技术领域
[0001] 本
申请属于微波成像技术领域，具体涉及一种多频全息微波脑成像系统 及成像方法。
背景技术
[0002] 脑卒中严重危害我国中老年人的身体健康，影响
生活质量，给患者家庭 带来沉重的经济负担并给社会带来沉重的医疗负担。早发现、早诊断和早干 预是实现脑卒中及时救护和
治疗的关键。X线计算机
断层摄影术、
电子计算 机断层扫描(CT)、核
磁共振成像(MRI)、超声成像等医学影像技术是目前 常见的脑卒中医学影像诊断技术。然而，X线计算机断层摄影术和CT会产生 对人体有害健康的
电离辐射，且无法实现对脑
水肿发展过程的连续、实时监 测。
[0003] 过去十年，专家学者围绕全息微波成像开展了大量的理论研究和实验论 证工作。现有的全息微波成像技术基本上都采用了单频域成像，其存在诸多
缺陷，例如，图像扫描时间长、图像
分辨率低、灵敏度低等。图像分辨率在 很大程度上取决于成像系统的工作
频率范围、微波天线和天线阵列配置以及 图像重构
算法。分辨率与成像系统的工作频率和
波长相关，通过使用更高的 工作频率和更短的波长可以实现更好的图像分辨率。然而，短波长也意味着 较小的穿透深度，同时较高的工作频率不适合用于
生物组织成像检测。
发明内容
[0004] 为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种多 频全息微波脑成像系统及成像方法。
[0005] 根据本申请
实施例的第一方面，本申请提供了一种多频全息微波脑成像 方法，其包括以下步骤：
[0006] 设置一多频全息微波脑成像系统，其包括主控模
块、多频
信号发生模块、 切换模块、发射接收模块、
图像处理模块和显示模块，所述发射接收模块包 括二维微波天线阵列，二维微波天线阵列采用收发一体的微波天线；
[0007] 主控模块通过切换模块控制发射接收模块切换至发射状态，并控制多频 信号发生模块产生超宽频微波信号，产生的超宽频微波信号通过切换模块由 发射接收模块中的至少三个收发一体的微波天线向待
检测区域的物体发射；
[0008] 主控模块控制发射接收模块中至少三个收发一体的微波天线依次测量 来自待检测区域的物体的散射
电场信号，并将探测到的散射电场
信号传输至 图像处理模块；
[0009] 图像处理模块对接收到的散射电场信号进行处理，获得待检测区域的物 体的二维重构图像；
[0010] 根据所有微波天线的总可见散射电场，预设头颅的电磁数值模型；
[0011] 根据头颅的电磁数值模型得到头颅的二维重构图像；
[0012] 判断头颅的二维重构图像与待检测区域的物体的二维重构图像是否相 同，如果相同，则待检测区域的物体为头颅器官，并将头颅的二维重构图像 传输至图像显示模块进行显示。
[0013] 上述多频全息微波脑成像方法中，所述发射超宽频微波信号的具体过程 为：
[0014] 建立物体所在电
磁场区域的直
角坐标系，确定物体与二维微波天线阵列 的距离、微波天线的
位置坐标以及收发一体的微波天线的数量；
[0015] 通过二维微波天线阵列中的至少三个微波天线向物体发射预设频率段 的超宽频微波信号，超宽频微波信号在物体内部、表面和周围产生散射电场；
[0016] 二维微波天线阵列中的至少三个微波天线依次检测物体内部、表面和周 围产生的散射电场信号；
[0017] 根据入射电场和散射电场得到总电场为：
[0018]
[0019] 式中，
[0020]
[0021] 表示单个微波天线检测到的物体内部、表面和周围产生的散射电场信号， 表示N个微波天线发射的入射电场的
叠加和， 表示位于Ar(xr，yr，zr)处的微波天线到待检测区域物体的距离矢量， 表示位 于Ai(xi，yi，zi)处的微波天线到待检测区域物体的距离矢量，ω表示角频率。
[0022] 上述多频全息微波脑成像方法中，所述获得待检测区域的物体的二维重 构图像的具体过程为：
[0023] 建立待检测区域物体的
介电常数和导电率等电磁属性和散射电场之间 的非线性观测模型，所述非线性观测模型包括总电场模型和散射电场模型；
[0024] 利用总电场模型和散射电场模型重构待检测区域物体的图像。
[0025] 进一步地，所述总电场模型为：
[0026]
[0027] 式中， 表示入射电场， 表示从目标点到位于点AT(xT,yT,zT)的微 波天线的距离矢量， 表示散度运算符， 表示格林函数，表示从场源点到头颅内任一点的位置矢量；
[0028] 散射电场模型为：
