[發明專利]生物體組織探測裝置、系統及方法

在審

• 申請號: 201410629453.0
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104473617A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 楊帆;陳意釩
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 吳平

技術領域

本發明涉及醫療檢測領域，特別涉及一種生物體組織探測裝置、系統及方法。

背景技術

乳腺癌是一種嚴重影響婦女身心健康甚至危及生命的最常見惡性腫瘤，據資料統計，發病率占全身各種惡性腫瘤的7-10％。

目前乳腺癌普查主要采用人工手檢輔助其它醫學臨床檢測手段，常用的超聲成像利用超聲波在體內傳播過程中遇到聲阻抗變化的界面時的反射回波成像，但對于早期病變部位其成像對比度很低；X-CT技術是借助各部分組織對X射線的吸收不同產生不同的陰影所形成的圖像，但對人體有害的射線作為信息的載體進行成像可能會導致癌變幾率的增加；核磁共振成像用線圈檢測技術獲得組織馳豫信息與質子密度信息成像技術，它對人體無損傷且能實現功能成像，但設備成本造價高、使用及維護費用昂貴，給患者造成較大的經濟負擔，且設備無法實現小型化。

由于上述檢測手段的缺陷，微波成像檢測手段越來越受到關注。微波對乳腺癌的臨床診斷具有安全無電離輻射，不需要對乳房進行疼痛的擠壓，對早期乳腺癌靈敏性高等特點。此外，微波成像技術和系統可以以較高的效益/成本比針對病人進行日常的檢測和長期的監測，在臨床應用上有廣泛的前景。不僅如此，微波成像還能針對有致密型乳腺的年輕人群進行大規模乳腺癌篩查，這在X-CT攝片技術是無法做到的。

目前現有的微波成像技術主要包括兩個方面，即微波層析成像和雷達成像方法。通過提高成像算法的效率、準確率，可以很大程度提高成像的效果。無論哪一種成像方法，首先由一組天線構成天線陣列緊密地圍繞或包裹整個乳房。單個天線作為發射單元依次向乳房發射微波信號，同時其他天線元作為接收單元接收散射的回波。接著計算機算法會對記錄的回波散射信號進行算法處理，并還原成二維或三維的微波圖像。在圖像中，乳腺癌的微波特性會有別于背景中的健康乳腺組織，從而做出臨床診斷。

天線陣列中均勻分布的天線元由于信號傳播路徑的差異和乳房組織介電特性分布的不均勻接收的信號強度差異較大，很多天線元接收并記錄的信號由于強度很弱無法進行后續算法處理。由于需要天線陣列緊密地圍繞或包裹整個乳房，所需天線元較多，成本較高。雙基地天線由于只有兩個天線元，控制系統要耗費長時間才能完成對乳房的全掃描，掃描效率低。

對于微波層析成像方法，首先需要重建正向的數值乳房模型包括二維或三維的乳房組織和天線陣列，其次需要通過迭代算法匹配測量所得的微波散射信號和由正向數值模型所得的數值散射信號。當兩者達到估計的匹配時，收斂的迭代算法將還原乳房組織的介電特性的空間分布圖形成最終醫療影像。這種成像方法也稱為逆散射成像方法。

微波層析成像方法的準確性取決于正向數值模型的精度，測量系統的精度，成像算法的可靠性等因素。迭代算法對計算量的要求很高，現有的層析成像算法包括高斯-牛頓方法等一系列解決逆散射問題的方法，其中全局性優化算法由于優化算法的不斷進步引起了較高的關注。在使用全局優化算法中，全局的最優解對應著最終成像的介電特性的空間分布。相反局部的優化解則對應著被測物介電特性的錯誤分布，會導致誤診或漏診。因此，準確性高的優化算法對成像的效果至關重要。較常見的全局優化算法包括遺傳算法(Genetic?Algorithm)和粒子群優化算法(Particle?Swarm?Optimization)。兩者都是從生物體活動中抽象出的數學方法，其優點是無需確定性的算法。

在應用全局優化算法的層析成像中，算法面臨一種稱為多維數災難的技術瓶頸，即當要優化的對象維數很大時，優化算法的表現下降的非常顯著。對于乳腺成像，通常優化的對象維數很大，因此當前的全局優化算法無法達到超高分辨率的效果。

雷達成像方法無需對被測物的介電特性進行重構，只需對雷達散射回波進行合成疊加，通過掃描被測物中的各個共焦點完成雷達成像。癌變組織由于含水量較背景中健康組織多，會反射更強的回波，因此在成像時會疊加成更強的強度水平。雷達成像的優勢是計算簡單，而且容易消除皮膚的損耗對回波的影響。但是，當成像對象是腺體致密型的乳房時，雷達成像很難探測微小的腫瘤。雷達成像方法也存在對乳房組織的平均介電常數的預估計問題，由于乳房的非均勻各向異性，其介電常數變化非常顯著，造成在算法處理時的錯誤合成疊加。