本實(shí)用新型涉及一種圖像的融合裝置，尤其涉及一種雷達(dá)探測(cè)圖像和斷層掃描圖像的融合裝置。

背景技術(shù)：

在醫(yī)療檢測(cè)過(guò)程中，通常包括X光攝片、彩超、磁共振以及組織學(xué)檢測(cè)。X光攝片分辨率高，但伴隨著電離輻射，不適應(yīng)于病人的普查。彩超檢測(cè)無(wú)放射性損害，但是對(duì)部分癌癥病患、鈣化點(diǎn)和毛刺楊結(jié)構(gòu)不能顯示，且受檢查醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)影響大。磁共振費(fèi)用高，成像時(shí)間久，而組織學(xué)檢查亦需精確定位，如鉬靶引導(dǎo)入針、彩超引導(dǎo)入針等。因此，當(dāng)前的這些檢測(cè)手段并不適用于大規(guī)模的癌癥病患篩查，尤其是針對(duì)中國(guó)廣大的農(nóng)村地區(qū)，醫(yī)療設(shè)施和普及非常不平衡的條件下，而微波成像的臨床檢測(cè)具有無(wú)電離輻射、造價(jià)低、效果和X光相當(dāng)、可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，能夠成為我過(guò)大規(guī)模篩查的重要工具。

在微波成像技術(shù)中，微波天線的掃描技術(shù)具有重要作用，尤其針對(duì)乳房成像，是針對(duì)部分區(qū)域，同時(shí)又具有一定形狀，微波天線的形狀和掃描方式對(duì)乳房成像具有重要作用?，F(xiàn)有技術(shù)并不具有專(zhuān)門(mén)針對(duì)乳房的微波掃描裝置和方法，成像效果受到極大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題是：構(gòu)建一種多模態(tài)微波成像裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)單一檢測(cè)器件不能對(duì)兩種圖像進(jìn)行統(tǒng)一的技術(shù)問(wèn)題。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：提供一種多模態(tài)微波成像裝置，包括微波信號(hào)發(fā)生單元、微波信號(hào)接收單元、雷達(dá)成像單元、斷層掃描成像單元、圖像輸出單元，所述微波信號(hào)發(fā)生單元對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)，所述微波信號(hào)接收單元接收微波寬帶脈沖回波信號(hào)和微波單頻回波信號(hào)，所述雷達(dá)成像單元根據(jù)微波寬帶脈沖回波信號(hào)生成雷達(dá)探測(cè)圖像，所述斷層掃描成像單元根據(jù)微波單頻回波信號(hào)生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單元將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像進(jìn)行融合輸出。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波信號(hào)發(fā)生單元包括微波發(fā)生模塊和微波發(fā)射天線，所述微波信號(hào)接收單元包括微波接收天線。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)射天線和所述微波接收天線為同一微波天線，所述微波發(fā)射天線和所述微波接收天線交替工作。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)生模塊為多個(gè)，分別發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)生模塊為一個(gè)，交替發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)射天線和所述微波接收天線繞待測(cè)區(qū)域旋轉(zhuǎn)。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)射天線和所述微波接收天線設(shè)置成環(huán)狀。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述微波發(fā)射天線和所述微波接收天線設(shè)置成線型形狀。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果是：構(gòu)建一種多模態(tài)微波成像裝置，包括微波信號(hào)發(fā)生單元、微波信號(hào)接收單元、雷達(dá)成像單元、斷層掃描成像單元、圖像輸出單元，所述微波信號(hào)發(fā)生單元對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)，所述微波信號(hào)接收單元接收微波寬帶脈沖回波信號(hào)和微波單頻回波信號(hào)，所述雷達(dá)成像單元根據(jù)微波寬帶脈沖回波信號(hào)生成雷達(dá)探測(cè)圖像，所述斷層掃描成像單元根據(jù)微波單頻回波信號(hào)生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單元將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像進(jìn)行融合輸出。在診斷早期癌癥患者的過(guò)程中可以通過(guò)使用不同的成像模態(tài)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，微波雷達(dá)成像利用超寬帶微波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)散射中心在距離上的高分辨率，然后利用多普勒信息，獲得散射中心在橫向距離上的高分辨率，兩者結(jié)合即可獲得目標(biāo)的二維或三維分辨率，從而使目標(biāo)的多位高分辨率得以實(shí)現(xiàn)。微波斷層掃描成像是將低功率微波射向被測(cè)物體，在微波的激勵(lì)下被測(cè)物產(chǎn)生一個(gè)散射場(chǎng)，該散射場(chǎng)與被測(cè)物內(nèi)部的復(fù)介電常數(shù)分布有關(guān)，通過(guò)對(duì)該散射物的測(cè)量，得到被測(cè)物的相對(duì)介電常數(shù)及電導(dǎo)率的分布，進(jìn)行相應(yīng)的信息處理后即可獲得被測(cè)物內(nèi)部目標(biāo)的微波斷層成像。本實(shí)用新型中將這兩種技術(shù)成功融合，構(gòu)成一套多模微波乳腺成像系統(tǒng)，達(dá)到成像優(yōu)劣互補(bǔ)的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式是：本實(shí)用新型構(gòu)建一種多模態(tài)微波成像系統(tǒng)，包括微波信號(hào)發(fā)生單元1、微波信號(hào)接收單元2、雷達(dá)成像單元3、斷層掃描成像單元4、圖像輸出單元5，所述微波信號(hào)發(fā)生單元1對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)，所述微波信號(hào)接收單元2接收微波寬帶脈沖回波信號(hào)和微波單頻回波信號(hào)，所述雷達(dá)成像單元3根據(jù)微波寬帶脈沖回波信號(hào)生成雷達(dá)探測(cè)圖像，所述斷層掃描成像單元4根據(jù)微波單頻回波信號(hào)生成斷層掃描圖像，所述圖像輸出單元5將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像中進(jìn)行融合輸出。