[0029]
[0030] 式中， 表示散射电场， 表示头颅内任意一目标点到位于 AR(xR,yR,zR)的微波天线的距离矢量，表示位置矢量；εb表示背景的介电常 数，μb表示背景的磁导率，ε表示脑的介电常数，σ表示头颅的电导率，σb表示背景的电导率，ω(p)＝ 2πf(p)为工作角频率，f(p)表示信号的发射频率， fmin为最小工作频率，p＝1，...，P，q＝1，...，Q，p
表示频率数，q表示视图数， 为总电场，
[0031] 更进一步地，所述散射电场模型还表示为：
[0032]
[0033] 式中， R表示散 射源和目标点之间的距离， 表示单位矢量；
[0034] 当a≈1，b≈-1时，散射电场模型简化为：
[0035]
[0036] 式中， 表示格林函数，
[0037] 进一步地，所述利用总电场模型和散射电场模型重构待检测区域物体的 图像的过程为：
[0038] 依次对二维微波天线阵列中的至少三个微波天线中的任意两个微波天 线所探测到的散射电场进行比较；
[0039] 依次根据两两比较得到的差异获得能够反映目标物体内部介电属性分 布的幅值和
相位的信息；
[0040] 根据幅值和相位的信息得到所有微波天线的总可见散射电场；
[0041] 通过对所有微波天线探测到的总可见散射电场进行傅里叶逆变换，得到 待检测区域物体的二维重构图像。
[0042] 更进一步地，微波天线阵列中任意两个微波天线探测到的散射电场的可 见散射电场为：
[0043]
[0044] 当微波天线为N个时，N为自然数且N≥3，总可见散射电场为N(N-1) 个微波天线的可见散射电场之和，则所有微波天线的总可见散射电场为：
[0045]
[0046] 上述多频全息微波脑成像方法中，所述头颅的电磁数值模型为：
[0047]
[0048] 式中，εb表示背景的介电常数，μb表示背景的磁导率，ε表示脑的介电常数，σ表示头颅的 电导
率，σb表示背景的电导率， ω(p)＝2πf(p)为工作角频率，f(p)表示信号的发射频率， fmin为最小工作频率， p＝1，...，P，q＝1，...，Q，p表
示频率数，q表示视图数， 为总电场，
[0049] 进一步地，所述根据头颅的电磁数值模型得到头颅的二维重构图像的过 程为：
[0050] 计算头颅的电磁数值模型的体积分，该体积分为：
[0051]
[0052] 将头颅的电磁数值模型代入公式(14)中，得到：
[0053]
[0054] 式(15)中， λb表示工作波长，表示球坐标系中的 单位矢量， dV＝s2sinθdθdφds；
[0055] 定义新参数(l，m，n)：
[0056] l＝sinθcosφ (16)
[0057] m＝sinθsinφ
[0058]
[0059] dV可由下式获得：
[0060] dV＝s2dldmds/n (17)
[0061] 将式(17)代入式(15)中，得到：
[0062]
[0063] 基线向量在笛卡尔坐标系中的分量 为
[0064]
[0065] 因为微波天线阵列为二维，所以微波天线在同一高度排列，头颅的电磁 数值模型的体积分变为：
[0066]
[0067] 头颅的电磁数值模型沿径向坐标n的线积分为：
[0068]
[0069] 利用式(21)得出以下二维积分对变量(l，m)的可见度散射函数：
[0070]
[0071] 对可见度散射函数进行傅里叶逆变换能够重构头颅图像，得到头颅的二 维重构图像，其具体为：
[0072]
[0073] 上述多频全息微波脑成像方法中，还包括以下步骤：
[0074] 采用峰值
信噪比(PSNR)来评估脑图像的质量：
[0075]
[0076] 式中，peakval表示图像峰值；MSE表示均方误差，MSE越接近数值零表示图像质量越好；Y表示被预测变量的矢量观测 值， 表示从所有变量上的nn个数据点的样本生成的nn个预测的矢量。
[0077] 根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种多频全息微波脑成 像系统，其包括主控模块、多频信号发生模块、切换模块、发射接收模块、 图像处理模块和显示模块；
[0078] 所述主控模块用于控制所述多频信号发生模块发射超宽频微波信号，还 用于通过所述切换模块控制发射接收模块在发射状态和接收状态间进行切 换；
[0079] 所述发射接收模块在发射状态时用于向待检测区域发射超宽频微波信 号，在接收状态时用于接收从待检测区域反射的散射电场；
