一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法技术

本发明专利技术提供了一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，首先获取最优辐射脉冲，然后，采用阵列源向颅内胶质瘤发送最优辐射脉冲，通过时域有限差分法获得各个观测点的最优辐射脉冲对应的电场强度Z分量平面分布图；最后通过最优辐射脉冲对应的电场的时间与深度的关系得到各个观测点的视介电常数所对应的深度值，即最终获得全空间视介电常数成像。本发明专利技术在加强辐射源发射效率的同时，快速、有效的对颅内脑胶质瘤进行成像。通过阵列源加强辐射场的辐射能力；通过改变辐射源的发射脉宽，找到最适合胶质瘤探测的脉冲；通过使用视介电常数成像方法，对颅内胶质瘤进行快速成像。

【技术实现步骤摘要】
一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法
本专利技术属于电磁探测领域，涉及脑胶质瘤的探测成像，具体涉及一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法。
技术介绍
脑胶质瘤是最常见的脑部肿瘤，也是危险性最大的肿瘤类型之一。从大量的临床医学案例来看，脑胶质瘤的早期检测是降低手术风险，提高脑瘤治愈率的重要前提。随着技术的发展，脑瘤的诊断和分析取得了一定的进展。尤其是脑胶质瘤的检测与成像是医学工作者们关心的问题。目前，医学上主要的检测脑胶质瘤的方法是磁共振成像法和脑CT法。磁共振方法的优点在于对含水量较高的软组织具有良好的分辨能力，缺点在于空间分辨能力较低，肿瘤特异性较差，且需要脑瘤附近的水肿量达到一定程度才能发现肿瘤的确切位置。从医学病理的角度来看，脑瘤附近出现大量水肿意味着脑瘤的发育已进入中、晚期，减小肿瘤的治愈几率。医用CT技术在进行脑瘤探测时没有对组织含水量的需求，且对特定的人体组织具有良好的分辨能力，但是CT技术一般是利用X射线作为辐射源，对人体的伤害较大。即使使用对人体伤害较小的灌注式CT方法，灌注药品需要一定的时间才能被肿瘤吸收，且吸收的效果也因人而异，这样大大降低了脑胶质瘤的探测效率。目前，微波成像成为肿瘤检测的新方法，但由于缺少探测时所需的谐波成分，对于环境复杂的颅内结构来说，微波成像方法需要进行进一步的优化和理论改进。对于脑胶质瘤的临床诊断需要精确检测，由于颅内结构相比人体其它部位更加复杂，以往的微波成像方法很难做到精确成像。虽然现在流行的三维电磁反演技术可以对被测目标体进行精确定位，但是由于脑胶质瘤的三维正演的计算时间过长，对其进行三维反演更是难以完成。同时电磁的三维反演问题一般需要电磁专业的专家才能解决，不利于在医学工作者中推广。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术的目的在于提供一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，解决现有技术中难以快速、简单且有效地对颅内脑胶质瘤进行三维成像的技术问题。为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，该方法包括以下步骤：步骤一，获取最优辐射脉冲：步骤1.1，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为各个观测点的阵列源的辐射脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线；步骤1.2，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为参考脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线；步骤1.3，采用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线减去无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线，得到各个观测点的颅内脑胶质瘤散射场的剩余异常响应曲线；步骤1.4，对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲进行正演模拟，对各个观测点的步骤1.2所述的参考脉冲附近的脉冲进行正演模拟，每个阵列源的辐射脉冲附近的脉冲对应一个参考脉冲附近的脉冲；对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲采用步骤1.3的方法获取不同脉冲对应的剩余异常响应曲线；对比每个脉冲对应的剩余异常响应曲线，得到电场响应幅值最高的剩余异常响应曲线，将该剩余异常响应曲线对应的脉冲作为最优辐射脉冲；所述的附近的脉冲指的是主频率在4×109HZ～4×1011HZ范围内的脉冲；所述的参考脉冲指的与对应的脉冲的的主频率相同；所述的脉冲为主频率在4×109HZ～4×1011HZ范围内的脉冲；步骤二，获取电场强度Z分量平面分布图：采用阵列源向颅内胶质瘤发送最优辐射脉冲，通过瞬变电磁法产生瞬变电磁，在头部外侧的各个观测点进行数据的采集，通过时域有限差分法获得各个观测点的最优辐射脉冲对应的电场强度Z分量平面分布图；步骤三，颅内脑胶质瘤的视介电常数成像：根据电场强度Z分量平面分布图，获取最优辐射脉冲对应的电场的时间与视介电常数的关系，然后通过时间与深度的关系联立，并最终得到视介电常数与深度之间的关系，通过最优辐射脉冲对应的电场的时间与深度的关系得到各个观测点的视介电常数所对应的深度值，即最终获得全空间视介电常数成像；所述的视介电常数与时间的关系如下所示：所述的电场的时间与深度的关系如下所示：式中：ε为介电常数；r为测量点到偶极子之间的距离；θ为r与z轴的夹角；为r的向量；为θ的向量；π为圆周率；c为光速，表达式为为源激发的脉冲波形函数；i，j分别表示水平方向上，阵列源单个源的序数；m，n分别表示水平方向上，阵列源单个源的总数；H为深度值；t为时间；k为时间的序数；Nτ为时间采样点个数；μ为磁导率；ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数。本专利技术与现有技术相比，有益的技术效果是：(Ⅰ)本专利技术在加强辐射源发射效率的同时，快速、有效的对颅内脑胶质瘤进行成像。通过阵列源加强辐射场的辐射能力；通过改变辐射源的发射脉宽，找到最适合胶质瘤探测的脉冲；通过使用视介电常数成像方法，对颅内胶质瘤进行快速成像。(Ⅱ)本专利技术提出一种快速、简单且有效的方法对颅内脑胶质瘤进行三维成像，即视介电常数成像法，然后将其应用到复杂介质当中，视介电常数是介质介电特征的综合反映，通过视介电常数的高低变化，可以形象地表示出脑胶质瘤的介电特征变化。另外，通过介电常数可确定电磁场的传播速度，利用电磁场的传播速度和传播时间计算出脑胶质瘤的深度位置。利用3维时域有限差分的方法，结合超宽带瞬变电磁阵列源，对颅内脑胶质瘤进行了仿真并优选出适合探测早期脑胶质瘤的脉冲。最后，通过视介电常数的定义方法，对颅内脑胶质瘤进行了视介电常数成像，并得到清晰的成像结果。附图说明图1是瞬变电磁法的原理示意图。图2是脉冲与谐波成分示意图。图3是阵列源与网格位置示意图。图4是颅内脑胶质瘤模型示意图。图5是超宽带瞬变电磁阵列源与脑组织模型的位置示意图。图6是脉宽分别为2ps、20ps、200ps的剩余异常响应曲线对比图。图7是11×11阵列源在YOZ截面上的平面分布图，其中，图7(a)为脉冲关断1ps时的电场强度Z分量平面分布图；图7(b)为脉冲关断10ps时的电场强度Z分量平面分布图；图7(c)为脉冲关断20ps时的电场强度Z分量平面分布图。图8是信号接收点位置示意图。图9是主剖面的视介电常数成像结果断面图。图10是视介电常数成像结果切片图。以下结合附图和实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式需要说明的是：所有计算都是基于笛卡尔坐标系完成，辐射源的中心位于坐标原点，其中电场的传播方向为Z轴方向，垂直于Z轴的方向(X轴和Y轴方向)为水平方向。需要说明的是：下述实施例中的各个参数的单位，如无特殊说明，皆为为米、公斤、秒等国际单位制。以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。实施例：本实施例给出一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，该方法包括以下步骤：步骤一，获取最优辐射脉冲：步骤1.1，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为各个观测点的阵列源的辐射脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，获取最优辐射脉冲：步骤1.1，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为各个观测点的阵列源的辐射脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线；步骤1.2，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为参考脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线；步骤1.3，采用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线减去无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线，得到各个观测点的颅内脑胶质瘤散射场的剩余异常响应曲线；步骤1.4，对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲进行正演模拟，对各个观测点的步骤1.2所述的参考脉冲附近的脉冲进行正演模拟，每个阵列源的辐射脉冲附近的脉冲对应一个参考脉冲附近的脉冲；对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲采用步骤1.3的方法获取不同脉冲对应的剩余异常响应曲线；对比每个脉冲对应的剩余异常响应曲线，得到电场响应幅值最高的剩余异常响应曲线，将该剩余异常响应曲线对应的脉冲作为最优辐射脉冲；所述的附近的脉冲指的是主频率在4×109HZ～4×1011HZ范围内的脉冲；所述的参考脉冲指的与对应的脉冲的的主频率相同；所述的脉冲为主频率在4×109HZ～4×1011HZ范围内的脉冲；步骤二，获取电场强度Z分量平面分布图：采用阵列源向颅内胶质瘤发送最优辐射脉冲，通过瞬变电磁法产生瞬变电磁，在头部外侧的各个观测点进行数据的采集，通过时域有限差分法获得各个观测点的最优辐射脉冲对应的电场强度Z分量平面分布图；步骤三，颅内脑胶质瘤的视介电常数成像：根据电场强度Z分量平面分布图，获取最优辐射脉冲对应的电场的时间与视介电常数的关系，然后通过时间与深度的关系联立，并最终得到视介电常数与深度之间的关系，通过最优辐射脉冲对应的电场的时间与深度的关系得到各个观测点的视介电常数所对应的深度值，即最终获得全空间视介电常数成像；所述的视介电常数与时间的关系如下所示：...

