可抵抗背景和皮肤杂波的微波成像的制作方法
【专利说明】可抵抗背景和皮肤杂波的微波成像
【背景技术】
[0001] 目前普遍的医学成像技术包括X-射线成像（例如计算机X射线断层和乳腺X线 摄影）、超声成像、和MRI (磁共振成像）。自二十世纪八十年代以来，微波成像用于绘图人 体内部并检测异常例如恶性肿瘤。
[0002] 人体的微波成像在这些年来被大量开发。鉴于其医学和社会重要性，以及鉴于组 成女性乳腺的相对低损耗材料，乳腺成像为一种普遍的潜在应用。一般来讲，宽带信号用于 取样在大频率范围内天线对之间的转移函数。频率范围确定分辨和穿透能力。不管用于测 量的波形，假定可估计天线对之间的反射（脉冲响应），并在文中被称为"信号"。
[0003] 假定天线阵列是一种含有大量（例如，几十个）静态天线的静态阵列。在图3中 显示了该阵列。
[0004] 微波成像受碍于通过外部的衰减的体层识别人体内深层特征的需求。由深层特征 引起的微弱信号变化被来自天线自身的反射和来自靠近特征例如与皮肤的界面的反射尾 巴掩盖。
[0005] 已知用于去除皮肤伪影的多种算法。在文中视为基线的流行方法是基于通过取得 在不同位置记录的信号的加权平均值（假定包括来自皮肤的类似反射）从每个记录信号中 减去。一些当前方法基于减去信号的两个测量值，并在两个测量值之间旋转阵列，因此从信 号中去除任何常数因子（例如直接天线泄露和皮肤反射）。
[0006] 但是这些方法苦于多种主要缺点：第一，为得到对称信号，必须假定天线是相同 的，或必须使用相同天线（即，物体或阵列必须以物理方式旋转）。实际上，难以制造足够 相同的天线，天线、电缆或收发器之间的微小差异可导致皮肤伪影去除的明显退化。阵列或 患者的旋转导致机械复杂性，尤其对于乳腺成像，难以确保乳腺准确地保持在相同位置。因 此，需去除皮肤杂波，而不用假定天线是相同的，以及不用旋转阵列。
[0007] 第二，当减小杂波时，这些消除也退化重建图像。尤其，如果肿瘤在相邻天线中产 生类似响应，也应完全或部分地消除。这些影响在重建图像中产生黑点。例如，差动旋转方 法也去除接近阵列中心轴的目的。需尽可能避免这些障碍。
[0008] 第三，皮肤消除产生通常以重复目标形式的伪影。例如，差动旋转方法复制每个目 标，以使图像为两个旋转图像的叠层。需要尽可能避免这些影响。
【发明内容】
[0009] 本发明的实施方案提供一种对皮肤反射具有增强的稳定性的微波成像传感器，其 不需物理旋转阵列或天线。
[0010] 具体地讲，提出一种在不假定相同天线下减小皮肤反射的方法。并且，修饰减小以 在信号水平与杂波水平之间考虑权衡，并避免消除目标。修饰成像算法以考虑皮肤去除对 信号的影响，因此减小因此去除而产生的图像上的伪影。
[0011] 对于本发明的实施方案所公开的方法可单独地应用于其它成像技术或其它皮肤 伪影去除技术；例如，文中所公开的改进的成像算法可与物理旋转共同使用。并且，可在需 对图像影响最小的情况下去除恒定的背景影响时变化其它无线或声纳成像问题下应用文 中所公开的方法。
[0012] 因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种提高物体的微波成像的方法，其包 括：(a)收集发射天线和接收天线的多组合的微波响应；(b)估计皮肤反射，其中对一对天 线的估计基于在测量期间从另一对天线接收的信号或在此对天线记录的信号；(c)基于估 计消除皮肤反射；以及（d)在消除后由校正的信号产生图像。
[0013] 此外，根据本发明的另一个实施方案，提供了一种提高物体的微波成像的方法，其 包括：(a)收集发射天线和接收天线的多组合的微波响应；(b)进行皮肤反射的估计，其中 对一对天线的估计基于在测量期间从另一对天线接收的信号或在此对天线记录的信号； (c)基于估计消除皮肤反射；以及（d)消除后由校正的信号产生图像，其中在消除后成像算 法对信号进行时空过滤。
[0014] 并且，根据本发明的又另一个实施方案，提供了一种在受试者组织中检测并定位 癌症的方法，其包括：(a)将受试者组织与用于提高微波成像的装置接触，其中所述装置包 括微波发射天线、微波接收天线、和用于接收多个发射和接收天线的微波响应的构件；(b) 收集发射天线和接收天线的多组合的微波响应；（c)进行皮肤反射的估计，其中对一对天 线的估计基于在测量期间从另一对天线接收的信号或在此对天线记录的信号；(d)基于估 计消除皮肤反射；以及（e)消除后由校正的信号产生图像。
