电磁波热致超声波成像激励源及其构成的成像设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及目标成像技术，特别涉及电磁波热致超声波成像激励源及其构成的探测设备。
【背景技术】
[0002]目标成像技术中，微波成像是以微波作为信息载体的一种成像手段。其信息既包括被目标散射的幅度信息，也包括相位信息，因此也称为微波全息成像。微波成像应用于医学领域，是根据生物病变组织与正常组织的明显电特性参数差异实现的。微波成像能够提供高对比度生物组织影像。对于生物组织，导磁率是相同的，而介电常数和电导率却由生物组织的含水量、脂肪和蛋白质含量来决定。介电常数和电导率是频率的函数，对水分子而言，相对介电常数值在300MHz?3GHz时约为79.7到77.3之间；低含水组织如脂肪和骨骼的介电常数值在这一频段为5到15，即最小有5倍的差异；而电导率在这一频段，对高含水生物组织和低含水组织而言具有高达7倍以上的差异。生物组织的介电常数和电导率在微波频段的巨大差异揭示了微波用于对不同组织的医学成像的物理基础和可能性。然而，由于微波波长较长，因此不能获得足够的分辨率。特别是越早形成的肿瘤组织，其尺寸越小，对其进行有效检测需要越高的成像分辨率，相应需要越短的微波波长，即需要越高频率的微波激励源。
[0003]超声波成像是基于人体不同组织的声阻抗不同，透射超声波会在具有不同声阻抗的界面间反射，从而产生携带不同信息的回波信号，利用传感器接收阵列截获回波信号而成像。超声波由于其更短的波长，提供了超声波成像的高分辨率，但是，由于生物组织中有些组织的声学特性差异并不大，如常规的乳房组织病变检查时，就存在病变组织与正常组织声学特性差异不大导致超声波成像的对比度较低。
[0004]电磁波热致超声波成像技术，是一种利用电磁波的热效应使目标产生热振动，进而激发超声波并利用该超声波进行目标成像的技术。电磁波的热效应研宄比较多的是微波热效应和红外线热效应等，目前最热门的研宄领域主要集中在电磁波的微波频段，称之为微波热致超声波成像技术(MITAT)。对生物组织的微波热致超声波成像，其频率的选择通常需考虑到生物组织的热敏感频率或共振频率，以便发挥更大的热效应。如用于乳腺癌检查的电磁波热致超声波成像系统，通常采用电磁波频率为1.200GHzο微波热致超声波成像技术，是一种新兴的成像探测技术，主要是利用微波脉冲激励生物组织，生物组织将吸收的微波能转化为热能，由于生物组织的非均匀性导致受热不均匀，产生的热膨胀现象也不同，利用不同热膨胀产生的超声波信号对目标成像。由于微波热致超声波成像技术用微波激励超声波成像，因此具有很好的分辨率和对比度，它是一种非常有潜力的生物医学成像技术。MITAT的优势主要有:1.利用微波信号对生物组织进行激励，电参数分布差异即可提供特征目标信号，而所激发的微波热致超声波信号在生物组织中传播速度约为1.5_/ μ S，且生物组织对超声波的衰减也较小，如果热致超声波信号频率包含1.0MHz以上成份，则由此频率确定的轴向分辨率上限即可达λ/2 = 0.75mm ;同时，由微波热致超声波产生的图像横向分辨率也可以达到毫米和亚毫米级。2.由于激励信号为微波，而接收信号为超声波，两者在传播速度和物理性质上的差异使得发射和接收信号可以容易地在时域或频域上进行区分。
[0005]由于微波热致超声波成像技术是在大强度微波脉冲下，对微弱的热超声波信号的检测，硬件设计的优劣将直接影响到热超声波信号的可检测性及成像系统的检测灵敏度。目前微波热致超声波成像技术都要使用到千瓦功率级的大功率微波源作为激励，对微波源的设计要求很高，导致产品结构复杂、成本巨高。如中国专利CN102715916公开的《用于乳腺癌早期发现与诊断的微波热致超声波成像系统》，其微波源峰值发射功率就超过了 8kW。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种利用双频辐射源作为电磁波激励源，降低热致超声波成像对于大功率辐射源的依赖。
[0007]为实现上述目的本发明采用的技术方案是，电磁波热致超声波成像激励源，包括辐射源和发射系统，所述辐射源通过发射系统向目标发射电磁波信号，激励目标产生热致超声波信号，其特征在于，所述辐射源包括第一辐射源和第二辐射源，所述第一辐射源发射的电磁波信号与所述第二辐射源发射的电磁波信号频率不相等。
[0008]所述第一辐射源发射的电磁波信号为固定频率的等幅电磁波信号，所述第二辐射源发射的电磁波信号为固定频率的等幅电磁波信号。