具體實(shí)施過(guò)程如下：所述微波信號(hào)發(fā)生單元1對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)，所述微波信號(hào)接收單元2接收微波寬帶脈沖回波信號(hào)和微波單頻回波信號(hào)。所述微波信號(hào)發(fā)生單元1包括微波發(fā)生器和微波發(fā)射天線，所述微波信號(hào)接收單元2包括微波接收天線，微波天線包括微波發(fā)射天線和微波接收天線。微波信號(hào)發(fā)生單元1通過(guò)微波天線對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)，微波寬帶脈沖信號(hào)照射成像區(qū)域中的病灶區(qū)域，在病灶區(qū)域表面產(chǎn)生散射，用若干個(gè)微波天線掃描接收從病灶表面散射的信號(hào)。微波信號(hào)發(fā)生單元1通過(guò)微波天線對(duì)對(duì)待測(cè)區(qū)域發(fā)生微波單頻相干信號(hào)，微波天線掃描接收并記錄下所在位置的微波寬帶脈沖回波信號(hào)。微波發(fā)射天線和微波接收天線可以為同一個(gè)微波天線，交替使用；微波發(fā)射天線和微波接收天線也可以分別為不同微波天線，分別進(jìn)行發(fā)射微波信號(hào)和接收微波回波信號(hào)使用。微波信號(hào)發(fā)生單元為多個(gè)，分別發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)；或者微波信號(hào)發(fā)生單元為一個(gè)，交替發(fā)生微波寬帶脈沖信號(hào)和微波單頻相干信號(hào)。微波雷達(dá)成像原理利用合成孔徑雷達(dá)原理，以一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元，沿一直線方向不斷移動(dòng)掃描，在移動(dòng)中選擇若干位置發(fā)射信號(hào)，接收相應(yīng)的發(fā)射位置的回波信號(hào)，存貯接收信號(hào)的振幅和相位。通過(guò)微波天線記錄接收到微波寬帶脈沖回波信號(hào)的時(shí)間，即可算出時(shí)延，而微波發(fā)射天線與病灶的距離固定，故可得到微發(fā)射天線到病灶的距離，從而進(jìn)行精確的成像。微波斷層成像方法類(lèi)似于計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)，是一種電磁逆散射方法，通過(guò)在散射體外部觀測(cè)到的電磁場(chǎng)來(lái)反演成像區(qū)域的電磁特征參數(shù)分布，從而判斷散射體目標(biāo)的位置、形狀和尺寸分布等信息。將接收的微波單頻回波信號(hào)，根據(jù)電磁特征參數(shù)分布及散射體目標(biāo)的位置、形狀和尺寸分布信息生成斷層掃描圖像。所述圖像輸出單元5將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像中一幅圖像的像素點(diǎn)映射到另一幅圖像中，使兩幅圖像的相關(guān)像素點(diǎn)在空間位置上達(dá)到一致完成該兩幅圖像的融合。

