一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术是一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置及检测方法，包括UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统、UWB天线阵列、成像算法单元、电源模块和交互模块，UWB微波信号产生系统产生微波信号通过UWB天线阵列发射并穿透人体皮肤进入人体组织，人体组织散射回波信号通过UWB天线阵列接收，UWB天线阵列接收到的散射回波信号通过UWB微波信号采集处理系统采集处理后，通过逆散射肿瘤成像算法进行数字化处理，最后由交互模块对体内肿瘤进行显示、记录、存储。该装置根据人体器官中正常组织与肿瘤组织之间介电特性不同的特征，通过主控嵌入式芯片内置的反演算法进行还原重构，对疑似有肿瘤组织的人体器官进行成像，确定肿瘤的大小和位置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置及检测方法
本专利技术是涉及医疗检测器材领域，具体的说是一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置及检测方法。
技术介绍
超宽带(UltraWideband,UWB)微波信号作为肿瘤检测设备的信号源，具有高分辨率的特点，可检测到体积很小的肿瘤。由于恶性肿瘤与普通细胞的含水量不同，造成癌细胞与正常细胞之间介电特性也不同，利用这一原理，可以通过UWB微波信号来分辨出肿瘤的特征并定位其位置。并且，UWB微波信号能量只有几个毫瓦，功率密度小于0.5mW/cm2，只有普通移动电话辐射能力的百分之一，不会因为高剂量的电磁辐射对人体造成危害，安全性好。相较于X-ray成像技术和X-CT技术采用的X射线源，UWB微波信号对人体的伤害要小很多。这是由于X射线的电离辐射会穿透细胞，进而破坏细胞的DNA结构，甚至诱发细胞癌变，对人体的伤害较大。而且，相比MRI(磁共振成像)技术，采用UWB微波信号制成的肿瘤检测设备的制造成本要低很多，检测费用较为低廉。因此，利用UWB微波信号分辨率高，安全性好等优势，采用UWB微波信号对肿瘤进行定位及成像的相关技术己经成为国内外医学影像界关注和研究的焦点。而且采用X-ray成像技术、X-CT技术和MRI技术制成的医疗检测设备体积庞大，价格高昂。而采用UWB微波信号作为信号源制成的医疗检测设备可以做到低功耗、小体积的便携式设备，且成本较低。UWB微波信号是持续时间非常短的脉冲串,占用带宽大，具有高分辨力,对信号有着很强携载能力,并有着伪白噪声特性。UWB微波信号有很强的穿透性，极易穿透人体。在肿瘤定位方面，UWB微波信号可以提供很高的定位精度，使用极微弱的同步脉冲就可以辨别出隐藏在人体内的肿瘤，定位误差也很小。且由于只需要极微弱的同步脉冲即可，所需要的电源功耗低，可以方便地和嵌入式单板计算机相结合，制作成体积小，低功耗的便携式检测装置。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置及检测方法，采用UWB微波信号穿透人体皮肤，获取人体器官内部介质特性分布的信息,将接收到的透过人体器官的信号进行分析处理,根据人体器官中正常组织与肿瘤组织之间介电特性不同的特征，通过主控嵌入式芯片内置的反演算法进行还原重构，对疑似有肿瘤组织的人体器官进行成像，确定肿瘤的大小和位置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，包括UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统、UWB天线阵列、成像算法单元、电源模块和交互模块；所述的UWB微波信号产生系统产生微波信号通过UWB天线阵列发射并穿透人体皮肤进入人体组织，人体组织散射回波信号通过UWB天线阵列接收，UWB天线阵列接收到的散射回波信号通过UWB微波信号采集处理系统采集处理后，通过成像算法单元进行数字化处理，最后由交互模块对体内肿瘤进行显示、记录、存储；由于，UWB微波信号产生系统包括FPGA单元、计数器、比较器和延时单元，能够输出UWB微波信号；FPGA通过伪随机码产生器产生周期的伪随机信号，在产生伪随机信号的同时，计数器开始计数，并每隔一个周期宽度时间计数器加1，再将产生的伪随机信号和计数器的计数值送