[0009]所述第一辐射源和第二辐射源发射的电磁波为微波。
[0010]所述第一辐射源和第二辐射源由磁控管构成。
[0011]所述发射系统包括天线、混合器或双工器，所述第一辐射源和第二辐射源通过混合器或双工器与天线连接。
[0012]所述发射系统包括第一天线和第二天线，所述第一辐射源和第二辐射源分别与第一天线和第二天线连接。
[0013]本发明的另一个目的是，提供电磁波热致超声波成像探测设备，包括激励源、超声波探测装置和信号处理系统，所述激励源向目标发射电磁波信号，激励目标产生热致超声波信号，所述超声波探测装置接收目标发出的热致超声波信号，所述信号处理系统接收超声波探测装置采集的热致超声波信号进行处理对目标成像，其特征在于，所述激励源包括包括第一辐射源、第二辐射源和发射系统，所述第一辐射源发射的电磁波信号与所述第二辐射源发射的电磁波信号频率不相等，所述第一辐射源和第二辐射源发射的电磁波信号通过发射系统向目标发射。
[0014]所述目标的特征频率=(第一辐射源发射的电磁波信号频率+第二信号发射的电磁波信号频率)/2。
[0015]所述目标为生物组织，所示特征频率为生物组织的电磁波热敏感频率或生物组织的谐振频率。
[0016]所述第一辐射源与第二辐射源的差频处于超声波医学成像频段。
[0017]本发明的有益效果是，本发明电磁波热致超声波成像激励源，以两个辐射源产生的不同频率的电磁波信号作为激励媒介，其热效应是由两个信号的差频产生的，对激励源的工作频率范围没有限制，因此在辐射源的使用上具更大的灵活性。本发明的激励源无需大功率波束作为激励，可以使用发射功率较小的辐射源，因此采用本发明电磁波热致超声波成像激励源构成的探测设备具有安全性高，结构更简单，成本更低的特点。
【附图说明】
[0018]图1是电磁波热致超声波成像激励源结构示意图；
[0019]图2是微波热致超声波成像仿真系统示意图；
[0020]图3是超声波功率分布示意图；
[0021 ] 图4是电流分布示意图；
[0022]图5是电磁波热致超声波成像探测设备结构示意图；
[0023]图6是双天线系统电磁波热致超声波成像激励源结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0025]根据相关理论，电磁波的趋肤效应导致电流只存在于传输介质表面，在微波频段内，趋肤深度的量级为ym量级，从而导致电流通过的横截面积非常小，电流密度必然很大，更易产生热量，并且在不同的深度，电流的大小也会不同，电流的大小随深度的增加急剧减少。
[0026]在微波传输的最初始阶段，热量的分布遵循电流的分布，即电流密度较大的地方产生的热量较多。电流的不均匀导致热量的不均匀分布，从而导致在不同的深度，分子的运动速度不同，热膨胀的速度也不同，分子间产生摩擦，产生热振动。随着微波的持续传输，热量会随时间的推进不断传导并达到一个相对稳定的状态，此时，分子的运动基本相同，热振动的频率也基本稳定。热产生的膨胀会引起传输介质的特性变化，如特征阻抗，传输损耗等的变化，在系统中产生交调信号。
[0027]在生物成像方面，由于人体中病变组织的电特性与正常组织的电特性有很大的差异，如在800MHz时，正常细胞和癌变细胞的相对介电常数、电导率之比分别为1:3.75和1:6.75，正常细胞与癌变细胞在双频微波的照射下对微波的吸收会有明显的差异，产生的电流强度不同，因此产生的振动强弱也有明显差别，所以病变组织和正常组织所产生的超声波信号的强度也会因此有很大的差异，具备超声波成像条件。
[0028]本发明的电磁波热致超声波成像激励源，辐射源包括两个不同频率的辐射源，他们通过发射系统向目标发射不同频率的电磁波信号，在目标上由于热效应激励目标产生热致超声波信号。
[0029]目标的温度会随着信号的包络，即两个辐射源的电磁波频率之差，产生周期性的变化，温度变化的周期为差频的倒数。目标温度周期性的变化会产生周期性的热膨胀和收缩，目标就会产生相同周期的机械振动。目标的机械振动会产生超声波信号，利用超声波探测装置接收超声波信号，就能得到目标的超声波功率分布，通过对数据的处理就能对目标成像。本发明中，目标的温度随着信号的包络产生周期性的变化是持续性，即使在目标达到宏观热平衡后，目标仍然会随着信号的包络产生周期性振动，因此，采用本发明的激励源对目标成像具有可持续性。
[0030]本发明的辐射源由2个不同频率的辐射源构