一种用于脑部成像的微波多路收发系统
阅读说明：本技术 一种用于脑部成像的微波多路收发系统 (Microwave multi-path receiving and transmitting system for brain imaging ) 是由 张卉 陈意钒 丁亚辉 宫正 巫昆仑 汪秋珍 杨于民 赵兵妹 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明为一种用于脑部成像的微波多路收发系统,包括数据工作站、数字接口电路、多个收发器、多个收发一体天线和天线支架；数据工作站与数字接口电路连接；数字接口电路与多个收发器连接；多个收发器分别与多个收发一体天线连接；多个收发器间通过同轴线连接；多个收发一体天线均匀设在天线支架上,数据工作站发送指令选择一个收发器发射信号；收发器收到指令后发射信号,信号经被测试人脑模型吸收、反射和散射后到达各方位的收发一体天线,各方位的收发一体天线将收到的散射后的信号传给用于接收的收发器,收发器根据收到的信号测得此状态下的S参数矩阵；重复上述操作得到完整的S参数矩阵,数据工作站得到完整的S参数矩阵后经过处理形成报告。(The invention relates to a microwave multi-path receiving and transmitting system for brain imaging, which comprises a data workstation, a digital interface circuit, a plurality of transceivers, a plurality of receiving and transmitting integrated antennas and an antenna bracket, wherein the data workstation is connected with the digital interface circuit; the data workstation is connected with the digital interface circuit; the digital interface circuit is connected with the plurality of transceivers; the plurality of transceivers are respectively connected with the plurality of receiving-transmitting integrated antennas; the transceivers are connected through coaxial lines; a plurality of receiving and transmitting integrated antennas are uniformly arranged on the antenna bracket, and the data workstation sends an instruction to select one transceiver to transmit signals; the transceiver receives the instruction and then transmits a signal, the signal is absorbed, reflected and scattered by the tested human brain model and then reaches the transceiving integrated antenna in each direction, the transceiving integrated antenna in each direction transmits the received scattered signal to the transceiver for receiving, and the transceiver measures an S parameter matrix in the state according to the received signal; and repeating the operation to obtain a complete S parameter matrix, and processing the complete S parameter matrix by the data workstation to form a report.)