圖像融合包括多種方法：一種方法為標(biāo)記法，在所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像兩者中圖像的特征點(diǎn)處進(jìn)行標(biāo)記，將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像的圖像標(biāo)記重合對(duì)所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像進(jìn)行融合。將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像的圖像標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別，然后將識(shí)別圖像作為界標(biāo)進(jìn)行圖像融合。具體實(shí)施例中，在進(jìn)行標(biāo)記后對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化。圖像標(biāo)記軟件設(shè)計(jì)成將圖像的特征點(diǎn)識(shí)別作為圖像合成的界標(biāo)。圖像標(biāo)記軟件根據(jù)所述雷達(dá)探測(cè)圖像和斷層掃描圖像對(duì)組織識(shí)別的標(biāo)記、淋巴結(jié)識(shí)別的標(biāo)記以及特征部分的標(biāo)記，在坐標(biāo)軸上形成重合點(diǎn)，完成所述雷達(dá)探測(cè)圖像和斷層掃描圖像的融合，該方法同樣適用于其他方式組合的二維或三維乳房圖像。還包括了對(duì)多模態(tài)微波乳房圖像的顯示，顯示乳房的二維和三維信息，對(duì)病灶區(qū)域的標(biāo)記。另一種方法為像素加權(quán)平均法，即：將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像對(duì)應(yīng)位置的圖像像素加權(quán)平均完成圖像融合。

以下以標(biāo)記法為例：

圖像配準(zhǔn)

通過(guò)使用匹配、疊加等處理手段，將多幅圖像中的同一對(duì)象保持在圖像中的同一位置，使其具有相同的空間坐標(biāo)的過(guò)程。

在微波斷層掃描圖像與微波雷達(dá)圖像的配準(zhǔn)中，將相對(duì)穩(wěn)定的微波斷層掃描圖像作為參考圖象I，將微波雷達(dá)圖像作為浮動(dòng)圖像II，進(jìn)行基于像素的最大互信息法的圖像配準(zhǔn)：

剛體變換包括比例變換，在二維圖像II中，點(diǎn)(x₁，y₁)經(jīng)過(guò)剛性變換到點(diǎn)(x₂，y₂)應(yīng)用公式為：

其中，α為旋轉(zhuǎn)角度,K為尺度參數(shù).

互信息相關(guān)性評(píng)估。將兩幅待配準(zhǔn)的圖像的灰度值分別看作兩個(gè)隨機(jī)變量A和B，范圍0到255，邊緣概率分布分別為P_A(a)和P_B(b)，聯(lián)合概率分布為P_AB(a，b)，則可以得到A與B的邊緣熵和聯(lián)合熵分別為：H(A)，H(B)和H(A，B)。則有：

隨機(jī)變量A和B的歸一化互信息相關(guān)評(píng)估函數(shù)I(A,B),為:

當(dāng)兩幅基于共同解剖結(jié)構(gòu)的圖像達(dá)到最佳配準(zhǔn)時(shí),它們對(duì)應(yīng)像素的灰度互相關(guān)信息值I(A,B)應(yīng)該達(dá)到最大。

配準(zhǔn)優(yōu)化。剛體變換完成后，需進(jìn)一步找到一種相似性側(cè)度來(lái)衡量?jī)煞鶊D像的相似程度，需要不斷的變換參數(shù)α和K，使得相似側(cè)度達(dá)到最優(yōu)，其中尺度參數(shù)K變化范圍為0到1，旋轉(zhuǎn)角度范圍為0到180度。