[0080] 所述图像处理模块用于根据接收到的散射电场数据进行脑图像重构，并 将重构的脑图像传输至显示模块进行显示。
[0081] 上述多频全息微波脑成像系统中，所述发射接收模块采用二维微波天线 阵列，所述二维微波天线阵列包括N个收发一体的微波天线，其中，N为自 然数且N≥3。
[0082] 上述多频全息微波脑成像系统中，所述超宽频微波信号的频率为 1GHz-4GHz。
[0083] 根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请 多频全息微波脑成像系统利用多频信号发生模块不间断地产生超宽频微波 信号，微波信号空间传播到发射接收模块，发射接收模块在发射状态将微波 信号发送到待检测区域，发射接收模块在接收状态探测待检测区域产生的散 射电场，图像处理模块根据接收到的散射电场数据进行脑图像重构，并将重 构的脑图像进行显示，本申请多频全息微波脑成像系统非
接触、无创伤，收 发信号一体，能够对脑中
风等
疾病进行连续监测。
[0084] 本申请多频全息微波脑成像方法通过发射超宽频微波信号，利用接收到 的散射电场数据进行脑图像重构，能够显著提高脑图像的分辨率。
[0085] 应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的， 其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
[0086] 下面的所附附图是本申请的
说明书的一部分，其示出了本申请的实施例， 所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
[0087] 图1为本申请实施例提供的一种多频全息微波脑成像系统的
框图；
[0088] 图2为本申请实施例提供的一种多频全息微波脑成像系统中二维微波天 线阵列与固定装置以及待检测区域物体的相对位置关系示意图。其中， 表 示收发一体的微波天线， 表示待检测物体；
[0089] 图3为本申请实施例提供的一种多频全息微波脑成像系统中微波天线阵 列和头颅器官位置的二维排布示意图；
[0090] 图4为本申请实施例提供的一种多频全息微波脑成像方法的
流程图；
[0091] 图5为本申请实施例提供的一种多频全息微波脑成像系统中一对微波天 线的几何排列示意图；
[0092] 图6(a)为头颅模型的二维介电常数分布图像；
[0093] 图6(b)为头颅模型的二维电导率分布图像；
[0094] 图6(c)为工作频率为1-4GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的
实部；
[0095] 图6(d)为工作频率为1-4GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的
虚部；
[0096] 图7(a)为工作频率为1GHz时头颅模型的二维重构图像的实部；
[0097] 图7(b)为工作频率为2GHz时头颅模型的二维重构图像的实部；
[0098] 图7(c)为工作频率为3GHz时头颅模型的二维重构图像的实部；
[0099] 图7(d)为工作频率为4GHz时头颅模型的二维重构图像的实部。
[0100] 附图标记说明：
[0101] 1、主控模块；2、多频信号发生模块；3、切换模块；4、发射接收模块； 5、图像处理模块；6、显示模块；7、固定装置。
具体实施方式
[0102] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附 图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人 员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改 变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
[0103] 本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请 的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用 来代表相同或类似部分。