技术领域
本发明所属领域为：微波医学成像领域，射频/微波通信系统领域，医疗成像仪器领域，具体为一种用于脑部成像的微波多路收发系统。
背景技术
众所周知，通过使用医学成像系统，医学专业人员能直观了解到患者内部组织、解剖体和器官切面的详细图像，从而减少对入侵性探查过程的需要，从而识别、诊断和评估患者的健康状况，对症下药。
微波成像技术是一种新兴的无损检测方法，有着无损、无辐射、较高准确率、低成本、小型便携等优点。近些年来，微波成像应用于初期出血/缺血型脑卒中检测、乳腺癌检测、肺部炎症检测、骨裂检测和其他无创无损癌症检测及便携健康监测方面的研究，已引起国内外学者的广泛关注。
目前主流的微波成像方法根据其原理主要分为微波逆散射层析成像方法和微波雷达成像方法，从信号处理的角度又可以分为时域与频域两类微波成像方法。不论用哪种微波成像方法，都需要微波信号的收发系统。而单独一路的信号收发所得到的人体组织的信息非常少，不能满足成像的需要，一般都会设计多路收发。
通常，微波脑卒中成像系统中的多路收发，采用的是商用矢量网络分析仪(VNA)+多端口矩阵开关的技术方案，如图1所示。这样的方案实际只有矢量网络分析仪两个端口的两路收发器，并不是每个连接天线的测试端口都有收发器，是一种“伪多路收发”方案。这种方案在实际使用过程中依靠商用矢量网络分析仪检测微波信号，所搭建的测试系统成本高、体积大、不便携，最重要的是同一时刻只能测试一路，采用多端口矩阵开关扫描测试，仍然会有获得信息误差较大的弊端。
合成孔径雷达(SAR)成像是利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像，具备全天时、全天候、高分辨、大幅宽等多种特点。合成孔径雷达成像也有人用于检测脑卒中，雷达成像由于是时域计算成像，因此比较适合远距离大目标成像，对于近距离人脑里的只有2cm×2cm的脑卒中出血块或缺血组织进行成像，实现的技术难度大。
发明内容
针对脑卒中病发后的治疗技术成本高，部分技术检测耗时长，成像分辨率不高，极易延误脑卒中的最佳救助期等问题，本发明研发了一种用于脑部成像的微波多路收发系统，实现无创地检测由脑部缺血或出血性损伤症状引起的脑卒中疾病，辅助医疗机构做出及时的治疗判断，减少患者脑部创伤，提高检测精度和治疗效率。
本发明的目的是提出一种切实可行的用于脑部成像的微波多路收发系统，从而提高脑卒中微波扫描成像的检出精度，灵敏度及检测速度，并有效减小体积及成本。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种收发器，包括：顶层结构件1、射频前端电路板2、电池3、中间结构件4、SDR收发器电路板5和底层结构件6；
所述顶层结构件1与中间结构件4的上端配合安装，所述底层结构件6与中间结构件4的下端配合安装，
所述射频前端电路板2和电池3从上至下依次封装在顶层结构件1和中间结构件4构成的内部空间中；
所述SDR收发器电路板5封装在中间结构件4和底层结构件6构成的内部空间中；
所述射频前端电路板2用于处理SDR收发器电路板5产生的射频信号，并通过收发开关切换收发，将达到发射条件的信号发射出去，或处理接收到的信号；
所述SDR收发器电路板5用于产生所需的测试信号源，并对接收到的信号进行解调，再将解调后的信号处理成数字信号通过USB接口发送出去；
所述SDR收发器电路板5还用于时钟同步。
在上述方案的基础上，所述射频前端电路板2的右端设有微波收发SMA接口7，所述射频前端电路板2的左端设有扩展串口8；
所述射频前端电路板2上设有射频前端信号调理电路。
在上述方案的基础上，所述射频前端信号调理电路包括：发射通道、接收通道、功率检波电路、相位检波通道和收发开关；