【技术特征摘要】
1.一种针对颅内脑胶质瘤的瞬变电磁阵列源探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，获取最优辐射脉冲：步骤1.1，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为各个观测点的阵列源的辐射脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线；步骤1.2，采用趋肤深度计算公式获取各个观测点的探测不同深度颅内脑胶质瘤的频率，将该频率作为参考脉冲的主频率进行正演模拟，获得各个观测点的无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线；步骤1.3，采用颅内脑胶质瘤对电场的异常响应曲线减去无颅内脑胶质瘤时人脑对电场的响应曲线，得到各个观测点的颅内脑胶质瘤散射场的剩余异常响应曲线；步骤1.4，对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲进行正演模拟，对各个观测点的步骤1.2所述的参考脉冲附近的脉冲进行正演模拟，每个阵列源的辐射脉冲附近的脉冲对应一个参考脉冲附近的脉冲；对各个观测点的步骤1.1所述的阵列源的辐射脉冲附近的脉冲采用步骤1.3的方法获取不同脉冲对应的剩余异常响应曲线；对比每个脉冲对应的剩余异常响应曲线，得到电场响应幅值最高的剩余异常响应曲线，将该剩余异常响应曲线对应的脉冲作为最优辐射脉冲；所述的附近的脉冲指的是主频率在4×109H...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文翰，李贺，蔡靖，崔洪亮，李貅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22