CN102397056A一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法

CN102397056A一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法 (10)申请公布号102397056A (43)申请公布日xx.04.04102397056A*102397056A* (21)申请号xx10274553.8 (22)申请日xx.09.07A61B5/00(xx.01) (71)申请人华东师范大学地址200062上海市普陀区中山北路3663号 (72)发明人姚萌陶志福韩忠玲董夏晨 (74)专利代理机构上海麦其知识产权代理事务所(普通合伙)31257代理人董红曼 (54)发明名称一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法 (57)摘要本发明提供了一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法，其中，在测量点与被测目标35的距离内进行测量，基于探测波阵面的曲面特点，通过迭代对空间的目标位置和目标单元回波比作出估计，进而计算空间单元的电特性常数，以确定肿瘤的位置。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图6页102397056A1/1页21.一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，在测量点与被测目标35的距离内进行测量，基于探测波阵面的曲面特点，通过迭代对空间的目标位置和目标单元回波比作出估计，进而计算空间单元的电特性常数，以确定肿瘤的位置。 2.如权利要求1所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，包括具体步骤是A、基本参数数据准备；B、天线采集数据准备；C、反演计算数据预处理；D、目标反演空间单元回波比迭代计算；E、转换为目标空间单元电特性值输出多色彩成像。 3.如权利要求2所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述步骤A中的所述参数及成像区域的初始设定通过设定检测乳房半径R、高度H、和网格数gNum实现。 4.如权利要求2所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述步骤B中的收发天线位置的改变通过如下步骤实现使用一个发射天线和一个接收天线，天线阵可以轴心沿乳房基线旋转，以便在不同位置处获得直达波和散射波的回波差拍信号，并依此提取回波数据作为目标空间重建的基础。 5.如权利要求2所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述步骤C的确定每个距离弧上的回波能量比通过如下步骤实现通过回波差拍中频信号获取时延，根据不同介质中电磁波的传播速度定出回波目标的位置信息，根据回波能量分布定出每个距离弧上的回波能量比。 6.如权利要求2所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述步骤D的目标反演空间单元回波比迭代计算通过如下步骤实现按照不同距离测量弧上的能量分布，对每个有限元单元进行回波比值估计，以每个单元的回波比进而计算单元的电特性常数值，输出空间分布。 7.如权利要求6所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述按照不同距离的探测弧上的能量分布对每个有限元单元进行回波比值估计，通过如下步骤实现依据被划分成的gNumgNumgNum/2个网格后，计算出每个网格的中心点位置；由发射天线和接收天线的位置和按照延时定出的回波距离信息，以及弧上能量分布估计弧上的回波比进而计算目标单元对应的电特性值。 8.如权利要求2所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，所述步骤E的多色彩成像通过如下步骤实现通过这种基于径向迭代的成像算法输出的是空间单元的回波比分布，进而换算成组织对应的电特性值。 9.如权利要求8所述的微波近场肿瘤成像检测方法，其特征在于，在所述步骤E中，通过微波近场乳腺肿瘤曲线迭代检测法，采用不同成像色彩来标识目标单元的电特性值，可以确定识别乳腺肿瘤。 