專利名稱：基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置及方法，屬于熱聲成像技術領域。
背景技術：
微波熱聲成像，是由脈沖調制的微波激勵、產(chǎn)生超聲的成像技術，它既具有微波成 像對不同組織的區(qū)分能力，又結合了超聲成像價格低廉、分辨率較高等優(yōu)勢，利用超聲探頭 和定制的微波源，很容易做到小型便攜化和低成本化。微波熱聲成像既能提供組織的解剖 結構信息，也能夠反映一定的生理生化特性(如組織介電常數(shù)、電導率、聲波傳導規(guī)律以及 微波吸收劑量等)。所以微波熱聲成像可能成為一種新型的高質量無損醫(yī)學成像技術，具有 廣闊的應用前景。熱聲成像技術圖像重建的實質是通過超聲探頭檢測到的熱聲波重建出生物組織 內電磁波的吸收系數(shù)的分布。目前多采用的掃描與成像方案大概以下三種第一種是采用聚焦式超聲傳感器進行圓周掃描，采用濾波反投影算法重建出二維 圖像，采用此種掃描方案時，成像時間長，需要從各個方向接收熱聲信號，如果投影的數(shù)據(jù) 不是完備的，將導致重建圖像的偽跡嚴重，圖像嚴重變形；第二種是采用非聚焦式超聲傳感器接受較大立體角范圍內的超聲信號，采用合成 孔徑掃描方案，然后按照一定的成像算法進行信號處理，一次性給出二維成像結果，采用此 種掃描方案通常近場和遠場成像效果差別明顯，圖像分辨率低，偽跡現(xiàn)象嚴重；第三種是采用多元超聲陣列探頭接受信號，避免探測裝置的全方位圓周掃描，采 用相控聚焦算法進行成像，縮短了系統(tǒng)的成像時間，但圖像橫向分辨率較差，系統(tǒng)的硬件成 本增加。綜上，現(xiàn)有熱聲成像技術存在成像過程復雜，成像效果差別明顯，圖像分辨率低， 圖像的偽跡現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)的硬件成本高等一系列問題

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有熱聲成像技術存在成像過程復雜，成像效果差別明 顯，圖像分辨率低，圖像的偽跡現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)的硬件成本高的問題，提供了一種基于壓縮 感知的微波熱聲成像裝置及方法。本發(fā)明基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，它包括微波發(fā)生器、波導、微波掩膜、、 伺服電機及驅動器、支架、樣品池、單陣元超聲探測器、計算機和熱聲信號采集電路，待測樣品在樣品池的正上方設置有微波掩膜，熱聲信號采集電路的測量矩陣輸出 端與微波掩膜的輸入端相連，熱聲信號采集電路的微波控制輸出端與微波發(fā)生器的控制端 相連，微波發(fā)生器輸出的脈沖微波經(jīng)過波導發(fā)射至微波掩膜表面，并透過該微波掩膜照射 在樣品池內， 兩個單陣元超聲探測器鏡像設置在樣品池內左右兩側，所述兩個單陣元超聲探測 器通過支架和伺服電機及驅動器的動力輸出端固定連接，所述伺服電機及驅動器能夠通過支架控制所述單陣元超聲探測器的陣元面的旋轉角度每個單陣元超聲探測器的回波信號 輸出端與熱聲信號采集電路的熱聲信號輸入端相連，熱聲信號采集電路將處理過的回波數(shù) 據(jù)輸出給計算機，由計算機基于壓縮感知算法完成對回波數(shù)據(jù)進行圖像重建，并將單陣元 超聲探測器不同角度觀測到的圖像進行融合處理，獲取待測樣品的微波熱聲圖像。