[0104] 关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位 的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或 操作。
[0105] 关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅 是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
[0106] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放 性的用语，即意指包含但不限于。
[0107] 关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
[0108] 关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包 括“两组”及“两组以上”。
[0109] 关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化 的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用 语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例 中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当 了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
[0110] 某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本 领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
[0111] 生物组织的电特性与生理系统的健康状况息息相关。当脑水肿、脑中风 等疾病发生时，生物组织的介电性(常用介电常数表示)发生显著变化。不 同类型生物组织的介电性差异明显。例如，骨骼、
肿瘤等
含水量高的生物组 织的介电常数比脂肪等含水量低的生物组织的介电常数高，此差异为微波生 物成像检测活体生物组织的生理病理状态提供了可行的物理
基础。多频全息 微波成像检测脑中风时，通过对微波激励作用下头颅内部、表面和周围电场 分布的测量进行图像重构，进而获取脑部组织的介电常数分布和散射电场等 重要特征。
[0112] 如图1所示，本申请多频全息微波脑成像系统包括主控模块1、多频信 号发生模块2、切换模块3、发射接收模块4、图像处理模块5和显示模块6。
[0113] 主控模块1与多频信号发生模块2和切换模块3连接，多频信号发生模 块2通过切换模块3与发射接收模块4连接，发射接收模块4通过切换模块 3与图像处理模块5连接，图像处理模块5与显示模块6连接。
[0114] 其中，多频信号发生模块2采用网络分析仪。具体地，可以采用型号为 Keysight N5242B PNA-X的微波网络分析仪，其可以产生
频率范围为 10MHz-26.5GHz的微波信号。
[0115] 发射接收模块4采用二维微波天线阵列，二维微波天线阵列包括N个收 发一体的微波天线，其中，N为自然数且N≥3。通过收发一体的微波天线， 可以将多频信号发生模块2产生的微波信号发射到头颅，也可以接收头颅内 部、表面以及周围的散射电场信号。
[0116] 具体地，二维微波天线阵列包括16个收发一体的微波天线。16个收发 一体的微波天线呈圆形均匀分布，且位于同一水平面上。二维微波天线阵列 到头颅的垂直距离d远大于二维微波天线阵列的一个工作工作波长λb的距 离，即d＞＞λb，头颅位于二维微波天线阵列的远场区。
[0117] 收发一体的微波天线采用喇叭天线、电偶极子天线、贴片天线或开口波 导天线、介质天线等，各微波天线的尺寸根据工作频率和所用材料确定。
[0118] 为减少信号耦合，提高检测灵敏度，头颅与微波天线阵列之间的空隙里 以及微波天线阵列中相邻微波天线之间的空隙里都填充满盐水、
椰子油等能 够减少电磁噪音的介质。
[0119] 本申请多频全息微波脑成像系统的工作频率为超宽频，其最佳工作频率 范围为1GHz-4GHz。
[0120] 如图2和图3所示，本申请多频全息微波脑成像系统还包括固定装置7， 固定装置7用于固定人体的头颅，二维微波天线阵列垂直设置在固定装置7 的底部，二维微波天线阵列与头颅之间的垂直距离d远大于二维微波天线阵 列的一个工作工作波长λb的距离，即d＞＞λb。