所述发射通道的输入端通过50欧姆同轴线与SDR收发器电路板5的输出端相连，
所述发射通道包括：前级低通滤波器、多路放大器和数控衰减器、可调增益放大器、末级低通滤波器和双向定向耦合器；
SDR收发器电路板5发射出的信号经过前级低通滤波器、多路放大器和数控衰减器以及可调增益放大器调节功率，再经过末级低通滤波器滤除谐波，最后通过收发开关切换发射出去；
所述双向定向耦合器用于将发射信号和回波信号分离；
所述相位检波通道用于将发射信号和回波信号发送给SDR收发器电路板5进行相位测试或将发射信号和回波信号发送给功率检波电路计算功率值，具体包括：3个射频开关和2个数控衰减器；
所述接收通道包括：限幅器、前级低通滤波器、LNA放大器、定向耦合器、多路放大器和数控衰减器、可调增益放大器和末级低通滤波器；
所述定向耦合器用于得到接收信号的耦合值，并将耦合值发送给功率检波电路；
收发器接收到的信号通过收发开关切换至接收通道，接收到的信号经过限幅器和低通滤波器到达LNA放大器，再经过多路放大器和数控衰减器及可调增益放大器调整接收信号的幅度，最后经过末级低通滤波器和射频开关发送到SDR收发器电路板5进行相位测试；
所述功率检波电路包括：STM32控制器和3路ADC转换器、倍数放大器和RMS检波器；
STM32控制器与3路ADC转换器、倍数放大器和RMS检波器分别构成发射功率检波电路、回波功率检波电路和接收功率检波电路，发射功率检波电路用于测得发射信号的功率值，回波功率检波电路用于测得回波信号的功率值，接收功率检波电路用于根据接收信号的耦合值测得接收信号的功率值；
STM32控制器用于将发射信号功率值、回波信号功率值和接收信号功率值通过串口发送给SDR收发器电路板5进行转发；还用于对各个元器件进行控制。
在上述方案的基础上，所述中间结构件4的前端设有相参时钟输出端口10，后端设有相参时钟输入端口9，左端设有电源开关11和充电指示灯12；相参时钟输入端口9和相参时钟输出端口10与SDR收发器电路板5连接，用于多个收发器之间的同步。
在上述方案的基础上，所述SDR收发器电路板5的左端从前至后依次设有充电接口14和USB接口13；
所述SDR收发器电路板5上设有FPGA芯片、宽带双收发通道软件无线电芯片和USB3.0专用接口芯片，所述FPGA芯片作为主控芯片，所述宽带双收发通道软件无线电芯片作为射频发射源，所述USB3.0专用接口芯片作为数字接口。
在上述方案的基础上，所述FPGA芯片的型号为EP4CE40F23或EP4CE30F23，宽带双收发通道软件无线电芯片的型号为LMS7002M，USB3.0专用接口芯片的型号为CYUSB3014-BZXC。
一种用于脑部成像的微波多路收发系统，应用上述收发器，包括：数据工作站、USB3.0数字接口电路、多个收发器、多个收发一体天线和天线支架；
所述数据工作站通过USB3.0数据线与USB3.0数字接口电路连接；
所述USB3.0数字接口电路通过USB3.0数据线与多个收发器连接；
所述多个收发器通过柔性同轴连接线分别与多个收发一体天线连接；
所述多个收发器之间通过同轴线连接；
所述天线支架为圆形支架，所述多个收发一体天线均匀设置在天线支架上；
所述数据工作站用于通过USB3.0数据线发送控制指令，选择多个收发器中的一个收发器发射微波信号；
所述USB3.0数字接口电路用于将控制指令转发多个收发器中的一个收发器，该收发器收到控制指令后切换为发射模式，其他的收发器则切换为接收模式；
处于发射模式的收发器用于发射对应控制指令的单频率微波信号，单频率微波信号经过收发一体天线进行发射，经过被测试人脑模型吸收、反射和散射后，到达各个方位的收发一体天线，各个方位的收发一体天线将接收到的散射后的信号传输给处于接收模式的收发器，处于接收模式的收发器根据接收到的信号测得此状态下的S参数矩阵；
重复上述操作，依次测得各个状态下的S参数矩阵，最终得到完整的S参数矩阵，完整的S参数矩阵通过USB3.0数据线上传到数据工作站进行记录保存；
所述数据工作站得到完整的S参数矩阵后，通过成像算法进行处理，反演出被测试人脑模型的介电常数空间分布图像，从而得出被测试人脑模型的脑部图像，并能清晰分辨出出血或缺血的位置和大小，形成报告。
