一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法与流程

本发明属于医学成像技术领域，具体涉及一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法。

背景技术：

当前医学成像系统中的腹部成像，无论何种方式，腹部的成像都会有明显的呼吸运动伪影，这种伪影会导致医学图像质量低下，不利于医生后期对疾病的检查及诊断。因此为了减少呼吸运动伪影常采用呼吸门控采集患者高清医学影像，呼吸信号的采集在腹部成像导航系统中已不可或缺。

当前呼吸信号的采集设备以传感器为主，尤其是温度传感器、流量传感器、电压式传感器和位移传感器等接触式传感器运用最为广泛，它们大都穿戴复杂，而且价格较为昂贵。传统的传感器以呼吸门控的方式接收患者由于呼吸运动而产生具有一定幅度的呼吸波，为了得到清晰的腹部图像，就要达到同步采集的效果，因此当呼吸波在一定阈值的上下限之间时(一般选择呼气末期75％时间)采集患者数据，这样可以最大程度上减少由于呼吸运动而对腹部图像产生的伪影。呼吸传感器虽然操作简单，但是由于是接触式的要给患者进行腹带的穿戴，而腹带气体的压缩和释放容易受到患者自身运动的影响，因此其感应到的呼吸运动不完全准确，对呼吸门控的触发就会产生误差。

具体地，在磁共振系统的扫描仪的扫描过程中，为了重建清晰的图像，往往在较长的扫描时间内，扫描仪重复发射一系列射频脉冲序列，再通过傅里叶变换的方式重建一幅图像。核磁共振成像(mri)对腹部进行成像时，mri射频脉冲序列周期内，呼吸运动处于不同的时刻，所得到的影像信号也就来自呼吸过程中的不同时刻，最终导致由多次不同采集时间所采集到的图像信号叠加而获得的成像将出现严重的运动伪影。而且在扫描过程中，要求成像对象始终保持静止状态，即需要成像对象保持闭气静止状态。用户体验低下，严重限制了市场应用扩展。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中医学成像精度低且使用不方便的问题。

为此，本发明提供了一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统，包括：脉冲生成模块、雷达天线模块、信号处理模块及扫描模块；

所述脉冲生成模块用于生成纳米脉冲波，并将所述纳米脉冲波调制成超带宽频段波；

所述雷达天线模块包括天线发射单元及天线接收模块，所述天线发射单元用于将所述超带宽频段波发射至目标对象并发生反射，所述天线接收模块用于接收从目标处反射回来的反射波；

所述信号处理模块用于对所述反射波进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终得到呼吸信号；

所述扫描模块用于根据所述呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。

优选地，所述纳米脉冲波采用伪随机m序列码形式的单冲击脉冲波。

优选地，所述系统还包括信号传输模块，所述信号传输模块用于将所述呼吸信号转换成光信号，并通过有线方式或者中间无线方式传输至所述扫描模块。

优选地，所述扫描模块包括mri、pet、pet-mr或ct。

优选地，所述目标对象为人体腹内肝脏表面。

优选地，所述雷达天线模块的脉冲发射端与所述扫描模块的扫描端固定连接。

优选地，所述相关性分析具体包括信号识别及信号分离；

所述信号识别包括：设发射信号为st，接收信号为sr，计算它们的相关性，如下式(1)：

其中，●为点乘符号，○为卷积符号，τ为采样时间间隔，t为绝对时间轴；

所述信号分离包括：通过计算rxy的相关系数矩阵q{rxy(τ)}，根据矩阵特征向量s，计算对角矩阵d，公式如下：

d＝s^-1q{rxy(τ)}s(2)

根据对角矩阵特征值计算得到不同组织层反射层面的时间信息：

m(τ)＝λq(τ)(3)

根据反射时间信息映射到距离信息，通过主成分分析提取出主要表示呼吸状态的层面信息，得到呼吸位移信息。

本发明还提供了一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像方法，包括步骤：

s1：生成超带宽频段波并通过雷达天线发射至目标对象形成反射波；

s2：对反射波接收并进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终解析得到呼吸信号；

s3：根据呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。

优选地，所述步骤s1具体包括：先生成伪随机m序列码的纳米脉冲波，然后通过对输入电流信号移位寄存器加反馈转换所述伪随机m序列码为单冲击脉冲。

优选地，所述步骤s3具体包括：初始化扫描模块配置参数，根据触发阈值并结合当前检测的呼吸信号的幅值判断是否达到扫描触发点，若达到则输出采集门控信号以对目标进行追踪导航扫描，否则不触发。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法，先生成超带宽频段波并通过雷达天线发射至目标对象形成发射波；然后对反射波进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终解析得到呼吸信号；最后根据呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。该方案的设备简单且成本低等优点，且不占用设备扫描时间，从而节省了病人的扫描时间；另一方面，不需要当前各种磁共振系统中的各种捆绑在腹部的方式，信号采集不需要紧贴病人身体或者需要屏气，为非接触式，因而非常方便医生及病人的操作，使用更为灵活，提升了用户体验，具有广阔的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的功能原理图；