[0121] 本申请多频全息微波脑成像系统工作时，主控模块1控制多频信号发生 模块2不间断地产生超宽频微波信号，并通过切换模块3将发射接收模块4 切换至发射状态，发射接收模块4中的至少3个微波天线依次将超宽频微波 信号传输至头颅。
[0122] 主控模块1通过切换模块3将发射接收模块4切换至接收状态在微波照 射环境下，头颅的内部、表面和周围产生的散射电场被至少3个微波天线依 次接收并传输到图像处理模块5，图像处理模块5根据接收到的散射电场数 据进行脑图像重构，并将重构的脑图像传输至显示模块6进行显示。
[0123] 如图4所示，基于上述多频全息微波脑成像系统，本申请还提供了一种 多频全息微波脑成像方法，其包括以下步骤：
[0124] S1、设置一多频全息微波脑成像系统，其包括主控模块1、多频信号发 生模块2、切换模块3、发射接收模块4、图像处理模块5和显示模块6。其 中，发射接收模块4包括二维微波天线阵列，二维微波天线阵列采用收发一 体的微波天线。
[0125] S2、向待检测区域的物体发射超宽频微波信号；
[0126] 主控模块1通过切换模块3控制发射接收模块4切换至发射状态，并控 制多频信号发生模块2产生超宽频微波信号，产生的超宽频微波信号通过切 换模块3由发射接收模块4中的至少三个收发一体的微波天线不断地向待检 测区域的物体发射。待检测区域的物体在微波照射下产生散射电场。
[0127] S3、测量待检测区域的物体的散射电场信号；
[0128] 主控模块1控制发射接收模块4中至少三个收发一体的微波天线依次测 量来自待检测区域的物体的散射电场信号，并将探测到的散射电场信号传输 至图像处理模块5。
[0129] S4、图像处理模块5对接收到的散射电场信号进行处理，获得待检测区 域的物体的二维重构图像。
[0130] S5、根据所有微波天线的总可见散射电场，预设头颅的电磁数值模型。
[0131] S6、根据头颅的电磁数值模型得到头颅的二维重构图像。
[0132] S7、判断如果头颅的二维重构图像与待检测区域的物体的二维重构图像 相同，则待检测区域的物体即为头颅器官，并将头颅的二维重构图像传输至 图像显示模块6进行显示。
[0133] 上述步骤S2中，发射超宽频微波信号的具体过程为：
[0134] S21、建立物体所在
电磁场区域的直角坐标系，确定物体与二维微波天 线阵列的距离、微波天线的位置坐标以及收发一体的微波天线的数量。
[0135] 其中，二维微波天线阵列垂直摆放在物体的底部且与物体之间的距离远 远大于一个工作波长。
[0136] 二维微波天线阵列包含N个微波天线且N个微波天线呈圆形均匀分布。
[0137] S22、通过二维微波天线阵列中的至少三个微波天线不间断地向物体发 射预设频率段的超宽频微波信号，该超宽频微波信号在物体内部、表面和周 围产生散射电场，该散射电场可以视为一个频域谐波电磁场。超宽频微波信 号通过物体时会产生入射、反射和折射现象。
[0138] 如图5所示，以二维微波天线阵列的中心为原点，以垂直于纸面向外的 方向为X轴方向，以水平向右的方向为Y轴方向，以竖直向上的方向为Z 轴方向，建立直角坐标系OXYZ，则待检测区域的物体上的一点P的坐标为 P(x,y,z)，过P点且与平面OXY平行的平面为平面nml。其中，点Ai(xi，yi，zi) 处和点Aj(xj，yj，zj)处均设置有收发一体的微波天线。
[0139] 向物体发射的超宽频微波信号，在本申请中表现为物体的入射电场，入 射电场的具体形式为：
[0140]
[0141] 式(1)中， 表示导波型号为TE10的
电磁波的振幅，A表示微波天 线的孔径长度，B表示微波天线的孔径宽度，h(p，q)(θ，φ)表示辐射模式， 表示矢量极化，εb表示背景的介电常数，μb表示表示背景的磁导 率，ω(p)＝2πf(p)，ω(p)表示工作角频率，表示从目标点到位于AT(xT，yT，zT) 处的微波天线的距离矢量，θ表示待检测区域的物体上的一点和原点的连线 与Z轴的夹角，φ表示待检测区域的物体上的一点在OXY平面上的投影和 原点的连线与X轴的夹角，p表示频率数，q表示视图数。
[0142] 进一步地，微波天线的数量N为自然数且N≥3时，入射电场为N个微 波天线发射的入射电场的叠加和，即：
[0143]
