早期乳腺肿瘤的超宽带微波成像

文章编号:100526122(2005)0320066205
早期乳腺肿瘤的超宽带微波成像3
邵文轶　周蓓蓓　王　刚
(江苏大学计算机科学与通信工程学院超宽带技术研究所,镇江212013)
摘　要:　通过采用时域有限差分方法探讨了一种收发天线分离的早期乳腺癌超宽带微波成像检测方案。

在收发共用的超宽带天线设计中要求天线的终端反射不超过-120d B,而采用收发天线分离方案则避免了这一苛刻要求。

采用共焦成像算法给出的成像结果表明,该方案亦可探测直径10mm以下的早期乳腺肿瘤。

关键词:　微波成像,早期乳腺癌,超宽带
U W B M i crowave I magi n g for Early Detecti on of Breast Cancer
SHAO W en2y i,ZHO U Be i2be i,W ANG Gang
(UWB R esearch Institute,School of Co m puter Science and Teleco mm unication Engineering,
J iangsu U niversity,Zhenjiang212013,China)
Abstract:　An ultra2wideband(UWB)m icr owave i m aging sche me with separated trans m itting and receiving antennas was investigated by using finite difference ti m e domain method(F DT D).The use of separated trans m itting and receiving an2 tennas all ows t o avoid the critical requir ment f or the reflecti on of the antenna ter m inal,as required in the syste m with dup lex UWB antenna.I m aging results by using the conf ocal i m aging algorith m demonstrate the feasibility of the scheme in the detec2 ti on of early breast cancer of radius s maller than10mm.
Key words:　M icr owave i m aging,Early breast cancer,U ltra2wideband
引　言
乳腺癌是女性人群中发病率较高的恶性肿瘤疾病。

随着我国工业化的发展,妇女乳腺癌发病率明显升高,已成为城市女性的第一杀手,此趋势已引起社会的忧虑。

乳腺癌的及早诊断,对降低和控制乳腺癌的死亡率具有决定性的意义。

因此,乳腺癌的早期诊断技术成为目前及今后乳腺癌研究的一个重点[1～4]。

目前诊断乳腺癌的常规手段是乳房X光造影技术(X2ma mmography),对早期乳腺癌检测率较低,且受检者有安全忧虑[2,3]。

其他方法,如核磁共振(MR I)、正电子放射性断层摄影术(PET)等,则因检测费用高而难以作为常规检测手段[3,4],故有必要探索新的早期乳腺癌检测技术。

最近,新体制的高分辨率微波成像技术受到广泛的重视[3～7]。

微波成像用于早期乳腺癌检测需要满足两个最基本的条
件:(1)足够的成像分辨率;(2)微波探测信号要有足够的穿透深度[5,8,9]。

足够的成像分辨率要求所采用的微波探测信号有足够的带宽,使用频率较高的微波信号即可满足此要求;另一方面,由于生物组织对电磁波的传播有损耗,高频率的微波信号在其中传播会呈现严重的衰减,这倾向于要求采用较低频率的微波探测信号。

二者难以兼顾。

近期,随着超宽带电磁脉冲技术的进步,尤其是对超宽带探地雷达系统的深入研究,可以在较低的微波频率范围内进行超宽带探测,用带宽达几个吉赫兹的信号进行高分辨率成像,同时满足必要的穿透深度[9]。

人们对乳房组织电磁特性进行了大量的实验研究[10]。

大量结果表明,在中心频率为数吉赫兹时,乳房典型组织的相对介电常数ε
r
约为9,电导率σ
约为0.4s/m,而肿瘤在该频率下的ε
r
约为50,电导
第21卷第3期2005年6月
微　波　学　报
JOURNAL OF M I CROWAVES
Vol.21No.3
　Jun.2005
3收稿日期:2004202220;定稿日期:2004204227　
率σ约为4s/m [9,11]。