熱聲信號采集電路包括主控電路、TGC放大電路、預濾波電路、A/D采樣電路、數(shù)據(jù) 采集電路和USB數(shù)據(jù)傳輸電路，主控電路內置FPGA，主控電路內置的FPGA控制微波掩膜產(chǎn) 生壓縮感知重建算法的測量矩陣，主控電路內置的FPGA控制觸發(fā)微波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖微 波，主控電路的串行數(shù)據(jù)控制端與USB數(shù)據(jù)傳輸電路的串行數(shù)據(jù)控制端相連，主控電路的 數(shù)據(jù)采集信號控制端與數(shù)據(jù)采集電路的信號控制端相連，主控電路的A/D采樣信號控制端 與A/D采樣電路的信號控制端相連，主控電路的放大信號控制端與TGC放大電路的信號控 制端相連，TGC放大電路接收兩個單陣元超聲探測器觀測的熱聲信號，TGC放大電路的輸出 端與預濾波電路的輸入端相連，預濾波電路的輸出端與A/D采樣電路的輸入端相連，A/D采 樣電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集電路的輸出端與USB數(shù)據(jù)傳輸電 路的輸入端相連，USB數(shù)據(jù)傳輸電路的輸出端與計算機的輸入端相連?；谌缟纤龅囊环N基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置的微波熱聲成像方法包 括以下步驟步驟一、將待測樣品放置在樣品池內的中心位置，主控電路內置的FPGA發(fā)射脈沖 信號觸發(fā)微波發(fā)生器，同時控制微波掩膜產(chǎn)生隨機矩陣，微波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖微波，脈沖微 波經(jīng)波導、微波掩膜后照射到待測樣品上，產(chǎn)生熱聲信號；步驟二、伺服電機及驅動器通過支架調整兩個單陣元超聲探測器的觀測角度，使 兩個單陣元超聲探測器的陣元面的中心與待測樣品的中心在一條直線上，且所述單陣元超 聲探測器的陣元面對準待測樣品的水平切面，利用熱聲信號采集電路對熱聲信號進行同步 采集；主控電路激勵微波發(fā)生器開始工作的同時產(chǎn)生掃查時序控制信號，控制數(shù)據(jù)采集 電路和熱聲信號采集電路中的其它電路協(xié)調工作，TGC放大電路將單陣元超聲探測器觀測 的熱聲信號通過TGC放大器來補償隨傳播距離增大而逐漸衰減的回波信號，放大后的信號 通過預濾波電路濾波，然后通過A/D采樣電路轉換為數(shù)字回波信號；數(shù)據(jù)采集電路接收數(shù) 字回波數(shù)據(jù)；步驟三、數(shù)據(jù)采集電路采用FPGA實現(xiàn)對雙通道A/D轉換器回波數(shù)據(jù)的緩存，通過 USB數(shù)據(jù)傳輸電路將回波數(shù)據(jù)輸出到計算機內存中；步驟四、計算機對兩個單陣元超聲探測器接收到的回波數(shù)據(jù)基于壓縮感知算法進 行圖像重建，然后將不同角度觀測到的圖像進行融合處理，獲取待測樣品的熱聲圖像。本發(fā)明的優(yōu)點1、本發(fā)明采用單陣元探測器代替陣列探測器，固定位置代替圓周采集，減少了熱 聲成像系統(tǒng)硬件成本，降低了采集時間，實現(xiàn)了熱聲快速成像。2、本發(fā)明通過壓縮感知重建算法進行熱聲圖像重建，可以利用熱聲信號的可稀疏 性采用較少的采樣數(shù)據(jù)進行熱聲圖像重建，同時保證圖像的高分辨率。3、本發(fā)明通過伺服電機及驅動器在線調整超聲探測器觀測角度及縱向位置，不僅可以通過融合技術提高熱聲圖像的分辨率，而且可以進一步實現(xiàn)熱聲三維成像；


圖1是本發(fā)明裝置結構示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的待測樣品示意圖；圖3是利用基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置的重建圖像。