本发明专利技术公开了一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置及方法，本发明专利技术通过向生物组织样品照射不同状态的线偏振微波和圆偏振微波，并采集在不同偏振微波照射下对应激发形成的超声波；对超声波信息分析，得到样品在不同偏振微波照射激发下对应的微波热声矩阵，并构建微波热声矩阵与所有偏振微波极化状态的斯托克矢量之间的关系方程；通过解算关系方程得到生物组织样品的各向异性微波吸收矩阵，再基于各向异性微波吸收矩阵确定样品的各向异性度、空间排列取向和手性状态，为生物组织偏振测量提供直接高效的策略，对生物组织各向异性度、空间排列取向和手性状态进行定量描述，从而提高生物组织的微波热声成像准确性。
1、微波热声成像是一种以生物组织电特性差异为原理基础的多物理场耦合成像方法，其采用脉冲微波作为激发源，通过热弹性效应产生的超声波呈递深层生物组织的结构与功能信息，融合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点。生物组织中的极性分子、离子吸收微波能量后通过热弹性效应产生超声波，被激发的超声波携带着生物组织病理、生理信息向外传播，通过采集生物组织周围各个方向的超声信号可以重建出组织内部形态结构与功能图像。由于微波的低散射特性，通过微波到超声能量传递形式的变换，微波热声成像技术可实现生物组织无损、数厘米深度、百微米分辨率的成像。但是，现有的微波热声成像技术无法获取生物组织的空间结构信息，无法对生物组织各向异性度、空间排列取向和手性状态进行定量描述，降低对生物组织的成像准确性。
1、本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置及方法，通过对生物组织样品照射不同状态的偏振微波得到样品激发的超声波，在对超声波进行分析得到微波热声矩阵，进一步得到各向异性微波吸收矩阵，实现对生物组织各向异性度、空间排列取向和手性状态进行定量描述，从而提高生物组织的微波热声成像准确性。
>3、所述微波激励源用于生成微波激励信号；4、所述天线辐射组件与微波激励源连接，用于根据微波激励信号向生物组织样品照射线偏振微波和圆偏振微波生成超声波；
5、所述超声换能器用于接收生物组织样品在天线辐射组件中产生的超声波，并生成与超声波对应的超声波信号；
6、所述超声波信号处理组件与超声换能器连接，用于对超声波信号进行处理，从而生成数字信号；
7、所述计算机与超声波信号处理组件连接，用于根据数字信号对生物组织样品进行超声图像实时重建，从而完成对生物组织样品的各向异性度、空间排列取向和手性状态的定量表征；
8、所述计算机还与微波激励源连接，用于控制微波激励源信号的生成。
9、作为优选的技术方案，所述微波激励源为脉冲式微波激励源；
10、所述微波激励源生成频率为0.5~10ghz，重复频率为10~100hz，脉冲宽度为50~550ns，峰值功率为70kw的脉冲微波激励信号。
11、作为优选的技术方案，所述天线辐射组件包括偶极子天线和圆偏振天线；
12、所述偶极子天线根据微波激励信号发射线偏振微波；所述线偏振微波具有多种不同的极化方向；
13、所述圆偏振天线根据微波激励信号发射圆偏振微波；
14、所述偶极子天线和圆偏振天线分别在不同时段向生物组织样品照射对应的偏振微波。
15、作为优选的技术方案，所述装置还包括步进电机，与偶极子天线连接，用于驱动偶极子天线，改变偶极子天线的极化方向，从而使偶极子天线在四个不同的极化方向上发射线偏振微波；
16、所述计算机与步进电机连接，通过步进电机控制偶极子天线的旋转方向和旋转角度。
17、作为优选的技术方案，所述偶极子天线根据微波激励信号在-45°、0°、45°、90°四个极化方向上发射线偏振微波；
18、所述圆偏振天线根据微波激励信号发射左圆偏振微波或右圆偏振微波。
19、作为优选的技术方案，所述超声换能器为阵列式超声换能器，并且位于垂直于天线辐射组件极化面的平面上；
20、所述超声换能器和生物组织样品共同浸没在超声耦合液中；
21、所述阵列式超声换能器为128个阵元且呈半环形的聚焦阵列超声换能器，中心频率为3.5mhz，阵元间距为1.45mm，阵元弧长为15mm，阵元宽度为1.35mm；
22、所述超声耦合液为矿物油或变压器油。
23、作为优选的技术方案，所述超声波信号处理组件包括放大器和数字采样器；
24、所述放大器与超声换能器连接，用于对超声波信号进行放大处理；
25、所述数字采样器与放大器连接用于对经过放大处理的超声波信号进行采样处理，从而生成与超声波信号对应的数字信号；
26、所述放大器包括128路通道，最大增益为80db；
27、所述数字采样器的采样频率为40mhz。
28、另一方面，本专利技术还提供一种使用上述微波热声成像装置的生物组织偏振测量方法，包括下述步骤：
29、将生物组织样品放入微波热声成像装置中，通过计算机控制微波激励源生成微波激励信号；
30、根据微波激励信号，控制天线辐射组件向生物组织样品照射四个不同极化方向的线偏振微波和两种不同类型的圆偏振微波，生成生物组织样品的超声波；所述超声波包括在每个极化方向的线偏振微波超声波和每种类型的圆偏振微波超声波；
31、通过超声换能器接收生物组织样品的超声波，并生成与其对应的超声波信号；