分析表明,对于频率不高于10GHz 的探测信号,在现有检测仪器的动态范围之内,可对乳房组织内深达5c m 的肿瘤进行成像检测[11,12]。

若采用5GHz 的带宽进行肿瘤检测,可在乳房中实现不大于10mm 的成像分辨率。

由于早期肿瘤多发于深度小于5c m 乳腺导管区,因此,采用频率上限在10G 左右的超宽带成像进行早期乳腺癌检测是可行的。

为此,Tafl ove 和Hagness 等提出了微波共焦成像系统[11,12]
,该系统拟用超宽带脉冲照射乳房,并接收肿瘤回波信号进行共焦成像。

方案中采用同一天线发送并接收超宽带信号,这要求采用末端反射在-120dB 以下的超宽带天线作为收发天线,以确保天线末端的反射信号不会显著影响来自目标的微弱散射信号[12]
,对天线设计提出了很高的要求。

本文探讨了一个收/发天线分离的微波共焦成像系统,系统由一个发射天线和多个接收天线组成(或一个接收天线作合成孔径,见图1),以降低对超宽带天线的苛刻要求。

文中利用简化了的乳房组织模型,用我们和Fl orida 大学联合开发的基于时域有限差分方法(F DT D )的乳房肿瘤超宽带微波成像仿真软件对该微波共焦成像方案进行了仿真与模拟。

结论表明,采用该方案可实现对直径小于10mm 的乳房肿瘤有效成像。

图1　收/发天线分离的乳腺癌成像系统模型　
1　模型与仿真
1.1　收/发天线分离的乳腺癌成像系统模型
作为原理验证,我们可将乳房简化为长方体模
型(见图1)。

模型表面为厚度2mm 的皮肤层(图1
中77mm ～75mm 处),皮肤层的电磁参数为
[11,12]
εr =36,σ=4;皮下为乳房组织层,其厚度为50mm (图
1中25mm ～75mm 处),采用典型乳房组织的电磁参数εr =9,σ=0.4;乳房组织以下为肌肉层(图1
中25mm 以下)。

收/发天线分离的乳腺癌成像系统由皮肤表面放置的一个发射天线和M 个不同位置处的接收天线组成(收发天线位置见图1,此处M =25)。

从激励源发出的探测信号经皮肤与乳房组织分界面发生折射后进入乳房组织,由于乳腺肿瘤的电磁特性与正常乳房组织的电磁特性的显著差异,微波被肿瘤目标散射,散射信号可被接收天线检测。

1.2　FD TD 仿真
由于目前国内外尚无业已建立的实际成像测试系统,因此我们以与美国Fl orida 大学联合开发的
F DT D 软件对上述模型进行仿真[14]。

时域有限差分技术对于模拟脉冲信号在复杂(不均匀、色散)媒质中的传播是十分有效的。

在我们所开发的仿真系统里,肿瘤位置可以模仿实际情况设定。

通过在图1模型(50,50,77)处发射一个中心频率约为3.2GHz,3dB 带宽约为5GHz 的超宽带信号作为探测信号(其波形和频谱如图2所示),并对有/无肿瘤及不同肿瘤的各种情况进行仿真。

1～25号位置处天线会检测到不同的信号。

其中#1天线检测到的信号如图3所示,实线波形A 显示了模型中无肿瘤时#1天线上检测到的信号,虚线波形B 显示了模型中有直径为6mm 肿瘤时#1天线上检测到的信号。

