一种基于医学影像的可穿戴微波检测天线及天线阵列的设计方法与流程

本发明属于生物医学检测技术领域，特别是涉及一种可以穿戴微波探测天线及天线阵的设计方法。

背景技术

目前常用生物医学检测方式包括x射线摄影术、计算机断层扫描和核磁共振技术等，但上述方法均存在一定缺陷，如对人体产生辐射伤害、费用高、占用空间大等。与上述技术相比，微波探测具有独有的优势，具有辐射低、毫米级定位和检测成本低等优点，而且微波传感器可以集成到可穿戴的设备中，提供长期和实时的人体检测。微波探测人体的原理在于不同生物组织与电磁波的吸收、反射及衍射性质的不同，从而区分出不健康的组织（比如肿瘤组织）。以上解决方案，能够实现对早期肿瘤进行检测，同时还能够对中风进行应急检测，以及联合物联网平台实现远程医疗服务。现有的可穿戴微波天线阵，一般会均匀的摆放于平面或者规则曲面上，并没有考虑人体表面的自然弯曲情况，以及用户组织分布情况。为了符合用户个体不同组织分布、自然生理弯曲，降低电磁辐射对身体的影响，如何设计符合个体用户需求的可穿戴微波探测天线与天线阵列结构及分布至关重要。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于医学影像的可穿戴微波探测天线及天线阵列的设计方法，根据获取的被测身体部位医学影像提取天线需求信息，设计可穿戴微波探测天线及天线阵列。本发明考虑了微波探测对象的差异性，包括：用户个体不同，探测身体部位不同以及探测疾病种类的不同；同时还考虑了用户的个人喜好，包括美观性和舒适性。

本发明的技术方案如下：

根据被测用户的核磁共振图像，确定人体内部各种组织分布以及探测目标位置和尺寸，用于选择微波探测的最优路径和确定天线及天线阵列的探测频率；根据被测用户的三维扫描图像，确定人体身体表面允许摆放天线及天线阵列区域的形状和尺寸，用于选择可穿戴微波天线及天线阵列的尺寸和摆放方式。

前述的提取的天线或天线阵列的探测最优路径和探测频率以及允许天线摆放区域的形状和尺寸要求，从预设的天线库中，选择天线或天线阵列并进行优化，包括下列步骤：

1）在预设的天线库中，首先遍历所有的单天线，选出满足探测频率需求的单天线的集合a，若a为空集，则转2）；若a不为空集，则转3）。

2）遍历所有的天线阵列，选出满足探测频率需求的天线阵列的集合b，若b为空集，则转7）；若b不为空集，则转4）。

3)根据探测最佳路径方法，对于集合a中的每一个单天线ai，将单天线ai波束主瓣对称轴与最佳路径所在直线重合，并朝向探测目标。保持天线的波束主瓣方向不变，将天线贴紧被测身体部位。判断天线边缘是否与人体被测身体部位相交或者挤压进入人体测身体部位，若是则天线不满足形状和尺寸要求，舍弃该天线；若否，认为该天线符合允许摆放区域的形状和尺寸要求，将该单天线加入集合c中。此时判断c，若为空，转2）；否则，转5）。

4）根据探测最佳路径方法，对于集合b中的每一个天线阵bi，调整bi中每一个单天线的间距等变量将天线阵bi波束主瓣对称轴与最佳路径所在直线重合，并朝向探测目标。保持天线的波束主瓣方向不变，将天线贴紧被测身体部位。判断是否存在其中的阵列中某个天线与人体被测身体部位脱离或者挤压进入人体被测身体部位，若是则天线阵不满足形状和尺寸要求，舍弃该天线阵；若否，认为该天线阵符合允许摆放区域的形状和尺寸要求，将该天线阵加入集合d中。此时判断d，若为空，转7）；否则，转5）。

5）根据人体的自然生理弯曲，对选定的单天线集合c中的天线或天线阵列集合d中的天线阵列进行优化。其中对单天线，将其尺寸进行优化（比如形变弯曲）；其中对天线阵列，先逐个优化阵列中的天线，之后调整天线间的距离，保证工作频率以及波束主瓣位于最优路径并朝向探测目标。将优化后的单天线集合或者天线阵列集合记为e。