入比较器进行比较，当二者数值一致时，输出为脉冲调制信号，经PPM调制，通过延时单元，用脉冲出现的位置超前或落后于某一标准或特定时基来表示某个特定信息，利用FPGA逻辑单元间的延时特性,通过等效逻辑运算，在片内走线延时，编写可控延时程序，调整输出脉冲宽度，根据信号输出的延时情况进行信号延时，最终输出为UWB微波信号，其中，PPM调制为脉冲位置调制，是利用脉冲的相对位置来传递信息的一种调制方式；所述的UWB微波信号采集处理系统包括散射回波信号获取单元，所述的散射回波信号获取单元采集到UWB天线阵列收集的回波信号，将回波信号通过信号调整放大电路进行放大后分别经过可控低通滤波器进行滤波，滤波后的输出信号通过A/D模数转换器转换后输入嵌入式单板计算机内，由嵌入式单板计算机处理后的数据通过交互模块进行显示、记录、存储；所述的UWB天线阵列由多根UWB天线阵列排列而成，每根UWB天线均具有发射微波信号和接收回波信号的功能；所述的电源模块能为UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统以及交互系统提供电量；所述的交互模块包括存储模块和触控显示屏。所述的低通滤波器内包括可控抗混叠滤波器，其中低通滤波器对模拟信号控制其截止频率，可控抗混叠滤波器可以实现对输入信号低通滤波的控制。信号采集系统能实现的最高采样频率范围为100Mhz，针对UWB天线阵列信号，采集系统具备多个通道进行处理，根据数据采集系统可以分辨输入信号最小变化量的高低选用数据分辨率为12位高速率A/D采样芯片。所述的每根UWB天线均包括设置在背面的环形贴片状的接地板，所述的接地板框内设置有叉形辐射极子，所述的叉形辐射极子与背面接地板的间隔采取渐变结构。UWB天线阵列需满足如下要求：第一，UWB天线阵列的形状与被检测的人体部位需较为紧密地贴合，由于被检测的人体部位一般具有一定的弧度凸出，因此UWB天线阵列的形状具有一定微小角度的半椭圆形，并可容纳多根天线。每根天线都具有发射UWB微波信号和接收人体组织散射回波信号的功能。第二，UWB天线阵列需满足UWB的带宽为3.1-10.6GHz，且相对带宽需超过100％，且在该频段上都具有较好的阻抗特性，以保证UWB微波信号能够被无失真地传输，能够在接收人体组织散射回波信号中通过算法计算分辨出肿瘤的位置和大小，以实现肿瘤成像的高分辨率，当作为辐射天线时要求其无失真，且具有足够的瞬时功率；而当作为接收天线时则要求其接收信号时具有良好的灵敏度。第三，UWB天线阵列的辐射强度集中在一个方向上，具有较好地指向性，有利于穿透人体组织，可以检测皮肤下深处的肿瘤。第四，UWB天线阵列小型化设计，更好的和微波信号产生系统以及微波信号采集处理系统结合在一起，保证整个肿瘤检测装置具有便携性特点。一种基于UWB源的肿瘤检测方法，其特征在于波束成形理论通过干涉来改变UWB天线阵列的方向性，通过对每根天线发射信号的相位和幅度进行控制，形成在波前相长干涉或相消干涉的形式，以此处理从人体组织中不同结构的分界面散射回来的回波信号，进行反向的时间补偿处理并叠加，可以实现有效回波信号的同相叠加，而噪声和干扰信号则会发生非同相的叠加，以此来提高输出信噪比和检测精度，具体步骤如下：步骤1，通过UWB微波信号产生系统产生UWB微波信号；步骤2，通过UWB天线阵列朝向人体发射UWB微波信号；步骤3，UWB微波信号接触人体组织后反射形成回波信号，回波信号通过UWB天线阵列接收；步骤4，接收到的回波信号经A/D转换器转换，并对转换后的回波信号进行抽取处理，得到主要含肿瘤信息的回波信号；步骤5，通过计算信号到达接收天线的时间，反推出肿瘤到UWB天线阵列内UWB天线的传播路程，再根据信号在人体组织中的传输速度求出信号的传播时间延迟量；其中信号在人体组织中的传输速度v可由如下公式计算：其中，μ为人体组织的磁导率，ε为人体组织的介电常数，σ为人体组织的电导率，ω为信号的角频率；步骤6，根据步骤5计算出来的时间延迟量并利用窗函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，包括UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统、UWB天线阵列(3)、成像算法单元、电源模块和交互模块；所述的UWB微波信号产生系统产生微波信号通过UWB天线阵列(3)发射并穿透人体皮肤(2)进入人体组织，人体组织散射回波信号通过UWB天线阵列(3)接收，