在上述方案的基础上，所述系统还包括云端，所述云端通过5G网络与数据工作站进行通讯，所述数据工作站通过5G网络将得到的图像和报告传输到云端。
在上述方案的基础上，所述收发器为100MHz～3.5GHz高动态范围微波收发器。
在上述方案的基础上，所述收发器的数量为16个。
在上述方案的基础上，所述成像算法为变形波恩迭代算法(DBIM)。
在上述方案的基础上，所述收发器上的微波收发SMA接口7通过柔性同轴连接线与收发一体天线连接。
本发明的有益效果：
本发明可以有效减小微波成像设备的成本、体积，并能定制化的提高微波成像设备的检测精度及测试灵敏度。
本发明所述多路收发系统基于高动态范围微波收发器，用于脑卒中早期诊断，重构由于脑缺血或者脑出血引起的脑组织病变图像，辅助医疗机构作出相应的诊断，主要有以下优点：
(1)便携式：可穿戴式头盔(由天线支架组成，天线支架上设有多个均匀布置的收发一体天线)+数据工作站；
(2)准确率高：出血性脑卒中准确率>97％，缺血性脑卒中准确率>75％；
(3)检测速度快：5分钟内给出报告；
(4)成本低：每套设备成本在10万元以内。
本发明可快速检测出血性脑卒中和缺血性脑卒中，可用于救护车、临时急救站等移动急救中心、社区医院、临床重症监护或住院部实时监护等。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为矢量网络分析仪+多端口矩阵开关的技术方案框图。
图2为本发明用于脑部成像的微波多路收发系统示意图。
图3为收发器的电路原理框图。
图4是射频前端电路板的电路原理图。
图5是SDR收发器电路板的原理框图。
图6是收发器的结构爆炸图。
图7是用于脑部成像的微波多路收发系统应用于被测试人脑模型的示意图。
图6中：1-顶层结构件；2-射频前端电路板；3-电池；4-中间结构件；5-SDR收发器电路板；6-底层结构件；7-微波收发SMA接口；8-扩展串口；9-相参时钟输入端口；10-相参时钟输出端口；11-电源开关；12-充电指示灯；13-USB接口；14-充电接口。
具体实施方式
以下结合附图2-7对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明所述的用于脑部成像的微波多路收发系统是由云端、数据工作站、USB3.0数字接口电路、多个收发器(图中展示了16个收发器)、多个收发一体天线和天线支架组成。
本发明所述的用于脑部成像的微波多路收发系统的工作原理
数据工作站通过USB3.0数据线发送控制指令，选择多个收发器(图2中以16路为例)中的一个收发器发射微波信号，USB3.0数字接口电路将控制指令转发给对应(比如图2中第9个)的收发器，该收发器收到控制指令后切换到发射模式，发射对应控制指令的单频率微波信号。而其他收发器则切换为接收模式。处于发射模式的收发器工作时，发射特定频率、幅度和相位的微波信号(对应控制指令的单频率信号)，微波信号经过收发一体天线发射出去，经过被测试人脑模型吸收、反射和散射后，到达各个方位的收发一体天线，各个方位的收发一体天线将接收到的散射后的信号通过柔性同轴连接线传输给处于接收模式的收发器，得到此状态下的S参数矩阵，S参数矩阵一般是由Snp矩阵表示，n和p分别代表收发器的端口号，本实施例中共有16个端口。依次切换收发器的模式，依次测得各个状态下的S参数矩阵，最终得到完整的S参数矩阵。完整的S参数矩阵会通过USB3.0数据线上传到数据工作站，并记录保存。数据工作站得到完整的S参数矩阵后，通过成像算法处理(变形波恩迭代算法)，反演出被测试人脑模型的介电常数空间分布图像，从而呈现出被测试人脑模型的脑部图像，并能清晰分辨出出血或缺血的位置和大小，形成报告。数据工作站通过连通5G网络，将得到的图像和报告无线传输到云端，供医生做进一步诊断。
本发明的核心是收发器，所述收发器为100MHz～3.5GHz高动态范围微波收发器。该收发器的信号通路是由发射通道和接收通道组成，发射通道和接收通道通过开关切换至同一个输出端口(即收发器上的微波收发SMA接口7)。收发器作为发射端的动态范围0-80dB，全段最高输出功率保证值为+30dBm。收发器作为接收端的动态范围0-120dB，灵敏度保证值为-112dBm。