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式基于壓縮感知的微 波熱聲成像裝置，它包括微波發(fā)生器1、波導2、微波掩膜3、、伺服電機及驅動器5、支架6、樣 品池7、單陣元超聲探測器8、計算機9和熱聲信號采集電路10，在樣品池7的正上方設置有微波掩膜3，熱聲信號采集電路10的測量矩陣輸出端 與微波掩膜3的輸入端相連，熱聲信號采集電路10的微波控制輸出端與微波發(fā)生器1的控 制端相連，微波發(fā)生器1輸出的脈沖微波經(jīng)過波導2發(fā)射至微波掩膜3表面，并透過該微波 掩膜3照射在樣品池7內，兩個單陣元超聲探測器8鏡像設置在樣品池內左右兩側，所述兩個單陣元超聲探 測器8通過支架6和伺服電機及驅動器5的動力輸出端固定連接，所述伺服電機及驅動器5 能夠通過支架6控制所述單陣元超聲探測器8的陣元面的旋轉角度每個單陣元超聲探測器 8的回波信號輸出端與熱聲信號采集電路10的熱聲信號輸入端相連，熱聲信號采集電路10 將處理過的回波數(shù)據(jù)輸出給計算機9，由計算機9基于壓縮感知算法完成對回波數(shù)據(jù)進行 圖像重建，并將單陣元超聲探測器8不同角度觀測到的圖像進行融合處理，獲取待測樣品4 的微波熱聲圖像。熱聲信號采集電路10包括主控電路101、TGC放大電路102、預濾波電路103、A/D 采樣電路104、數(shù)據(jù)采集電路105和USB數(shù)據(jù)傳輸電路106，主控電路101內置FPGA，主控電 路101內置的FPGA控制微波掩膜3產(chǎn)生壓縮感知重建算法的測量矩陣，主控電路101內置 的FPGA控制觸發(fā)微波發(fā)生器1產(chǎn)生脈沖微波，主控電路101的串行數(shù)據(jù)控制端與USB數(shù)據(jù) 傳輸電路106的串行數(shù)據(jù)控制端相連，主控電路101的數(shù)據(jù)采集信號控制端與數(shù)據(jù)采集電 路105的信號控制端相連，主控電路101的A/D采樣信號控制端與A/D采樣電路104的信 號控制端相連，主控電路101的放大信號控制端與TGC放大電路102的信號控制端相連，TGC放大電路102接收兩個單陣元超聲探測器8觀測的熱聲信號，TGC放大電路 102的輸出端與預濾波電路103的輸入端相連，預濾波電路103的輸出端與A/D采樣電路 104的輸入端相連，A/D采樣電路104的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路105的輸入端相連，數(shù)據(jù)采 集電路105的輸出端與USB數(shù)據(jù)傳輸電路106的輸入端相連，USB數(shù)據(jù)傳輸電路106的輸 出端與計算機9的輸入端相連。微波發(fā)生器1采用頻率為1. 2GHz，脈沖寬度為0. 5 μ s，重復頻率為40Hz的微波發(fā)生器。微波掩膜3采用數(shù)字微鏡元件DMD，DMD上微鏡片方向根據(jù)計算機9生成的服從高 斯分布的隨機矩陣來調制。DMD是在半導體芯片上布置一個由微鏡片所組成的矩陣，每一個微鏡片控制投影畫面中的一個像素，微鏡片的數(shù)量與投影畫面的分辨率相符，這些微鏡皆懸浮著并可向兩 側傾斜10°左右，從而可構成啟通和斷開兩種工作狀態(tài)，DMD的微鏡片方向根據(jù)計算機11 生成的服從高斯分布的隨機矩陣來調制。主控電路101內置的FPGA選用ALTERA公司的EP2C8F256。TGC放大電路102采用ADI公司的AD8332。A/D采樣電路104采用TI公司的ADS5270。數(shù)據(jù)采集電路105中FPGA選用ALTERA公司的EP2C35F672。USB數(shù)據(jù)傳輸電路106中USB芯片選用Cypress公司的EZ-USB FX2LP。計算機11選用普通PC機，內存在512M以上，人機交互界面采用Visual C++開發(fā) 環(huán)境實現(xiàn)。本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，可以成功實現(xiàn)生物組織的 二維和三維熱聲層析成像。裝置采用頻率為1. 2GHz的脈沖微波作為激發(fā)源，用兩個單陣元 的超聲探測器成角度接收信號，然后用壓縮感知的方法重建圖像。