UWB天线阵列(3)接收到的散射回波信号通过UWB微波信号采集处理系统采集处理后，通过成像算法单元进行数字化处理，最后由交互模块对体内肿瘤(1)进行显示、记录、存储；所述的UWB微波信号产生系统包括FPGA单元、计数器、比较器和延时单元，能够输出UWB微波信号；所述的UWB微波信号采集处理系统包括散射回波信号获取单元，所述的散射回波信号获取单元采集到UWB天线阵列(3)收集的回波信号，将回波信号通过信号调整放大电路进行放大后分别经过可控低通滤波器进行滤波，滤波后的输出信号通过A/D模数转换器转换后输入嵌入式单板计算机内，由嵌入式单板计算机处理后的数据通过交互模块进行显示、记录、存储；所述的UWB天线阵列(3)由多根UWB天线(4)阵列排列而成，每根UWB天线(4)均具有发射微波信号和接收回波信号的功能；所述的电源模块能为UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统以及交互系统提供电量；所述的交互模块包括存储模块和触控显示屏。...

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，包括UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统、UWB天线阵列(3)、成像算法单元、电源模块和交互模块；所述的UWB微波信号产生系统产生微波信号通过UWB天线阵列(3)发射并穿透人体皮肤(2)进入人体组织，人体组织散射回波信号通过UWB天线阵列(3)接收，UWB天线阵列(3)接收到的散射回波信号通过UWB微波信号采集处理系统采集处理后，通过成像算法单元进行数字化处理，最后由交互模块对体内肿瘤(1)进行显示、记录、存储；所述的UWB微波信号产生系统包括FPGA单元、计数器、比较器和延时单元，能够输出UWB微波信号；所述的UWB微波信号采集处理系统包括散射回波信号获取单元，所述的散射回波信号获取单元采集到UWB天线阵列(3)收集的回波信号，将回波信号通过信号调整放大电路进行放大后分别经过可控低通滤波器进行滤波，滤波后的输出信号通过A/D模数转换器转换后输入嵌入式单板计算机内，由嵌入式单板计算机处理后的数据通过交互模块进行显示、记录、存储；所述的UWB天线阵列(3)由多根UWB天线(4)阵列排列而成，每根UWB天线(4)均具有发射微波信号和接收回波信号的功能；所述的电源模块能为UWB微波信号产生系统、UWB微波信号采集处理系统以及交互系统提供电量；所述的交互模块包括存储模块和触控显示屏。2.根据权利要求1所述的一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，其特征在于：所述的低通滤波器内包括可控抗混叠滤波器。3.根据权利要求1所述的一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，其特征在于：所述的A/D模数转换器采用数据分辨率为12位高速率A/D采样芯片。4.根据权利要求1所述的一种基于UWB源的便携式肿瘤检测装置，其特征在于：所述的每根UWB天线(4)均包括设置在背面的环形贴片状的接地板(5)，所述的接地板(5)框内设置有叉形辐射极子(6)，所述的叉形辐射极子(6)与背面接地板(5)的间隔采取渐变结构。5.一种基于UWB源的肿瘤检测方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1，通过UWB微波信号产生系统产生UWB微波信号；步骤2，通过UWB天线阵列(3)朝向人体发射UWB微波信号；步骤3，UWB微波信号接触人体组织后反射形成回波信号，回波信号通过UWB天线阵列(3)接收；步骤4，接收到的回波信号经A/D转换器转换，并对转换后的回波信号进行抽取处理，得到主要含肿瘤信息的回波信号；步骤5，通过计算信号到达接收天线的时间，反推出肿瘤(1)到UWB天线阵列(3)内UWB天线(4)的传播路程，再根据信号在人体组织中的传输速度求出信号的传播时间延迟量；其中信号在人体组织中的传输速度v可由如下公式计算：其中，μ为人体组织的磁导率，ε为人体组织的介电常数，σ为人体组织的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈婕，高英杰，叶全意，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32