如图3所示为收发器的电路原理框图。它主要由信号综合及时钟同步电路(又称为信号综合及DDS时钟同步接口板)，2×2MIMO软件无线电(Software Defined Radio，SDR)收发电路(又称软件无线电收发机)和射频前端信号调理电路组成。
信号综合及时钟同步电路与软件无线电收发电路设计在一个PCB板上，称为SDR收发器电路板5，射频前端信号调理电路位于另外一个电路板上，称为射频前端电路板2。
射频前端电路板2的作用是处理SDR收发器电路板5产生的射频信号，并通过收发开关切换收发，将达到发射条件的信号送至收发一体天线发射(或处理收发一体天线接收到的信号)。
SDR收发器电路板5的作用是产生所需的测试信号源，并对接收到的信号进行解调，再将解调后的信号处理成数字信号通过USB接口(即USB接口13)发送出去；
SDR收发器电路板5的另一个作用是时钟同步。
图4是射频前端电路板的电路原理框图。它主要由发射通道、接收通道、功率检波电路、相位检波通道和收发开关组成。发射通道的输入通过50欧姆同轴线与SDR收发器电路板5的发射输出相连，SDR收发器电路板5发射出的信号依次经过前级低通滤波器、多路放大器和数控衰减器及可调增益放大器调节功率，再经过末级低通滤波器滤除谐波，最后通过收发开关切换从测试端口(即收发器上的微波收发SMA接口7)输出到收发一体天线，发射出测试信号。收发一体天线接收到的信号经过收发开关切换到接收通道进行处理，依次经过限幅器和低通滤波器到达LNA放大器，再经过多级放大器及数控衰减等电路调整接收信号的幅度，最后经过末级低通滤波器和射频开关送到SDR收发器电路板5的接收器2进行相位测试。功率检波电路包括：STM32控制器，还包括1路ADC转换器和双通道检波器、1路ADC转换器和单通道检波器，STM32控制器与1路ADC转换器和双通道检波器构成发射功率检波电路和回波功率检波电路，STM32控制器与1路ADC转换器和单通道检波器构成接收功率检波电路。
发射通道中在收发开关前插入了双向定向耦合器(耦合度为20dB)，将发射信号和回波信号分离，再通过两个射频开关，或者将这两路信号送入双通道检波器检波测得功率值，或者将这两路信号同时送入SDR收发器电路板5的接收器1和接收器2进行相位测试，从而得到发射信号和回波信号的幅度和相位，从而计算出S11的幅度和相位，S11代表1端口的回波量比上1端口的发射量，反映1端口的端口反射性能。同样，接收通道在LNA放大器与多路放大器之间也插入了一个定向耦合器，定向耦合器用于得到接收信号的耦合值，并通过单通道检波器得到接收信号的功率值。
射频前端电路板的电路原理图如图3所示，具体指图3中的右半部分，软件无线电收发电路发射的信号首先经过前级低通滤波器及多路放大器和数控衰减器，然后经过可调增益放大器和末级低通滤波器，再通过软件控制的ALC电路将信号调整到软件设定的功率，最后通过高隔离度的收发开关切换输出到连接收发一体天线的端口(即收发器上的微波收发SMA接口7)上，将信号传送到收发一体天线上发射出去。发射通道输出端的双向定向耦合器(coupler)可以将发射功率和端口回波功率分别耦合到两个端口，这两路分别被射频开关切换送至RMS检波器或软件无线电收发电路中的LMS7002M芯片的接收端。若这两路被射频开关切换至RMS检波器，RMS检波器可以测得发射信号功率a1和回波信号功率b1的大小，从而计算出端口的端口反射参数S11的幅度值，并可以换算出端口的电压驻波比(VSWR)。若这两路被射频开关切换至软件无线电收发电路中的LMS7002M芯片的接收端，则可以解调出发射信号a1和回波信号b1的相位信息。