與現(xiàn)有方法相比，該系統(tǒng) 采用單陣元超聲探測器接收熱聲信號，避免了探測裝置的全方位旋轉掃描，從而提高了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和時間分辨率，降低了硬件成本；通過支架的縱向位置移動可以實現(xiàn)熱聲的三 維成像；運用壓縮感知方法重建樣品的吸收分布，可以利用熱聲信號的可稀疏性采用較少 的采樣數(shù)據(jù)進行熱聲圖像重建，同時保證圖像的高分辨率。本發(fā)明的工作原理是主控電路發(fā)送脈沖信號給微波發(fā)生器，同時控制微波掩膜 產(chǎn)生隨機矩陣，微波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖微波通過微波掩膜照射到待測樣品上，產(chǎn)生熱聲信號； 伺服電機及驅動器通過支架可調整兩個單陣元超聲探測器的觀測角度，通過支架的升降調 整兩個單陣元超聲探測器的縱向位置；利用單陣元超聲探測器同步觀測熱聲信號，熱聲信 號采集電路對熱聲信號進行同步采集、時間增益補償放大、信號預濾波、A/D采樣轉換和數(shù) 據(jù)采集，然后通過USB接口將數(shù)據(jù)輸入到計算機內存中，最后在計算機上進行熱聲圖像重 建與融合處理。本發(fā)明伺服電機及驅動器5通過支架6與單陣元探測器8機械連接，伺服電機及 驅動器5通過支架6可調整兩個單陣元超聲探測器8的觀測角度，采集不同角度的熱聲信 號進行圖像重建后進行融合；通過支架6的升降調整兩個單陣元超聲探測器8的縱向位置， 采集不同斷層的熱聲信號進行重建后實現(xiàn)熱聲三維成像。
具體實施方式
二 基于實施方式一所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置 的微波熱聲成像方法，該方法包括以下步驟步驟一、將待測樣品4放置在樣品池7內的中心位置，主控電路101內置的FPGA 發(fā)射脈沖信號觸發(fā)微波發(fā)生器1，同時控制微波掩膜3產(chǎn)生隨機矩陣，微波發(fā)生器1產(chǎn)生脈 沖微波，脈沖微波經(jīng)波導2、微波掩膜3后照射到待測樣品4上，產(chǎn)生熱聲信號；步驟二、伺服電機及驅動器5通過支架6調整兩個單陣元超聲探測器8的觀測角 度，使兩個單陣元超聲探測器8的陣元面的中心與待測樣品4的中心在一條直線上，且所述 單陣元超聲探測器8的陣元面對準待測樣品4的水平切面，利用熱聲信號采集電路10對熱 聲信號進行同步采集；主控電路101激勵微波發(fā)生器1開始工作的同時產(chǎn)生掃查時序控制信號，控制數(shù) 據(jù)采集電路105和熱聲信號采集電路10中的其它電路協(xié)調工作，TGC放大電路102將單陣元超聲探測器8觀測的熱聲信號通過TGC放大器來補償隨傳播距離增大而逐漸衰減的回波 信號，放大后的信號通過預濾波電路103濾波，然后通過A/D采樣電路104轉換為數(shù)字回波 信號；數(shù)據(jù)采集電路105接收數(shù)字回波數(shù)據(jù)；步驟三、數(shù)據(jù)采集電路105采用FPGA實現(xiàn)對雙通道A/D轉換器回波數(shù)據(jù)的緩存， 通過USB數(shù)據(jù)傳輸電路106將回波數(shù)據(jù)輸出到計算機9內存中；步驟四、計算機9對兩個單陣元超聲探測器8接收到的回波數(shù)據(jù)基于壓縮感知算 法進行圖像重建，然后將不同角度觀測到的圖像進行融合處理，獲取待測樣品4的熱聲圖像。圖2是本發(fā)明裝置的待測樣品示意圖，圖3是利用基于壓縮感知的微波熱聲成像 裝置的重建圖像，可以看出，重建圖像分辨率較高，能夠很好的反應原待測樣品的結構細 節(jié)，并且有效的抑制了偽跡現(xiàn)象。
權利要求
