单元130向目标激发点发射特定参数的脉冲微波，使得目标激发点升温。由于脉冲激光照射待测样品会导致的待测样品升温，如若获取第一光声信号直接控制微波发生单元130向目标激发点发射脉冲微波并持续预设时长，会由于热积累的存在导致目标激发点的温度变化量并非完全由脉冲微波决定，因而通过将待测样品冷却第一预设时间，可以避免热积累，从而获得精确的测试结果。

通常地，第一预设时间为60～100s。优选地，第一预设时间为100s。

另外，为了能够使得待测样品在脉冲微波的照射下升高足够的温度，需要对目标激发点持续发射脉冲微波预设时长。在一种可选的实施方式中，预设时长为10～60s，优选地，预设时长为20s。

S2014，再次控制激光发生单元120向目标激发点发射脉冲激光，并接收超声探测单元140采集的第二光声信号。

可以理解地，第二光声信号即为对目标激发点使用脉冲微波加热后的光声信号。

另外，S2014与S2011一致，在此不再赘述。但需要说明的是，S2014与S2013这两个步骤之间的时间间隔应该尽可能小，以避免热扩散，导致最后的测量结果不准确。

S202，根据第一光声信号及第二光声信号确定目标激发点的微波吸收系数。

其中，微波吸收系数与激发点对应。也即，每个激发点均有对应的微波吸收系数。

请继续参阅图3，为S202的具体流程图。该S202包括：

S2021，根据第一光声信号与第二光声信号确定目标激发点的温度变化量。

具体地，第一光声信号、第二光声信号及温度变化量满足算式：

其中，PA₀为第一光声信号，且PA₀∝αΓ＝α(AT₀+B)(即PA₀与α(AT₀+B)成正比关系)，PA₁为第二光声信号，且PA₁∝α[A(T₀+ΔT)+B](即PA₁与α[A(T₀+ΔT)+B]成正比关系)，α为预设定的激光吸收系数，A为预设定的第一系数，B为预设定的第二系数，T₀为预先获取的室内环境温度，ΔT为温度变化量。

S2022，基于温度变化量及预设定的参数集确定目标激发点的微波吸收系数。

其中，预设定的参数集包含微波辐射所持续的预设时长、微波重复频率、微波能量、待测样品的密度以及待测样品的比热容。从而，温度变化量、预设定的参数集以及微波吸收系数满足算式：

其中，ΔT为温度变化量，t为微波辐射所持续的预设时长，f为微波重复频率，β为微波吸收系数，H为微波能量，ρ为待测样品的密度，C_p为待测样品的比热容。

需要说明的是，微波辐射所持续的预设时长即为预设时长，且微波重复频率f、微波能量H均为微波发生单元130发射的脉冲微波的参数，待测样品的密度以及待测样品的比热容均为预先得知的参数。

综合上述两个算式可知：

从而，微波吸收系数

S203，根据每个激发点的位置坐标及对应的微波吸收系数得到待测样品的微波显微图像。

在一种可选的实施方式中，可利用处理器110运行matlab程序进行图像重建得到微波显微图像。

也即，当获取每个激发点的微波吸收系数以后，便可得到待测样品的微波显微图像。需要说明的是，通过调整待测样品与激光发生单元120的相对位置的方法，更换目标激发点。

在一种可选的实施方式中，微波显微成像***还包括样品位置调整单元，且样品位置调整单元与处理器110电连接，样品位置调整单元设置于耦合单元内，且待测样品放置于样品位置调整单元上。从而，每确定一个目标激发点的微波吸收系数，处理器110便通过控制样品位置调整单元调整待测样品相与激光发生单元120的相对位置，从而更换目标激发点，从而确定新的目标激发点的微波吸收系数。

请参阅图4，为本发明提供的微波显微成像方法的原理图。在利用脉冲微波对待测样品进行加热后，第二光声信号与第一光声信号的差值中便携带有温升信息；又由于温升信息与待测样品对脉冲微波的微波吸收系数相关，因此在脉冲微波的其他参数确定的情况下，便能得到微波吸收系数。由于激光可以聚焦，进而减小照射至激发点的光斑的面积，在待测样品面积不变的情况下，每个激发点所占的面积更小，从而增加了待测样品上可以测定的激发点的数量，进而提高了图像分辨率，实现了微波显微成像。

为了执行上述实施例及各个可能的方式中的相应步骤，下面给出一种微波显微成像装置200的实现方式，可选地，该微波显微成像装置200可以采用上述图1所示的处理器110的器件结构。进一步地，请参阅图5，图5为本发明实施例提供的一种微波显微成像装置200的功能模块图。需要说明的是，本实施例所提供的微波显微成像装置200，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。该微波显微成像装置200包括：光声信号获取模块210、微波吸收系数确定模块220以及图像生成模块230。

其中，光声信号获取模块210用于获取第一光声信号及第二光声信号。

具体地，光声信号获取模块210用于先控制激光发生单元120向目标激发点发射脉冲激光，然后接收超声探测单元140采集的第一光声信号，接着在第一预设时间后，控制微波发生单元130向目标激发点发射脉冲微波并持续预设时长，最后再次控制激光发生单元120向目标激发点发射脉冲激光，并接收超声探测单元140采集的第二光声信号。