①將α與K變換范圍集合為坐標(biāo)軸的單位向量：c_i＝e(i＝1，2，…,N)；

②記錄初始值位置向量為P₀＝(α₀，K₀)；

③對(duì)i＝1，2，…,N,將P_i‐1移至目標(biāo)函數(shù)I(A，B)延c_i方向的極大值位置，記下此點(diǎn)P_i；

④對(duì)i＝1，2，…,N,將c_i+1賦給c_i，并置c_N＝P_N‐P₀；

⑤將P_N移至目標(biāo)函數(shù)I(A，B)在c_N方向上的極大值點(diǎn)，并記錄此點(diǎn)的P₀；

⑥重復(fù)步驟②到⑤，直至函數(shù)值I(A，B)不再增大。

本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式為：在進(jìn)行圖像融合之前還包括進(jìn)行圖像預(yù)處理。

微波斷層掃描圖像預(yù)處理方法如下：基于微波斷層掃描成像受外界干擾因素大，圖像預(yù)處理我們利用點(diǎn)運(yùn)算來(lái)進(jìn)行對(duì)比度的擴(kuò)展，使圖像清晰，特征明顯，假定原圖像f(x，y)的灰度范圍為[a，b]，變換后的圖像g(x，y)的灰度范圍線性的擴(kuò)展至[c，d]，則存在灰度線性變換表達(dá)式為：

當(dāng)圖像中大部分像素的灰度級(jí)分布在區(qū)間[a，b]內(nèi)，f_max為原圖的最大灰度級(jí)，只有很小一部分的灰度級(jí)超過(guò)了此區(qū)間，則為了改善增強(qiáng)效果，我們令

通過(guò)對(duì)圖像的線性拉伸，可以有效改善圖像對(duì)比度效果。

微波雷達(dá)圖像預(yù)處理方法如下：由于微波雷達(dá)成像除了存在的固有問(wèn)題斑點(diǎn)噪聲外，同時(shí)還存在隨機(jī)出現(xiàn)的亮點(diǎn)高頻噪聲，我們利用低通遞歸濾波方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

假設(shè)第n幅微波雷達(dá)圖像中各像素點(diǎn)的灰階值用x_n(i，j)表示，α為相關(guān)系數(shù)，則處理后的圖像y_n(i，j)為

y_n(i，j)＝α*y_n‐1(i，j)+(1‐α)*x_n(i，j) (4)

由式(4)可以得知，當(dāng)前每個(gè)像素點(diǎn)的值只取決于本像素點(diǎn)的輸入及上一次的輸出，與其他像素的值無(wú)關(guān)，我們借助一維的Z變換方法來(lái)分析它的頻率特性，分析各個(gè)像素點(diǎn)自身的頻率響應(yīng)，即有:

y(n)＝α*y(n‐1)+(1‐α)*x(n) (5)

其傳遞函數(shù)為,

H(z)＝Y(jié)(z)/X(z)＝(1‐α)/(1‐αz^‐1) (6)

在仿真試驗(yàn)中，取值α為0.2，0.6以及0.8的幅頻特性，α值越大，高頻成分被抑制的越厲害，削弱斑點(diǎn)噪聲越明顯。

本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式是：所述微波天線構(gòu)成天線陣列。天線陣列能夠同時(shí)滿足微波雷達(dá)成像和微波斷層掃描成像的需求，天線陣列整體是呈半球形轉(zhuǎn)向朝向半球中心的32個(gè)收發(fā)天線單元。天線陣列分為發(fā)送和接收單元，交替等間隔排列，一個(gè)發(fā)送單元對(duì)應(yīng)兩個(gè)接收單元，交錯(cuò)收發(fā)，由微波控制單元控制天線陣列向被測(cè)目標(biāo)連續(xù)發(fā)射微波雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，控制方式為單刀多擲開(kāi)關(guān)。微波控制單元向微波開(kāi)關(guān)天線陣列提供連續(xù)頻率波，工作頻率范圍為1到30GHz。