[0144] 式(2)中， 表示位于Ai(xi，yi，zi)处的微波天线到待检测区域物体的距 离矢量，ω表示角频率。
[0145] S23、二维微波天线阵列中的至少三个微波天线依次检测物体内部、表 面和周围产生的散射电场信号，单个微波天线检测到的物体内部、表面和周 围产生的散射电场信号为：
[0146]
[0147] 则总电场为：
[0148]
[0149] 也就是说，向物体发射的超宽频微波信号需要满足式(4)表示的总电场。
[0150] 上述步骤S4中，获得待检测区域的物体的二维重构图像的具体过程为：
[0151] S41、建立待检测区域物体的介电常数和导电率等电磁属性和散射电场 之间的非线性观测模型；
[0152] 根据特定频段的超宽频微波信号穿透物体表面后，诱发物体颅内部不同 生物组织的散射强度不同的工作机理，建立物体的介电常数和导电率等电磁 属性和散射电场之间的非线性观测模型。该非线性观测模型包括总电场模型 和散射电场模型。
[0153] 基于微波天线的数量和分布排列形状建立描述物体内部结构的表征模 型。
[0154] 其中，总电场模型为：
[0155]
[0156] 式(5)中， 表示入射电场， 表示从目标点到位于点AT(xT,yT,zT) 处的微波天线的距离矢量， 表示散度运算符， 表示格林函数， 表示从场源点到头颅内任一点的距离矢量。
[0157] 散射电场模型为：
[0158]
[0159] 式(6)中， 表示散射电场， 表示头颅内任意一目标点到位于 AR(xR,yR,zR)的微波天线的距离矢量，表示位置矢量；εb表示背景的介电常 数，μb表示背景的磁导率，ε表示脑的介电常数，σ表示头颅的电导率，σb表示背景的电导率，ω(p)＝ 2πf(p)为工作角频率，f(p)表示信号的发射频率， fmin为最小工作频率，p＝1，...，P，q＝1，...，Q，p
表示频率数，q表示视图数， 为总电场，
[0160] 进一步地，散射电场模型可用下列公式描述：
[0161]
[0162] 式(7)中， R表示散射源和目标点之间的距离， 表示单位矢量。
[0163] 进一步地，令a≈1，b≈-1，则散射电场模型可以描述为：
[0164]
[0165] 式中， 表示格林函数，
[0166] 结合内部电场效应模型和外部电场效应模型得到非线性观测模型，非线 性观测模型即式(8)表示的散射电场模型。
[0167] S42、利用总电场模型和散射电场模型重构待检测区域物体的图像；
[0168] S421、依次对二维微波天线阵列中的至少三个微波天线中的任意两个微 波天线所探测到的散射电场进行比较；
[0169] 其中，微波天线阵列中任意两个微波天线探测到的散射电场的可见散射 电场为：
[0170]
[0171] 式(9)中，*表示复数共轭，＜＞表示平均时间，可见散射电场 包含位于点Ai(xi，yi，zi)和点Aj(xj，yj，zj)处的微波天线采集的信息的
相位延迟 和/或振幅差异。
[0172] 如图5所示，在二维微波天线阵列中，任意两个位于点Ai(xi，yi，zi)处和 点Aj(xj，yj，zj)处的微波天线探测到的头颅内的任意一点P(x，y，z)到微波天线 的散射电场可见度都可以用式(9)表示。
[0173] S422、依次根据两两比较得到的差异获得能够反映目标物体内部介电属 性分布的幅值和相位的信息；
[0174] S423、根据幅值和相位的信息得到所有微波天线的总可见散射电场。
[0175] 根据下式依次计算任意两个微波天线的可见散射电场，
[0176]
[0177] 当微波天线为N个时，N为自然数且N≥3，总可见散射电场为N(N-1) 个微波天线的可见散射电场之和，则所有微波天线的总可见散射电场为：
[0178]
[0179] S424、通过对所有微波天线探测到的可见散射电场进行傅里叶逆变换， 得到待检测区域物体的二维重构图像为：
[0180]
[0181] 上述步骤S5中，根据所有微波天线的总可见散射电场，预设的头颅的 电磁数值模型为：
[0182]
[0183] 式(13)中，εb表示背景的介电常数，μb表示背景的磁导率，ε表示脑的介电常数，σ表示头颅的 电导
率，σb表示背景的电导率， ω(p)＝2πf(p)为工作角频率，f(p)表示信号的发射频率， fmin为最小工作频率， p＝1，...，P，q＝1，...，Q，p表
示频率数，q表示视图数， 为总电场，
[0184] 上述步骤S6中，根据头颅的电磁数值模型得到头颅的二维重构图像的 具体过程为：