6）利用图形界面或者问卷表单等方式与用户进行交互，用户在e中可根据个人喜好选择一个天线或天线阵列。

7）如果没有符合要求的天线或天线阵列，则需等待天线库的更新。天线库更新后重新开始执行1）。

本发明的前述步骤3）中的探测最佳路径方法，其特征在于：（1）选择特测目标如肿瘤到皮肤表面的直线路径；（2）路径上应尽量避免与腺体的交叉，若无法避免则选定穿过腺体距离最小的一个路径。选择满足上述两个条件的最短路径作为探测最佳路径。

本发明的前述步骤1）中的探测频率需求，其特征在于：探测频率需求由最低频率fmin和最高频率fmax决定。其中前述的fmin是由前述的最佳路径的长度根据现有信号衰减理论决定的；fmax是由探测目标（如肿瘤）的尺寸决定的，尤其是探测目标的尺寸决定了探测信号的最短波长，最短波长决定了fmax。

以上被优化后的选择天线及天线阵列可以利用快速制作工艺（比如三维打印技术）进行制造，能够制作降低成本、压缩制造周期、快速替换可穿戴的损耗部件，以满足用户快速更新的需求。

本发明的有益效果在于：能够根据用户医学图像信息，筛选并优化定可制化可穿戴天线及天线阵列的解决方案，以降低微波对人体正常组织的辐射，并且提高微波探测性能。

附图说明

图1是本发明的可穿戴微波探测天线和天线阵列的设计流程图。

图2是本发明从预设的天线库中选择天线或天线阵列并进行优化的流程图。

图3是利用用户乳房核磁共振图像提取人体内组织分布及肿瘤信息和探测。

图4是利用乳房三维扫描图像提取乳房轮廓示意图。

图5是单天线的应用于乳房微波探测的实例图。

图6是优化应用于乳房微波探测单天线的示意图。

图7是三天线的应用于乳房微波探测的实例图。

具体实施方式

图1所示为是本发明的可穿戴微波探测天线和天线阵列的流程图。具体步骤包括：包括：

1）获取被测身体部位医学影像（比如核磁共振图像和三维扫描图像），提取穿戴天线及天线矩阵的需求信息：从核磁共振图像提取人体内部信息，包括：各种组织的分布以及探测目标的位置和尺寸；从三维扫描图像提取人体表面信息，包括：人体表面区域的形状和尺寸。

2）根据前述的提取的穿戴天线及天线矩阵的需求信息，确定天线或天线阵列的探测最优路径和探测频率以及允许天线摆放区域的形状和尺寸要求，接着从预设的天线库中，选择天线或天线阵列并进行优化。

3）以上被优化后的选择天线利用快速制作工艺（比如三维打印技术），对制作天线及天线阵列进行制造，能够制作降低成本、压缩制造周期、快速替换可穿戴的损耗部件，以满足用户快速更新的需求。

图2是本发明从预设的天线库中选择天线或天线阵列并进行优化的流程图。

包括下列步骤：

1）在预设的天线库中，首先遍历所有的单天线，选出满足探测频率需求的单天线的集合a，若a为空集，则转2）；若a不为空集，则转3）。

2）遍历所有的天线阵列，选出满足探测频率需求的天线阵列的集合b，若b为空集，则转7）；若b不为空集，则转4）。

3)根据探测最佳路径方法，对于集合a中的每一个单天线ai，将单天线ai波束主瓣对称轴与最佳路径所在直线重合，并朝向探测目标。保持天线的波束主瓣方向不变，将天线贴紧被测身体部位。判断天线边缘是否与人体被测身体部位相交或者挤压进入人体测身体部位，若是则天线不满足形状和尺寸要求，舍弃该天线；若否，认为该天线符合允许摆放区域的形状和尺寸要求，将该单天线加入集合c中。此时判断c，若为空，转2）；否则，转5）。

4）根据探测最佳路径方法，对于集合b中的每一个天线阵bi，调整bi中每一个单天线的间距等变量将天线阵bi波束主瓣对称轴与最佳路径所在直线重合，并朝向探测目标。保持天线的波束主瓣方向不变，将天线贴紧被测身体部位。判断是否存在其中的阵列中某个天线与人体被测身体部位脱离或者挤压进入人体被测身体部位，若是则天线阵不满足形状和尺寸要求，舍弃该天线阵；若否，认为该天线阵符合允许摆放区域的形状和尺寸要求，将该天线阵加入集合d中。此时判断d，若为空，转7）；否则，转5）。