本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式是：所述微波信號(hào)發(fā)生單元1發(fā)生微波信號(hào)，根據(jù)待測(cè)區(qū)域的形狀，微波信號(hào)天線單元2以直線形狀排列繞待測(cè)區(qū)域旋轉(zhuǎn)掃描，或者以弧線形狀排列繞待測(cè)區(qū)域旋轉(zhuǎn)掃描。待測(cè)區(qū)域?yàn)榱Ⅲw時(shí)，微波信號(hào)天線單元2繞待測(cè)區(qū)域旋轉(zhuǎn)掃描；待測(cè)區(qū)域?yàn)槊鏍顣r(shí)，微波信號(hào)天線單元2相對(duì)待測(cè)區(qū)域移動(dòng)掃描。

本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式是：微波信號(hào)天線單元2以螺旋方式繞待測(cè)乳房區(qū)域移動(dòng)掃描，在微波信號(hào)天線單元2掃描時(shí)，從上往下以螺旋方式掃描，掃描半徑從小到大；或者從下往上以螺旋方式掃描，掃描半徑從大到小。具體實(shí)施例中，微波信號(hào)天線單元2從上往下以螺旋方式沿半球軌道進(jìn)行掃描，掃描半徑從上到下由小到大。微波信號(hào)天線單元從下往上以螺旋方式沿半球軌道進(jìn)行掃描，掃描半徑從下到上由大到小。這樣掃描軌道更貼近乳房形狀，微波信號(hào)更準(zhǔn)確。所述微波信號(hào)天線單元包括微波發(fā)射天線和微波接收天線，所述微波發(fā)射天線和微波接收天線并列固定設(shè)置。所述微波信號(hào)天線單元2可以為一個(gè)，也可以為多個(gè)。所述微波信號(hào)天線單元為一個(gè)時(shí)，所述微波發(fā)射天線和微波接收天線按時(shí)序交替發(fā)射和接收；所述微波信號(hào)天線單元為多個(gè)時(shí)，所述微波信號(hào)天線單元依次交替工作，每一個(gè)所述微波信號(hào)天線單元2中的所述微波發(fā)射天線和微波接收天線按時(shí)序交替發(fā)射和接收。

本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式是：多個(gè)所述微波信號(hào)天線單元2呈環(huán)狀繞待測(cè)乳房區(qū)域掃描，多個(gè)所述微波信號(hào)天線單元2發(fā)送和接收微波信號(hào)，所述微波成像單元7根據(jù)接收的微波信號(hào)對(duì)乳房進(jìn)行微波成像。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果是：構(gòu)建一種多模態(tài)微波成像裝置，通過(guò)將所述雷達(dá)探測(cè)圖像和所述斷層掃描圖像中一幅圖像的像素點(diǎn)映射到另一幅圖像中，使兩幅圖像的相關(guān)像素點(diǎn)在空間位置上達(dá)到一致完成該兩幅圖像的融合。在診斷早期癌癥患者的過(guò)程中可以通過(guò)使用不同的成像模態(tài)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，微波雷達(dá)成像利用超寬帶微波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)散射中心在距離上的高分辨率，然后利用多普勒信息，獲得散射中心在橫向距離上的高分辨率，兩者結(jié)合即可獲得目標(biāo)的二維或三維分辨率，從而使目標(biāo)的多位高分辨率得以實(shí)現(xiàn)。微波斷層掃描成像是將低功率微波射向被測(cè)物體，在微波的激勵(lì)下被測(cè)物產(chǎn)生一個(gè)散射場(chǎng)，該散射場(chǎng)與被測(cè)物內(nèi)部的復(fù)介電常數(shù)分布有關(guān)，通過(guò)對(duì)該散射物的測(cè)量，得到被測(cè)物的相對(duì)介電常數(shù)及電導(dǎo)率的分布，進(jìn)行相應(yīng)的信息處理后即可獲得被測(cè)物內(nèi)部目標(biāo)的微波斷層成像。本實(shí)用新型中將這兩種技術(shù)成功融合，構(gòu)成一套多模微波乳腺成像系統(tǒng)，達(dá)到成像優(yōu)劣互補(bǔ)的目的。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。