权利要求书102397056A1/4页3一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法技术领域0001本发明属于医疗微波近场医学检测成像技术领域，涉及一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法。 背景技术0002目前乳腺肿瘤是危害妇女健康的常见恶性肿瘤，自20世纪70年代末，其发病率一直位居女性肿瘤的首位，并以每年2%的速度递增。 全世界每年约有150万妇女患上乳腺癌，并有超过50万的妇女死于乳腺癌。 近年来我国乳腺癌的发病率也呈上升趋势，发病年龄从30岁以后开始增加，4049岁达高峰，严重威胁着广大妇女的生命与健康。 同时也有报道指出，如果乳腺肿瘤在顶径小于10mm时（即早期）就能被及时发现，那么患者通过治疗后的5年存活率将明显提高。 由此可见，乳腺肿瘤的普查和早期诊断，对提高治疗的成功率和患者的远期存活率有着非常重要的意义。 0003但是目前妇科门诊中用于妇女乳腺病变的检查技术手段对人体组织或多或少存在着一定程度的伤害。 运用现代微波检测技术，以超宽带（UWB）形式的检测辐射信号具有辐射功率低、目标信息携载量大等优点，能提供毫米级的定位精度。 以UWB信号作为检测信号源，既能获得高分辨率的成像结果，又能兼顾穿透深度的要求，且相对X光、CT或核磁共振技术而言对人体的伤害小很多，因此为安全、快速、准确地检测乳腺肿瘤提供了技术上的可能。 0004然而如何利用微波UWB信号的特点，处理近场采样数据重建目标空间的组织分布成为微波反演成像问题的关键。 本发明克服现有技术的技术难点，提供一种适用于近场微波乳腺癌探测特点的目标成像方法，为早期乳腺肿瘤的诊断和治疗提供直观和有效的三维信息。 发明内容0005本发明的目的旨在一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法，为早期乳腺肿瘤的诊断和治疗提供直观和有效的三维信息。 0006本发明提供了一种利用径向迭代算法的微波近场肿瘤成像检测方法，其中在测量点与被测目标35的距离内进行测量，基于探测波阵面的曲面特点，通过迭代对空间的目标位置和目标单元回波比作出估计，进而计算空间单元的电特性常数，以确定肿瘤的位置。 0007本发明的微波近场肿瘤成像检测方法的具体步骤是A、基本参数数据准备；B、天线采集数据准备；C、反演计算数据预处理；D、目标反演空间单元回波比迭代计算；E、转换为目标空间单元电特性值输出多色彩成像。 说明书102397056A2/4页40008本发明所采用的基于微波近场的曲面径向迭代方法，其特点在于在乳房圆周探测点设置数量较少（最少不低于8个探测点）的条件下，基于探测波阵面的曲面特点，对探测空间的目标位置和目标单元的电特性常数（介电常数）值作合理的估计。 可以用于确定早期乳腺肿瘤的位置。 0009当探测的虚拟粒子沿曲面法线方向通过探测空间记录沿途遇到的所有的单元信息，比虚拟粒子沿天线正方向传播的直线路径探测记录到的空间单元要多，携带的信息存在着大量的冗余。 本方法就是利用曲线探测携带的冗余信息，大大的减少探测点的数目同时不降低对小于顶径10mm乳腺肿瘤的探测能力。 0010在实际的乳腺癌微波探测感知系统（Breast tumormicrowave sensorsystem-BRATUMASS）系统中。 仿真数据显示，10mm以下的肿瘤（介电常数值一般高于50）明显改变探测电磁场分布。 0011本发明适用于有限目标空间边界上采用较少（最少不低于8点）探测点时，目标空间的组织电特性（介电常数）分布反演计算。 可以适用于乳房等近半球形空间内的肿瘤探测和其他任意形状空间内的人体组织电特性（介电常数）存在差异的空间内的分布计算。 附图说明0012图1A是6mm肿瘤电场分布的示意图之一。 0013图1B是6mm肿瘤电场分布的示意图之二。 0014图2为实际的近场乳腺肿瘤检测计算软件界面。 0015图3A为天线探测示意图。 0016图3B为探测点的位置标定方式的示意图。 0017图4为微波反射成像几何示意图。 0018图5为本发明的计算操作流程图。 0019图6为采样数据输入软件操作界面图。 0020图7为适用本方法的模型空间成像效果示意图。 0021图8为一实例数据分析右乳偏外上方纤维腺瘤8*5mm计算结果示意图。 具体实施方式0022以下结合附图进一步阐述本发明，并给出本发明的实施例。 