[0185] 计算头颅的电磁数值模型的体积分，该体积分为：
[0186]
[0187] 将式(13)代入公式(14)中，得到：
[0188]
[0189] 式(15)中， λb表示工作波长，表示球坐标系中的 单位矢量， dV＝s2sinθdθdφds。
[0190] 定义新参数(l，m，n)：
[0191]
[0192] dV可由下式获得：
[0193] dV＝s2dldmds/n (17)
[0194] 将式(17)代入式(15)中，得到：
[0195]
[0196] 基线向量在笛卡尔坐标系中的分量 为
[0197]
[0198] 因为微波天线阵列为二维，所以微波天线在同一高度排列，头颅的电磁 数值模型的体积分变为：
[0199]
[0200] 式(13)表示的头颅的电磁数值模型沿径向坐标n的线积分为：
[0201]
[0202] 利用式(21)得出以下二维积分对变量(l，m)的可见度散射函数：
[0203]
[0204] 对可见度散射函数进行傅里叶逆变换能够重构头颅图像，得到头颅的二 维重构图像，其具体为：
[0205]
[0206] 其中，式(23)得到的头颅的二维重构图像与式(12)得到的待检测区 域物体的二维重构图像相同，表明待检测区域的物体即为头颅器官；一个三 维头颅的二维图像可以通过傅里叶逆变换可见度散射函数重建获得。
[0207] 上述步骤S2中，采用二维微波天线阵列中至少三个微波天线依次不间 断的向头颅发射超宽频微波信号，并利用至少三个微波天线依次接收来自头 颅内部、表面和周围的散射电场信号，其中，二维微波天线阵列与头颅的距 离d远远大于一个工作波长λb，即d＞＞λb。
[0208] 上述步骤S5中，当头颅在微波照射环境下为非
磁性、具有
导电性时， 可以通过式(13)表示的头颅的电磁数值模型计算任意一个微波天线采集到 的来自头颅的内部、表面和周围的散射电场信号，该方法可用于检测脑中风、 脑水肿等脑部疾病。
[0209] 上述步骤S4中，基于至少三个微波天线中的至少两个微波天线所接收 的散射电场来形成物体的至少一项电磁属性的时间序列，并计算出至少两个 微波天线探测到的散射电场的差异，从而计算出可见度函数，通过处理可见 度函数重构物体的图像。
[0210] 重构脑部图像的空间分辨率受微波工作频率、带宽、扫描速度、
采样频 率的影响。为定量评估成像结果，可以采用
峰值信噪比(PSNR)来评估脑 图像的质量：
[0211]
[0212] 式(24)中，peakval表示图像峰值，其可以由用户定义或由图像自身 的图像范围确定(例如，uint8图像，其图像范围为0～255) ；MSE表示均方 误差，MSE越接近数值零表示图像质量越好；Y 表示被预测变量的
矢量观测值， 表示从所有变量上的nn个数据点的样本生 成的nn个预测的矢量。
[0213] 为验证本申请所提出的多频全息微波脑成像方法的有效性，下面通过 MATLAB平台建立了多频全息微波脑成像系统的数值仿真模型，用于模拟 当脑肿瘤发生时头颅内不同生物组织的散射电场强度。
[0214] 图6(a)为头颅模型的二维介电常数分布图像；图6(b)为头颅模型 的二维电导率分布图像；图6(c)为工作频率为1GHz-4GHz微波频段下头 颅模型的二维重构图像的实部；图6(d)为工作频率为1GHz-4GHz微波频 段下头颅模型的二维重构图像的虚部。
[0215] 图7(a)为工作频率为1GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的实 部；图7(b)为工作频率为2GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的实 部；图7(c)为工作频率为3GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的实 部；图7(d)为工作频率为4GHz微波频段下头颅模型的二维重构图像的实 部。
[0216] 实验结果表明，在工作频率为1GHz-4GHz的微波频段下头颅模型的重 构图像能够清晰地显示脑部的不同组织，其中包含肿瘤细胞。
[0217] 以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和 原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与
修改，均应属于 本申请保护的范围。