【附图说明】
[0015] 当阅读附图时，可参考以下【具体实施方式】最好地理解所公开的主题，其中：
[0016] 图1显示了根据本发明的一个实施方案的MM0微波成像系统的方框级别图；
[0017] 图2显示了根据本发明的一个实施方案，用于成像女性乳腺的MM0微波-成像系 统；
[0018] 图3说明现有技术的球形天线阵列的一个实例。
[0019] 图4为根据本发明的一个实施方案的方法的流程图。
[0020] 图5为乳腺的微波图像。
[0021] 图6为乳腺的微波成像结果的三维图。
[0022] 为了更加简明清晰说明，图中所示的元素不必按比例绘出，一些元素的尺寸相对 于其它元素扩大。此外，在图中可重复参考数值以表示相应的或类似的元素。
【具体实施方式】
[0023] 以下描述本发明的示例性实施方案。该领域的技术人员将认识到，在保持所述的 主要功能下，可改变多个组件、计算、操作等。本发明的应用不限于以下所述的说明性实施 方案。
[0024] 在本发明的一个实施方案中，在图1中所示，"MM)雷达"系统100由天线阵列102、 发射-接收子系统104、数据采集子系统106、数据处理单元108、和控制台110组成。
[0025] 天线阵列由多个天线102a_102e组成，一般在几个与几十个（例如30)天线之间。 天线可具有该领域已知的多种类型，例如印刷天线、波导式天线、偶极天线或"Vivaldi"宽 带天线。天线阵列可为线性或二维、平面或与所关注区域共形。
[0026] 发射-接收子系统104负责产生微波信号，将它们与天线102a_102e耦合，从天线 接收微波信号并将它们转化成适于采集的形式。信号可为脉冲信号、频率步进信号等。生 成电路可涉及振荡器、合成器、混合器，或其可基于脉冲导向电路例如逻辑门或阶跃恢复二 极管。转换方法可包括下转换、取样等。转换方法通常包括以低通滤波形式的平均化以改 善信噪比以及允许更低的采样率。根据复杂性和采集时间之间的权衡，发射-接收子系统 可每次利用多个天线进行发射和接收或每次选择一个发射天线和一个接收天线。
[0027] 数据采集子系统106收集并数字化来自发射-接收子系统的信号同时根据所用的 天线组合和收集信号的时间标记信号。数据采集子系统一般包括模数（A/D)转换器和数据 缓冲器，但其可包括额外功能例如信号平均，使波形与模板相关联或转换频率与时域之间 的信号。
[0028] 数据处理单元108负责将收集的信号转换成表征试验下介质的响应，并进行算法 以将多组响应转换成图像数据。在文中所述的本发明的上下文中，此单元负责皮肤杂波消 除。数据处理单元通常以高效计算平台实施，基于专用的数字信号处理（DSP)单元、通用的 CPU、或根据更新的趋势，图形处理单元（GPU)。
[0029] 方法中的最后一步是使用所得图像，以可视、显示、储存、存档、或输入形式以表征 检测算法。此步骤在图1中以控制台110示例。控制台通常以具有适宜的应用软件的通用 计算机实施。根据系统类型，计算机可为固定计算机、膝上型计算机、平板电脑、掌上电脑或 工业加固计算机。应了解，虽然图1说明功能分解成处理阶段，但是其中一些可利用同一硬 件（例如共有处理单元）实施或分配在硬件的多个甚至远部件上（例如在多处理或云计算 的情况中）。
[0030] 图2说明了多普勒辅助的MM0雷达系统用于检测女性胸腺。在此说明中，使天线 阵列102耦合到受试者乳腺120。将阵列102的天线102a-102e呈共形杯状定位，如图3中 顶视图所示，中间介质122用于在天线辐射与乳腺之间产生改善的电磁耦合。在此应用中 MIM0雷达系统的目的一般是为了寻找恶性肿瘤。
[0031]系统操作通常如下进行。每次，微波收发器将预先设计的信号从一个或多个天线 发射出，并接收来自一个或多个其它天线的信号。当系统用于目测人体时，信号通常占据约 10MHz与lOGhz之间的频率。3. 1-10. 6GHz范围目前特别普遍并受到关注，其在低信号水平 下允许豁免