可以看出由于肿瘤存在,导致了同一个接收天线上记录到的信号波形B 不同于波形A 。

我们将模型中无肿瘤时#1-#25天线上检测到的信号定义为数据组X ,模型中有肿瘤时#1-#25天线上检测到的信号定义为数据组Y 。

2　信号处理及成像
2.1　信号处理
实际乳房肿瘤成像系统中的信号处理是十分复杂的[15]。

作为本方案的一个验证,我们考虑较为简单的处理方法:将数据组Y 与数据组X 相减,即可去除直达波和杂波信号,从而得到从肿瘤散射回来的信号。

但在临床应用中,可以用多次检测多组数据取均值的办法来近似代替X 。

从M 个天线,我们得到了M 组数据,图4画出了#1天线记录到的来自肿瘤的目标散射信号(Y 1-X 1),对它进行积分后得到图5所示信号波形。

M 个天线记录到的信号均可作上述处理,将他们表示为向量T 1、T 2…T m …T M (M =25)。

7
6第21卷第3期
邵文轶等:早期乳腺肿瘤的超宽带微波成像　
图2　中心频率约为3.2GHz,3d B 带宽
约为5GHz 的超宽带探测信号
图3　A 2模型中无肿瘤时#1天线及B 2模型中有肿瘤时#1天线得到的波形
图4　#1天线上记录的仅来自目标的散射信号　
2.2　成像算法
散射信号从r 的目标传播到第M
个接收天线图5　对#1天线上记录的仅来自目标的
散射信号积分后得到的波形
图6　时延补偿后的效果
所经历的信号时延为
τm
=d m 1(r )/v 1+d m
2(r )/v 2(1)这里d m 1(r )与d m
2(r )/v 2分别表示信号在皮肤层中与信号在乳房组织中的传播路径长度,v 1、v 2分别表示信号在皮肤、乳房组织中的传播速度(乳房组织中信号传播存在色散现象,通常近似用中心频率的
波速代表信号的传播速度
[12]
)。

如果对每个天线收到的信号作正确的时延补偿,则在实际肿瘤位置处这些信号就能够被同相迭加,迭加后的能量相对较强;在非肿瘤位置“时延补偿”后,由于波形的相位不能重合,所以迭加后的能量相互抵消,信号相对较弱[11,12]。

图6表明了时延补偿后的情况,A 、B 、C 分别表示#1、#7、#25号天线经各自时延补偿后的信号。

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6微　波　学　报2005年6月
利用所记录到的M 组信号,对r 处目标点进行共焦叠加,其能量可用下式表示
E (r )=
∑
M
m =1
T m (τm (r ))
2
(2)
如此即可完成对整个区域的成像。

3　成像结果
利用公式(1)计算出每个网格点的能量值后,
将之按比例转化为像素灰度值,在三维空间逐个绘出。

图7(a )给出的是大小为120mm ×120mm ×75mm 乳房模型中直径为10mm 肿瘤的三维成像结
果,(b )是z =45时x 2y 平面的剖面图,(c )是x =60时y 2z 平面的剖面图。

由图8可以看出直径为10mm 的肿瘤中心位于(60,60,45)。

图8(a )给出的是在相同尺寸模型中不同位置处的直径为6mm 的肿瘤的三维成像结果,(b )是z =55时x 2y 平面的剖面图,(c )是x =60的y 2z 平面的剖面图。

由图8可以看出肿瘤位于(60,60,55)的位置。

成像结果与F DT
D 仿真时所采用的乳房肿瘤大小、位置等信息相一致,这说明采用超宽带微波探测肿瘤是可行的并具有较高的分辨率。

图7　三维处成像
图8　三维成像
4　结束语
本文探讨了采用收发天线分离、单激励/多点接
收的超宽带微波成像系统进行早期乳房肿瘤检测的可能性。

文中针对简化了的乳房模型,利用了我们与美国佛罗里达大学联合开发的基于F DT D 的乳房肿瘤超宽带微波成像仿真软件仿真早期乳腺癌肿瘤在超宽带微波信号照射下的响应,分析了超宽带信
号的特点。

然后,利用检测到的响应信号进行相应的信号处理和成像研究。

结果表明,采用中心频率3.2GHz,3dB 带宽约5GHz 的超宽带信号,该方案亦可对直径小于10mm 的早期乳房肿瘤进行高分辨率的成像。

参　考　文　献
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邵文轶　男,1979年生,江苏无锡人,江苏大学计算机科学与通信工程学院硕士,主要从事微波近场成像与超宽带技术的研究。

周蓓蓓　女,1980年生,江苏镇江人,江苏大学计算机科学与通信工程学院硕士研究生,主要从事微波近场成像与电磁场数值计算的研究工作。

王　刚　男,1967年生,新疆人。

1988年于中国科技大学电磁场与微波技术专业获学士学位,分别于1991年、1996年于西安电子科技大学获硕士、博士学位。

1996年5月至1998年8月在西安交通大学电信学院做博士后研究工作,出站后在西安交通大学任教。

2001年赴瑞典M id2S weden U2 niversity任客座研究员,负责射频识别(RF I D)技术研究。

2002年在美国Fl orida大学从事博士后研究工作。

现任江苏大学特聘教授。

社会兼职:I EEE Member。

目前主要从事超宽带通信、射频识别技术、高分辨率检测与成像技术以及超宽带电磁脉冲技术等方面的研究。

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