5）根据人体的自然生理弯曲，对选定的单天线集合c中的天线或天线阵列集合d中的天线阵列进行优化。其中对单天线，将其尺寸进行优化（比如形变弯曲）；其中对天线阵列，先逐个优化阵列中的天线，之后调整天线间的距离，保证工作频率以及波束主瓣位于最优路径并朝向探测目标。将优化后的单天线集合或者天线阵列集合记为e。

6）利用图形界面或者问卷表单等方式与用户进行交互，用户在e中可根据个人喜好选择一个天线或天线阵列。

7）如果没有符合要求的天线或天线阵列，则需等待天线库的更新。天线库更新后重新开始执行1）。

本发明的前述步骤3）中的探测最佳路径方法，其特征在于：（1）选择特测目标如肿瘤到皮肤表面的直线路径；（2）路径上应尽量避免与腺体的交叉，若无法避免则选定穿过腺体距离最小的一个路径。选择满足上述两个条件的最短路径作为探测最佳路径。

本发明的前述步骤1）中的探测频率需求，其特征在于：探测频率需求由最低频率fmin和最高频率fmax决定。其中前述的fmin是由前述的最佳路径的长度根据现有信号衰减理论决定的；fmax是由探测目标（如肿瘤）的尺寸决定的，尤其是探测目标的尺寸决定了探测信号的最短波长，最短波长决定了fmax。

以上被优化后的选择天线及天线阵列可以利用快速制作工艺（比如三维打印技术）进行制造，能够制作降低成本、压缩制造周期、快速替换可穿戴的损耗部件，以满足用户快速更新的需求。

图3根据用户乳房核磁共振图的灰度，区分不同组织分布包括：腺体、脂肪、皮肤和肿瘤（探测目标），并制作三维模型供参考使用，此模型可以仅为模拟模型。超宽带天线被选择用于乳房肿瘤探测，其探测频率需求由最低频率fmin和最高频率fmax决定。其中前述的fmin是由前述的最佳路径的长度根据现有信号衰减理论决定的；fmax是由探测目标（如肿瘤）的尺寸决定的，尤其是肿瘤的尺寸决定了探测信号的最短波长，最短波长决定了fmax。选择肿瘤目标到皮肤表面的直线路径，同时路径上应尽量避免与腺体的交叉，若无法避免则选定穿过腺体距离最小的一个路径。选择满足上述两个条件的最短路径作为探测最佳路径。选择满足上述两个条件的最短路径作为探测最佳路径。测量最佳路径长度d，用于选择探测频率fmin。

图4是利用乳房三维扫描图像提取乳房轮廓示意图。根据三维扫描图像可将乳房轮廓提取，利用图3所描述的最佳路径选择方法选择的最佳路径与乳房轮廓的交点，记为p点。

图5是单天线的应用于乳房微波探测的实例图。选择正方形贴片天线（abcd）作为优先选择对象，天线波束的主瓣穿过贴片天线的中心。将贴片天线的中心放置到p点，使天线波束主瓣穿过探测的最佳路径，并朝向肿瘤组织。从以上医学图像提取的乳房模型和天线模型导入三维电磁仿真软件（如cst微波仿真工作包），进行上述操作，贴片天线中心与p点重合，调整贴片天线的摆放角度，使其与乳房轮廓没有交叉点。若经过若干调整，贴片天线始终与乳房轮廓存在交叉点，则选择天线阵列。

图6是优化用于乳房微波探测单天线的示意图。贴片天线的边缘（ab）沿着直径为d1的弯曲路径弯曲，同时贴片天线的边缘（dc）沿着直径为d2的弯曲路径弯曲，保证天线的工作频率无明显变化或者被优化，其中最低工作频率小于或者等于fmin，同时天线最高频率大于或者等于fmax；并且优化后的天线波束主瓣依然穿过最佳路径并指向肿瘤组织。

图7是三天线的应用于乳房微波探测的实例图。当预设的天线库中的单天线不能满足提取的天线要求，则选取符合要求的三天线阵列，其中三个贴片天线都位于乳房表面，天线阵列的主瓣波束穿过最优路径并指向肿瘤目标。根据人体的自然生理弯曲,先逐个优化天线阵列中的贴片天线，之后调整贴片天线间的距离（l1,l2,l3），保证工作频率以及波束主瓣位于最优路径并朝向探测目标。

本发明的有益效果在于：能够根据用户医学图像信息，筛选并优化定可制化可穿戴天线及天线阵列的解决方案，以降低微波对人体正常组织的辐射，并且提高微波探测性能。