0023本发明的利用径向迭代算法的微波近场肿瘤检测方法的主要步骤是A、基本参数数据准备:参数及成像区域的初始设定设定检测乳房半径R、高度H和其他相关数据。 由于病例个体差异较大，乳房的高度和半径现在用手动测量，如图2所示。 然后在图6的界面中输入检测乳房半径R、高度H和其他相关数据。 0024B、天线采集数据准备使用一个发射天线和一个接收天线，天线阵可以轴心沿乳房基圆旋转，以便在不同位置处获得直达波d1和回波d2的差拍比较信号，并依此提取回波数据作为探测目标空间重建的基础；天线探测示意图如图3A所示，目前探测点的位置标定有如图3B所示的两种方式。 0025C、反演计算数据预处理采样数据输入，点击数据输入整合工具按钮，如图6所示。 通过回波差拍中频信号获取时延，根据不同介质中电磁波的传播速度定出回波目标的说明书102397056A3/4页5位置信息，然后根据回波能量分布定出每个距离特征弧上的回波能量。 特征弧是对应微波传播波阵面，在二维计算平面上的投影。 0026D、目标反演空间单元回波比迭代计算按照不同距离的特征弧上的能量分布对每个空间单元进行回波比迭代估计依据被划分成的gNumgNumgNum/2个网格后，计算出每个单元网格回波比。 0027若，乳腺半径为80mm，计算分辨率格点单元，那么计算网格划分为808040。 由发射天线和接收天线的位置和按照延时定出的回波距离信息，以及特征弧上对应的回波比分布迭代估计空间单元格回波比。 准备好初始数据并将目标空间单元的回波比置1，所有的探测点标为可选。 以二维为例说明计算过程。 图4为微波反射成像几何示意图。 如图4所示，设测试点采集到数据被按照角度组织为。 设定，测试空间按空间分辨率被分为格。 则回波比函数为可表示为离散形式，简单记为。 测试点，.，等测试点记为，。 算法的计算机处理过程第一步在个探测点中任选一点作为反演的起始点，计算完毕标示为不可选状态。 不妨将其排序为，。 测试空间中任意一点所属的单元格为，该单元格中心到测试点的距离为，表示在测试点采集的投影数据，则点分配的值为其中是以为圆心为半径的圆弧在测试空间穿过的单元格个数。 如此计算空间所有的单元格的回填值。 第二步计算到点回填值。 假设当前计算的测试点为，用表示前一个测试点计算结束后的空间值分布，则式中表示是以为圆心为半径的圆弧在测试空间穿过的所有单元格的回填值的累加。 如此直到完成空间所有的单元格的回填值的计算。 同样的方法计算其他测试点，直到完成点的计算，这时所有的探测点都为不可选状态，这样就完成第一次迭代计算。 第三步将所有的探测点都标为可选状态，重复计算到点的回填值，直到满足误差条件后结束计算。 当第次计算测试点的回填值时，则有，式中表示第t次完成点计说明书102397056A4/4页6算时，以为圆心为半径的圆弧在测试空间穿过的所有单元格的回填值的累加。 那么本次回填误差为，可以设置回填误差到某一门限，即终止迭代，其中表示在测试空间所有以为圆心不同的圆弧。 E、转换为目标空间单元电特性值（介电常数值）输出多色彩成像通过这种基于径向曲线的成像算法输出的是空间单元的回波比分布，要换算成组织对应的电特性（介电常数）值。 微波回波是组织界面上介电常数不同造成的和相邻组织的介电常数有关，这里的回波比是功率比，是回波系数的平方。 0028在电磁场35（为设备微波波长）距离测量区域内，为近场测量。 若被测目标是散射体，则为散射近场测量；对散射近场信息进行反演或逆推就能得到表征目标几何特征的目标函数，由目标函数给出目标的几何形状，形成目标近场成像。 近场成像技术是研究介质表面区域电磁性质的有效手段，适合于进行人体肌肤以下的肿瘤检测。 0029将可视化技术与电磁场近场检测技术相结合，应用到医学成像领域形成医学影像可视化手段。 医学目标体数据的三维可视化，即在计算机上将微波测量的电特征数据转变为直观立体效果的图像，展示器官或医学体的三维形态，以提供传统手段无法获得的解剖结构信息，为手术操作提供视觉交互手段。 0030本发明在圆周探测点数目仅为17个点的条件下，基于探测波阵面的曲线探测的特点，对空间的目标位置和目标单元回波比值作合理的估计，继而推出目标空间单元的电特性值（介电常数）。 可以用于确定妇女早期肿瘤的位置。 图1A显示6mm肿瘤位于边缘位置时的电场分布的一种状况，图1B显示6mm肿瘤位于边缘位置时的另一电场分布状况。 0031图5为本发明的计算操作流程图，应用本发明的方法对肿瘤模型病例的检测反演成像结果（图7）和实例对比（图8）可以看出成像效果与实例中的肿瘤位置一致，这说明采用微波近场乳腺肿瘤径向迭代算法在微波近场检测中得到的乳腺肿瘤数据进行成