图2是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的信号采集示意图；

图3是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的雷达天线实物图；

图4是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的雷达天线安装示意图；

图5是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的不同呼吸状态信号示意图；

图6是本发明基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法的结构安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提出了一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统，包括：脉冲生成模块、雷达天线模块、信号处理模块及扫描模块；

所述脉冲生成模块用于生成纳米脉冲波，并将所述纳米脉冲波调制成超带宽频段波；

所述雷达天线模块包括天线发射单元及天线接收模块，所述天线发射单元用于将所述超带宽频段波发射至目标对象并发生反射，所述天线接收模块用于接收从目标处反射回来的反射波；

所述信号处理模块用于对所述反射波进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终得到呼吸信号；

所述扫描模块用于根据所述呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。

ultrawideband(uwb)radar，简称超带宽雷达。一种发射分数带宽(fbw)大于0.25的雷达装置。超带宽雷达产生的波形信号，常用的有以下三种:

a.冲击脉冲，产生和消失时间极其短暂的瞬间电流，其产生和消失时间仅为几百微秒至几纳秒；

b.伪随机脉冲，每次发射的脉冲频率不同，但是具有可计算的规律；

c.线性调频脉冲(chirp)。

由于呼吸周期信号的干扰，腹部的成像会有明显的运动伪影，图像质量低下。因此需要有呼吸检测设备导航影像采集，捕捉到呼气末期75％时间(此时视为呼吸静止)，开始进行影像扫描采集，从而提高腹部等部位成像质量，此步骤称为导航成像。但本技术方案是以mri(磁共振成像)设备、环境中的腹部成像部位的呼吸导航系统为例进行说明，且适用于需要一切呼吸导航的任何其它医学成像场景系统，比如pet(正电子发射计算机断层显像。是国际上最尖端的医学影像诊断设备之一)或者ct(computedtomography，即电子计算机断层扫描)的呼吸成像导航系统。

如图1所示为具体结合mri扫描模块的导航成像系统原理图。首先通过脉冲生成模块即uwb脉冲生成模块用于生成纳米脉冲波，并将所述纳米脉冲波调制成超带宽频段波。然后通过uwb发射天线即天线发射单元将超带宽频段波发射至人体心脏部位或腹部。其中，脉冲生成模块及雷达天线模块都安装在mri扫描头上，二者同步移动。从人体表面反射回来的波被uwb接受天线即天线接收模块接收，然后通过接收机信号转换，在信号处理模块内做相关性分析提取门控信号。具体地，先将主成分分析分离呼吸信号，然后临近区域求导、均值化计算门控信号。最后将门控信号通过无线传输或者光线传输模块传输至上位机，上位机根据呼吸信号对应的门控信号来控制mri扫描模块对人体进行扫描并输出成像。该方案不需要设备与人体接触，且扫描头根据门控信号自动触发对人体进行扫描。

其中，雷达天线模块可以是多个或一个，不仅仅局限于一个。

优选的方案，所述纳米脉冲波采用伪随机m序列码形式的单冲击脉冲波。本系统中uwb脉冲生成模块所生成的脉冲信号采用伪随机m序列码，该脉冲具有抗干扰性能好、时延迟强、距离多普勒耦合不显著等特点。通过对输入电流信号移位寄存器加反馈转换m序列码为单冲击脉冲，具有简单、快速的特点。

如图4所示，为了接收和发射的最优效果，同时降低对磁共振系统涡流干扰等影响，它被设计为双脊椎喇叭雷达，它负责uwb脉冲的发射，同时也负责反射信号的接收。

优选的方案，扫描模块包括mri、pet，pet-mr或ct。雷达天线嵌入到扫描模块内协同工作。目标对象为人体腹部内肝部器官的表面。当然，还可以是心脏、肺部等。

优选的方案，所述系统还包括信号传输模块，所述信号传输模块用于将所述呼吸信号转换成光信号，并通过有线方式传输至所述扫描模块。采集到的脉冲信号通过有线光缆传递出去，防止电磁干扰影响信号采集精度。也可以是无线传输方式。在此不再赘述。

优选的方案，所述雷达天线模块的脉冲发射端与所述扫描模块的扫描端固定连接。具体地见图2至图4所示，人躺在mr(磁共振)机床上，成像系统安装在磁共振室内或者ct设备的工作室内，并设计集成到现有的磁共振或者ct系统中。对于磁共振系统，由于磁共振检查点都要在磁体正中央成像，因此雷达天线放置于孔径磁体梯度极性正中央孔径内壁上。对于ct等系统也是安装在扫描成像轴向正中心位置点。antennafixture是天线的固定安装的装置，被设计在磁共振扫描器的腔体内。mrtransmit/receivecoil代表磁共振的发射与接收线圈。