1.一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于它包括微波發(fā)生器(1)、波導 (2)、微波掩膜(3)、、伺服電機及驅動器(5)、支架(6)、樣品池(7)、單陣元超聲探測器(8)、 計算機(9)和熱聲信號采集電路(10)，在樣品池(7)的正上方設置有微波掩膜(3)，熱聲信號采集電路(10)的測量矩陣輸出 端與微波掩膜C3)的輸入端相連，熱聲信號采集電路(10)的微波控制輸出端與微波發(fā)生器 (1)的控制端相連，微波發(fā)生器(1)輸出的脈沖微波經(jīng)過波導( 發(fā)射至微波掩膜(3)表 面，并透過該微波掩膜(3)照射在樣品池(7)內，兩個單陣元超聲探測器(8)鏡像設置在樣品池內左右兩側，所述兩個單陣元超聲探測 器(8)通過支架(6)和伺服電機及驅動器(5)的動力輸出端固定連接，所述伺服電機及驅 動器( 能夠通過支架(6)控制所述單陣元超聲探測器(8)的陣元面的旋轉角度每個單陣 元超聲探測器⑶的回波信號輸出端與熱聲信號采集電路(10)的熱聲信號輸入端相連，熱 聲信號采集電路(10)將處理過的回波數(shù)據(jù)輸出給計算機(9)，由計算機(9)基于壓縮感知 算法完成對回波數(shù)據(jù)進行圖像重建，并將單陣元超聲探測器(8)不同角度觀測到的圖像進 行融合處理，獲取待測樣品(4)的微波熱聲圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于熱聲 信號采集電路(10)包括主控電路(101)、TGC放大電路(102)、預濾波電路(103)、A/D采樣 電路(104)、數(shù)據(jù)采集電路(105)和USB數(shù)據(jù)傳輸電路(106)，主控電路(101)內置FPGA，主 控電路(101)內置的FPGA控制微波掩膜C3)產(chǎn)生壓縮感知重建算法的測量矩陣，主控電路(101)內置的FPGA控制觸發(fā)微波發(fā)生器(1)產(chǎn)生脈沖微波，主控電路(101)的串行數(shù)據(jù)控 制端與USB數(shù)據(jù)傳輸電路(106)的串行數(shù)據(jù)控制端相連，主控電路(101)的數(shù)據(jù)采集信號 控制端與數(shù)據(jù)采集電路(10 的信號控制端相連，主控電路(101)的A/D采樣信號控制端 與A/D采樣電路(104)的信號控制端相連，主控電路(101)的放大信號控制端與TGC放大 電路(102)的信號控制端相連，TGC放大電路(102)接收兩個單陣元超聲探測器⑶觀測的熱聲信號，TGC放大電路(102)的輸出端與預濾波電路(103)的輸入端相連，預濾波電路(103)的輸出端與A/D采樣 電路(104)的輸入端相連，A/D采樣電路(104)的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路(105)的輸入端 相連，數(shù)據(jù)采集電路(10 的輸出端與USB數(shù)據(jù)傳輸電路(106)的輸入端相連，USB數(shù)據(jù)傳 輸電路(106)的輸出端與計算機(9)的輸入端相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于微波 發(fā)生器(1)采用頻率為1. 2GHz，脈沖寬度為0. 5 μ S，重復頻率為40Hz的微波發(fā)生器。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于微波 掩膜C3)采用數(shù)字微鏡元件DMD。
5.根據(jù)權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于主控 電路(101)內置的FPGA選用ALTERA公司的EP2C8F256。
6.根據(jù)權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于TGC放 大電路(102)采用ADI公司的AD8332。
7.根據(jù)權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于A/D采 樣電路(104)采用TI公司的ADS5270。
8.根據(jù)權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于數(shù)據(jù)采集電路(105)中FPGA選用ALTERA公司的EP2C35F672。