可以理解地，在一种可选的实施方式中，光声信号获取模块210可用于执行S201、S2011、S2012、S2013以及S2014。

微波吸收系数确定模块220用于根据第一光声信号及第二光声信号确定目标激发点的微波吸收系数。

具体地，微波吸收系数确定模块220用于根据第一光声信号与第二光声信号确定目标激发点的温度变化量，并基于温度变化量及预设定的参数集确定目标激发点的微波吸收系数。

可以理解地，在一种可选的实施方式中，微波吸收系数确定模块220可用于执行S202、S2021以及S2022。

图像生成模块230用于根据每个激发点的位置坐标及对应的微波吸收系数得到待测样品的微波显微图像。

可以理解地，在一种可选的实施方式中，图像生成模块230可用于执行S203。

综上所述，本发明实施例提供的微波显微成像方法、装置及***，通过获取对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的第一光声信号及第二光声信号，然后根据第一光声信号及第二光声信号确定目标激发点的微波吸收系数，从而根据每个激发点的位置坐标及对应的微波吸收系数得到待测样品的微波显微图像。由于第二光声信号和第一光声信号两者的差值包括脉冲微波导致的目标激发点的温度变化情况，从而可以根据第二光声信号和第一光声信号两者确定微波吸收系数；又由于激光可以聚焦，从而减小照射至激发点的光斑的面积，使得待测样品可以测定的激发点更多，进而提高了图像分辨率，实现了微波显微成像。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波显微成像方法，其特征在于，应用于微波显微成像***的处理器，所述方法包括：

获取第一光声信号及第二光声信号，其中，所述第一光声信号及所述第二光声信号分别为对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的光声信号；

根据所述第一光声信号及所述第二光声信号确定所述目标激发点的微波吸收系数，其中，所述微波吸收系数与所述激发点对应；

根据每个所述激发点的位置坐标及对应的所述微波吸收系数得到所述待测样品的微波显微图像。

2.根据权利要求1所述的微波显微成像方法，其特征在于，所述根据所述第一光声信号及所述第二光声信号确定所述目标激发点的微波吸收系数的步骤包括：

根据所述第一光声信号与所述第二光声信号确定所述目标激发点的温度变化量；

基于所述温度变化量及预设定的参数集确定所述目标激发点的微波吸收系数。

3.根据权利要求2所述的微波显微成像方法，其特征在于，所述第一光声信号、所述第二光声信号及所述温度变化量满足算式：

其中，PA₀为所述第一光声信号，且PA₀∝αΓ＝α(AT₀+B)，PA₁为所述第二光声信号，且PA₁∝α[A(T₀+ΔT)+B]，α为预设定的激光吸收系数，A为预设定的第一系数，B为预设定的第二系数，T₀为预先获取的室内环境温度，ΔT为所述温度变化量。

4.根据权利要求2所述的微波显微成像方法，其特征在于，所述预设定的参数集包含微波辐射所持续的预设时长、微波重复频率、微波能量、待测样品的密度以及待测样品的比热容，所述温度变化量、所述预设定的参数集以及所述微波吸收系数满足算式：

其中，ΔT为所述温度变化量，t为微波辐射所持续的预设时长，f为所述微波重复频率，β为所述微波吸收系数，H为所述微波能量，ρ为所述待测样品的密度，C_p为所述待测样品的比热容。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的微波显微成像方法，其特征在于，所述微波显微成像***还包括激光发生单元、微波发生单元、超声探测单元以及耦合单元，所述待测样品设置于所述耦合单元内，所述处理器与所述激光发生单元、所述微波发生单元以及所述超声探测单元分别电连接，所述获取第一光声信号及第二光声信号的步骤包括：

控制所述激光发生单元向所述目标激发点发射脉冲激光；

接收所述超声探测单元采集的第一光声信号；

在第一预设时间后，控制所述微波发生单元向所述目标激发点发射脉冲微波并持续预设时长以加热所述目标激发点；

再次控制所述激光发生单元向所述目标激发点发射所述脉冲激光，并接收所述超声探测单元采集的第二光声信号。

6.一种微波显微成像装置，其特征在于，应用于微波显微成像***的处理器，所述装置包括：

光声信号获取模块，用于获取第一光声信号及第二光声信号，其中，所述第一光声信号及所述第二光声信号分别为对待测样品包含的多个激发点中的目标激发点使用脉冲微波加热前、后的光声信号；

微波吸收系数确定模块，用于根据所述第一光声信号及所述第二光声信号确定所述目标激发点的微波吸收系数，其中，所述微波吸收系数与所述激发点对应；

图像生成模块，用于根据每个所述激发点的位置坐标及对应的所述微波吸收系数得到所述待测样品的微波显微图像。

7.根据权利要求6所述的微波显微成像装置，其特征在于，所述微波吸收系数确定模块用于根据所述第一光声信号与所述第二光声信号确定所述目标激发点的温度变化量；

所述微波吸收系数确定模块还用于基于所述温度变化量及预设定的参数集确定所述目标激发点的微波吸收系数。

8.根据权利要求7所述的微波显微成像装置，其特征在于，所述第一光声信号、所述第二光声信号及所述温度变化量满足算式：

其中，PA₀为所述第一光声信号，且PA₀∝αΓ＝α(AT₀+B)，PA₁为所述第二光声信号，且PA₁∝α[A(T₀+ΔT)+B]，α为预设定的激光吸收系数，A为预设定的第一系数，B为预设定的第二系数，T₀为预先获取的室内环境温度，ΔT为所述温度变化量。

9.根据权利要求7所述的微波显微成像装置，其特征在于，所述预设定的参数集包含微波辐射所持续的预设时长、微波重复频率、微波能量、待测样品的密度以及待测样品的比热容，所述温度变化量、所述预设定的参数集以及所述微波吸收系数满足算式：

其中，ΔT为所述温度变化量，t为所述微波辐射所持续的预设时长，f为所述微波重复频率，β为所述微波吸收系数，H为所述微波能量，ρ为所述待测样品的密度，C_p为所述待测样品的比热容。

10.一种微波显微成像***，其特征在于，所述微波显微成像***包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-5中任意一项所述的微波显微成像方法。