优选的方案，所述相关性分析具体包括信号识别及信号分离；

所述信号识别包括：设发射信号为st，接收信号为sr，计算它们的相关性，如下式(1)：

其中，●为点乘符号，○为卷积符号，τ为采样时间间隔，t为绝对时间轴；

所述信号分离包括：通过计算rxy的相关系数矩阵q{rxy(τ)}，根据矩阵特征向量s，计算对角矩阵d，公式如下：

d＝s^-1q{rxy(τ)}s(2)

根据对角矩阵特征值计算得到不同组织层反射层面的时间信息：

m(τ)＝λq(τ)(3)

根据反射时间信息映射到距离信息。通过主成分分析提取出主要表示呼吸状态的层面信息，得到呼吸位移信息。

系统自身周期性地发射和接收伪随机信号，然后计算接收信号与发射信号的相关性。最后提取出的呼吸位移信息如图5所示，其中，a段显示为正常呼吸，b段为深度呼吸，c段表示呼吸频率加快，d段表示屏气，e段表示正常呼吸。最后根据该呼吸位移信息计算输出门控信号。提取到连续时间呼吸信号s(t)，通过检测算法得到呼吸信号的门控信号。具体概述如下：

首先根据上层软件设置的呼吸信号配置参数，初始化配置参数，预设上升沿触发或下降沿触发，以此区别是呼气期还是吸气期触发采集，同时预设触发幅值百分比为d，以此判定是呼气或吸气的哪个阶段开始采集(例如呼气末期触发采集，即在上升沿波幅为75％的峰值)。

通过计算deltat相邻点和相邻n*deltat点之间的差异，根据差异判断曲线是上升还是下降。其中n值数字选取与实际测试delta有关，取n是为了防止相邻阈值波动导致错误的判断，有个相比较宏观的观测数据变化。deltat表示采样间隔时间。然后根据触发阈值结合当前幅值判断是否到达触发点，决定是否输出采集门控信号。

优选的方案，uwb设备在磁共振系统室内工作，磁共振系统的磁场会对信号的采集及电路工作产生影响，反过来，uwb设备也会对磁共振系统正常工作产生影响。因此，本发明中需要对贴片设备的硬件电路进行磁屏蔽设计。它包括两个部分：

1)电路板的屏蔽处理。(不同成像设备，对应的屏蔽层设计不一样，磁共振中屏蔽做到磁屏蔽，对系统涡流小等，ct中屏蔽主要起到射线防护，防止对系统射线成像影像，也防止射线对本身电子器件的影像。)

2)零部件的屏蔽处理：除去需要裸露出来的显示屏幕及插接口(诸如光电转换的光纤接口及充电口)，其它相关零部件需要被特质的磁屏蔽材料屏蔽起来，针对光纤传输方式，电光转换器需要进行铜材料的包裹。

另外，电池也需要进行铜材料的包裹。

图6为加装屏蔽后的设备安装示意图，左图显示硬件采集设备被放置在磁共振的内孔径上(参考图3)，它由右图中的电路板及屏蔽层两个大部分组成。

本发明还提供了一种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像方法，其特征在于，包括步骤：

s1：生成超带宽频段波并通过雷达天线发射至目标对象表面形成发射波；

s2：对反射波进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终得到呼吸信号；

s3：根据呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。

具体工作流程如下：

1)uwb脉冲生成模块首先生成一个脉冲信号源，然后把它超带宽调制为伪随机脉冲。2)uwb雷达发射天线负责将伪随机脉冲发射出去；3)人体吸纳超带宽信号后反射及衍射后，uwb雷达接收天线接收到从人体反射回来的信号；4)硬件系统通过解调、数字化后，与原发射的脉冲信号做相关性分析，最终得到呼吸信号。5)由于uwb设备需要在磁场环境中工作，因此，需要将呼吸信号，转换为光信号，传输至磁共振室外。6)室外，通过光电转换，将光信号再还原为呼吸信号传给上位机；7)呼吸信号控制磁共振扫描系统，完成腹部的成像扫描工作。需要指出的是上位机通常指的就是pc机，pc机接收到呼吸信号波形，pc机内的呼吸门控软件输出触发信号，启动mri设备扫描，上位机及呼吸门控软件是如何控制输出触发信号进而启动mri扫描属于现有技术，在此不再赘述。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于呼吸信号的超带宽雷达导航成像系统及方法，先生成超带宽频段波并通过雷达天线发射至目标对象形成发射波；然后对反射波进行调解数字化后与所述超带宽频段波做相关性分析，最终解析得到呼吸信号；最后根据呼吸信号实时对目标进行追踪导航扫描以重建目标成像。该方案的设备简单且成本低等优点，且不占用设备扫描时间，从而节省了病人的扫描时间；另一方面，不需要当前各种磁共振系统中的各种捆绑在腹部的方式，信号采集不需要紧贴病人身体或者需要屏气，为非接触式，因而非常方便医生及病人的操作，使用更为灵活，提升了用户体验，具有广阔的应用前景。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。