32、使用超声波信号处理组件对超声波信号进行处理，生成对应的数字信号；
33、计算机对数字信号进行分析，得到生物组织样品在线偏振微波和圆偏振微波照射下对应的偏振热声矩阵；
34、基于偏振热声矩阵，确定生物组织样品的各向异性微波吸收矩阵，并进一步确定生物组织样品的各向异性度、空间排列取向和手性状态。
35、作为优选的技术方案，所述四个不同极化方向的线偏振微波分别为-45°、0°、45°、90°四个极化方向的线偏振微波；
36、所述两种不同类型的圆偏振微波分别为左圆偏振微波和右圆偏振微波；
37、通过测量四个不同极化方向的线偏振微波的热声信号幅值和两种不同类型的圆偏振微波的热声信号幅值，得到偏振热声矩阵sta，表示为：
38、sta= [ta0ta1ta2ta3]t，
39、其中，ta0、ta1、ta2、ta3分别表示不同极化状态组合下的热声信号幅值强度；
40、使用斯托克矢量smicrowave描述线偏振微波的四种不同极化状态和圆偏振微波的两种类型极化状态，表示为：
41、smicrowave= [s0s1s2s3]t，
42、其中，s0=i0+i90、s1=i0-i90、s2=i45-i-45、s3=ir+il，i0、i-45、i-45、i90分别描述0°、45°、-45°、90°四个极化方向线偏振微波的极化状态；ir、il分别为左圆偏振微波和右圆偏振微波的极化状态；
43、基于偏振热声矩阵和斯托克矢量构建关系方程式：
44、sta=mta·smicrowave，
45、其中，mta为生物组织样品的各向异性微波吸收矩阵；
46、求解关系方程式得到生物组织样品的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述装置包括微波激励源、天线辐射组件、超声换能器、超声波信号处理组件及计算机；
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述微波激励源为脉冲式微波激励源；
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述天线辐射组件包括偶极子天线和圆偏振天线；
4.根据权利要求3所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述装置还包括步进电机，与偶极子天线连接，用于驱动偶极子天线，改变偶极子天线的极化方向，从而使偶极子天线在四个不同的极化方向上发射线偏振微波；
5.根据权利要求3所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述偶极子天线根据微波激励信号在-45°、0°、45°、90°四个极化方向上发射线偏振微波；
6.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述超声换能器为阵列式超声换能器，并且位于垂直于天线辐射组件极化面的平面上；
7.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述超声波信号处理组件包括放大器和数字采样器；
8.一种使用权利要求1-7任一项所述的微波热声成像装置的生物组织偏振测量方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
9.根据权利要求8所述的生物组织偏振测量方法，其特征在于，所述四个不同极化方向的线偏振微波分别为-45°、0°、45°、90°四个极化方向的线偏振微波；
10.根据权利要求9所述的生物组织偏振测量方法，其特征在于，所述各向异性微波吸收矩阵MTA的第一行元素表示经线偏振微波和圆偏振微波照射的生物组织样品受激时各向异性目标的吸收信息；所述第一行元素矩阵表示为：
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【技术特征摘要】
1.一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述装置包括微波激励源、天线辐射组件、超声换能器、超声波信号处理组件及计算机；
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述微波激励源为脉冲式微波激励源；
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述天线辐射组件包括偶极子天线和圆偏振天线；
4.根据权利要求3所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述装置还包括步进电机，与偶极子天线连接，用于驱动偶极子天线，改变偶极子天线的极化方向，从而使偶极子天线在四个不同的极化方向上发射线偏振微波；
5.根据权利要求3所述的一种基于偏振热声矩阵的微波热声成像装置，其特征在于，所述偶极子天线根据微波激励信号在-45°、0°、45°、90°四个极化方向上发射线偏振微波；
【专利技术属性】
技术研发人员：覃欢，王雨，毛红滔，邓业常，翁兴顺，关茗心，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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