【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微波热疗，具体为一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法。
技术介绍
1、根据微波热疗采用的发射天线种类，有不同的电磁能量聚焦方法。通常微波热疗发射天线有两种形式，一种是采用单个发射天线配以透镜或反射面，通过调整透镜的反射面或更换透镜可以适当调整电磁能量的聚焦位置，该方法灵活性比较差，且比较笨重，难以实现临床上的应用；另一种是采用多个辐射单元组成天线阵列，通过调整各个单元的幅值和相位使电磁能量聚焦在病灶区域，该方法灵活性较好，具有实际的临床应用潜力，已被应用于肺癌、乳腺癌和头颈癌等恶性肿瘤的治疗中。
2、然而，由于人体组织具有高度非均匀的电磁参数，如何根据实际的电磁环境快速获得外部天线阵列的最佳参数使其辐射出的电磁能量聚焦在预期位置更是微波热疗的研究重点和难点。
3、目前，用于获得最佳的阵列天线参数的理论和优化算法主要有波束赋型方法、粒子群算法、遗传算法、功率传输网络的能量优化传输理论和时间反演方法等。其中，波束赋型方法直接应用在高度非均质的人体组织时存在能量旁瓣，需要配合其他优化算法使用。粒子群算法和遗传算法等优化算法虽然可以获得较理想的耗散功率，但是需要大量的迭代计算才能使结果收敛。基于功率传输网络的能量优化传输理论，虽然可以有效地减少迭代计算次数并在圆柱形体模上取得了较好的聚焦效果，但是该方法仍需在高度非均匀的人体模型中做进一步验证。
4、时间反演方法则是利用电磁波传播的时间反演不变性实现电磁能量的聚焦。由于该方法仅需一次正向计算即可获得聚焦天线的理想参数，因此在微波热疗中受到了
5、现有的时间反演方法大多忽略了电磁波在有耗的人体组织内的完美时间反演特性被破坏这一重要问题，且在时间反演过程中起到重要作用的虚拟辐射器设置上也只是使用最简单的点源，导致反演电磁能量分布会因为电磁波在人体组织内的耗散损失部分信息而无法重新精准聚焦到原信源位置，从而会存在次生能量点，影响了患者的安全。而且，使用简单的虚拟点源也无法对反演的电磁能量聚焦斑的大小进行调控，不具有设计的灵活性。
6、因此需要对以上问题提出一种新的解决方案。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，以解决现
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，至少包括以下步骤：
3、s1：在虚拟点源周边放置一系列金属丝阵列结构后，虚拟点源激发出的电磁波将通过金属丝阵列多径散射后到达人体组织，然后在人体组织内沿多条路径到达外部的接收天线；
4、s2：由于接收天线记录了电磁波经过金属丝后在人体组织内的复杂传播路径，于是将接收天线上的信号进行时间反转并重新发送后，尽管金属丝和虚拟点源都已经被移除，时间反演电磁波还是会趋于原路径经人体组织返回原虚拟辐射器位置，并在此位置形成聚焦；
5、s3：为了分析s2过程中金属丝阵对时间反演电磁波聚焦的影响，先从一个简单的一维时间反演模型出发，以此获取金属丝阵影响时间反演电磁波传播过程的关键参数；
6、s4：在三维电磁场模型中为虚拟辐射器加载金属丝阵，求得虚拟辐射器加载金属丝阵的几何尺寸[a,b,r]req；
7、s5：基于s4，加载金属丝阵的虚拟辐射器所得的电磁能量聚焦集中度得到了大幅的提高，原因为金属丝阵可增加电磁波传播的多径性，从而提高反演过程的准确度，鉴于这种多径性的提高对人体组织电磁参数的小幅变化并不敏感，所以当人体组织电磁参数因温度发生改变时，可知加载金属丝阵的虚拟辐射器具有保持电磁能量稳定聚焦在原位置的潜力。
8、优选的，所述s3至少包括以下步骤：利用金属丝阵等效介电模型求得金属丝阵的透射系数关于其几何尺寸[a,b,r]的表达式后，可建立区域i内的时间反演电磁场分布与金属丝阵几何尺寸[a,b,r]在一维模型中的数学关系：
9、优选的，所述s4至少包括以下步骤：
10、首先，基于上一步中对一维时间反演电磁场分布的优化，获得三维电磁场模型中虚拟辐射器加载金属丝阵的初始参数[a,b,r]int；
11、定量调整上述初始参数，在三维电磁场仿真中求得不同金属丝阵尺寸对应的外部天线阵列参数及时间反演电磁耗散功率分布；
12、针对金属丝尺寸过小造成的电磁场计算困难，采用等效介电模型或变换光学法予以解决；
13、利用matlab等拟合软件建立金属丝阵尺寸与外部天线阵列参数及其辐射出的电磁能量聚焦斑增益和尺寸的关系式，如下所示：
14、
15、其中，表示时间反演电磁能量耗散功率分布；am表示聚焦斑幅度；r表示聚焦斑半径；a,b,r分别代表金属丝的间距和半径；
16、txop、dxop,axop,t分别代表信号源的周期、峰值宽度和峰值大小，分别代表外部天线阵列1-n的幅度和相位；
17、基于上式，设定预期的聚焦斑尺寸，利用响应面法可求得虚拟辐射器加载金属丝阵的几何尺寸[a,b,r]req。
18、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
19、1、本专利技术通过在虚拟点源附近加载金属丝阵，可通过增强电磁波在人体组织内的传播的多径性和复杂性，即增加时间反演电磁波的信息量，以减少反演电磁波因在人体组织内损耗而造成的信息丢失对能量聚焦精度的影响，从而提高反演电磁能量在人体组织内的聚焦精度；
20、2、本专利技术可通过联立金属丝阵的数量、间距与虚拟点源的源函数，实现反演电磁能量聚焦斑尺寸的调控，提高设计的灵活性；
21、3、本专利技术鉴于加载金属丝阵造成的时间反演电磁波多径性的提高对人体组织电磁参数的小幅变化并不敏感，当人体组织电磁参数因温度发生改变时，该加载金属丝阵的虚拟辐射器具有保持电磁能量稳定聚焦在原位置的能力。
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1.一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，其特征在于：所述S3至少包括以下步骤：利用金属丝阵等效介电模型求得金属丝阵的透射系数关于其几何尺寸[a,b,r]的表达式后，可建立区域I内的时间反演电磁场分布与金属丝阵几何尺寸[a,b,r]在一维模型中的数学关系：
3.根据权利要求2所述的一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，其特征在于：所述S4至少包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种加载金属丝阵虚拟辐射器设计方法，其特征在于：所述s3至少包括以下步骤：利用金属丝阵等效介电模型求得金属丝阵的透射系数关于其几...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶菁华，郭俊雄，宋普查，辛晓军，高涛涛，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：
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