9.根據(jù)權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置，其特征在于USB數(shù) 據(jù)傳輸電路(106)中USB芯片選用Cypress公司的EZ-USB FX2LP。
10.基于權利要求2所述的一種基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置的微波熱聲成像方 法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、將待測樣品(4)放置在樣品池(7)內的中心位置，主控電路(101)內置的FPGA 發(fā)射脈沖信號觸發(fā)微波發(fā)生器(1)，同時控制微波掩膜C3)產(chǎn)生隨機矩陣，微波發(fā)生器(1) 產(chǎn)生脈沖微波，脈沖微波經(jīng)波導O)、微波掩膜C3)后照射到待測樣品(4)上，產(chǎn)生熱聲信 號；步驟二、伺服電機及驅動器(5)通過支架(6)調整兩個單陣元超聲探測器⑶的觀測 角度，使兩個單陣元超聲探測器(8)的陣元面的中心與待測樣品(4)的中心在一條直線上， 且所述單陣元超聲探測器(8)的陣元面對準待測樣品的水平切面，利用熱聲信號采集 電路(10)對熱聲信號進行同步采集；主控電路(101)激勵微波發(fā)生器(1)開始工作的同時產(chǎn)生掃查時序控制信號，控制數(shù) 據(jù)采集電路(105)和熱聲信號采集電路(10)中的其它電路協(xié)調工作，TGC放大電路(102) 將單陣元超聲探測器(8)觀測的熱聲信號通過TGC放大器來補償隨傳播距離增大而逐漸衰 減的回波信號，放大后的信號通過預濾波電路(10 濾波，然后通過A/D采樣電路(104)轉 換為數(shù)字回波信號；數(shù)據(jù)采集電路(10 接收數(shù)字回波數(shù)據(jù)；步驟三、數(shù)據(jù)采集電路(10 采用FPGA實現(xiàn)對雙通道A/D轉換器回波數(shù)據(jù)的緩存，通 過USB數(shù)據(jù)傳輸電路(106)將回波數(shù)據(jù)輸出到計算機(9)內存中；步驟四、計算機(9)對兩個單陣元超聲探測器(8)接收到的回波數(shù)據(jù)基于壓縮感知算 法進行圖像重建，然后將不同角度觀測到的圖像進行融合處理，獲取待測樣品的熱聲 圖像。
全文摘要
基于壓縮感知的微波熱聲成像裝置及方法，屬于熱聲成像技術領域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有熱聲成像技術存在成像過程復雜，成像效果差別明顯，圖像分辨率低，圖像的偽跡現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)的硬件成本高的問題。本發(fā)明采用微波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖微波，通過微波掩膜照射到待測樣品上產(chǎn)生熱聲信號，經(jīng)由超聲耦合液耦合到聲探測器，通過兩個成角度的單陣元超聲探測器同步采集熱聲信號，經(jīng)與處理后將采集到的熱聲信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行圖像重建與融合處理。本發(fā)明包括微波發(fā)生器、波導、微波掩膜、支架、單陣元超聲探測器、熱聲信號采集電路和計算機。本發(fā)明采用單陣元超聲探測器多角度采集熱聲信號，并通過壓縮感知算法進行圖像重建，大大降低了系統(tǒng)的硬件成本。
文檔編號A61B5/00GK102058416SQ20101058686
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者伍政華, 馮乃章, 孫明健, 李建剛, 沈毅, 馬立勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學