同样，接收通道的作用是处理收发一体天线接收到其他收发器发射的经过被测试人脑模型(或被测试人脑)散射后的信号，得到接收信号的功率和相位。收一体天线接收到信号后，通过高隔离度的收发开关，进入接收通道。接收信号经过限幅器处理，将接收信号的幅度限制在+10dBm以内，以免过大的接收信号损坏收发器。然后经过前级低通滤波器进入LNA放大器进行放大和噪声抑制，再经过两级低噪声放大器、数控衰减器和可变增益放大器将信号放大到软件无线电收发电路中的LMS7002M芯片能接收到的范围，最后通过末级低通滤波器和射频开关发送给软件无线电收发电路中的LMS7002M芯片的接收端，接收信号的相位由软件无线电收发电路中的LMS7002M芯片的接收端解调得出。同样地，接收信号也会经过一个定向耦合器引出一路送入检波器测定接收信号功率b2的大小，这样，被测试人脑模型(或被测试人脑)的传输参数S21便可以测试出来。S21代表2端口接收到1端口发射的波比上1端口发射量，反映的是1端口到2端口之间器件对微波传输的影响，是传输参数。
这样，经过多次扫描测试，并记录数据，整个系统就可以测试出16个端口下的被测试人脑模型(或被测试人脑)的所有S参数矩阵，最终上传给数据工作站进行反演成像处理。
其中电压驻波比(VSWR)由ADI公司的宽带双路RMS功率检波器HMC1030LP5E检出，其检波范围为-55dBm～+15dBm，输入检波动态范围为70dB，功率检测精度可达0.25dB。
可变增益放大器采用的是ADI公司的ADL5240ACPZ-R7，其增益调节范围为-31.5dB～+17.6dB，增益调节精度为0.25dB。检波器和可变增益放大器配合STM32控制器，最终可以实现发射信号的自动电平控制(ALC)功能。
如图5所示，SDR收发器电路板5的电路主要由FPGA芯片(EP4CE40F23或EP4CE30F23)作为主控芯片(MCU)，宽带双收发通道软件无线电芯片LMS7002M作为射频发射源和USB3.0专用接口芯片CYUSB3014-BZXC作为数字接口构成。其中核心电路是LMS7002M芯片搭建的一发两收电路，主要包括发射器、接收器1和接收器2，其中的发射器、接收器1和接收器2在图4中有示意。电路主要性能参数如下：
宽带双收发通道软件无线电芯片：Lime Microsystems LMS7002M FPRF
FPGA芯片：Altera Cyclone IV EP4CE40F23–也与EP4CE30F23兼容
内存：256MB DDR2 SDRAM
USB3.0专用接口芯片：Cypress USB 3.0CYUSB3014-BZXC
振荡器：Rakon [email protected]
连续频率范围：100kHz–3.8GHz
带宽：61.44MHz
射频连接：12个U.FL连接器(6个RX，4个TX，2个CLK I/O)
功率输出(CW)：最高10dBm
多路复用：2×2MIMO
电源：Micro USB连接器或可选的外部电源
状态指示灯：可编程LED
尺寸：100毫米x 60毫米
收发器的结构如图6所示。
所述收发器为长方体结构，主要包括：顶层结构件1、射频前端电路板2、电池3、中间结构件4、SDR收发器电路板5和底层结构件6；
顶层结构件1和底层结构件6分别与中间结构件4配合安装，主要用于屏蔽；
射频前端电路板2和电池3从上至下依次封装在顶层结构件1和中间结构件4构成的内部空间中，射频前端电路板2的右端设有微波收发SMA接口7，所述射频前端电路板2的左端设有扩展串口8，扩展串口8的连接方式采用现有技术实现；
中间结构件4的前端设有相参时钟输出端口10，后端设有相参时钟输入端口9，左端设有电源开关11和充电指示灯12，相参时钟输出端口10、相参时钟输入端口9、电源开关11和充电指示灯12的连接方式采用现有技术实现；
SDR收发器电路板5封装在中间结构件4和底层结构件6构成的内部空间中；
SDR收发器电路板5的左端从前至后依次设有充电接口14和USB接口13，充电接口14和USB接口13的连接方式采用现有技术实现；
所述充电接口14为12V DC充电接口，所述USB接口13为B型USB3.0接口
SDR收发器电路板5的信号源与接口电路和射频前端电路板2的射频信号调理电路之间的信号传递通过同轴连接线，且通过中间结构件4进行隔离，顶层结构件1和底层结构件6用于将内部电路与外界进行屏蔽。
图7是微波多路收发系统应用于被测试人脑模型的示意图。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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