1 引言

乳腺癌是一種常見的疾病，對其治療而言，早期發(fā)現(xiàn)是至關重要的。多年來，電磁場工程師們一直在致力于研究用微波成像的方法實現(xiàn)對人體癌癥的檢測，相對于現(xiàn)有的醫(yī)學成像檢測方法，如X射線、CT、B超等，微波成像具有諸多優(yōu)點：
(1)相對安全，微波成像沒有電離輻射，在一定能量范圍內(nèi)屬相對安全的檢測方法[1]。
(2)它是基于一種新的成像檢測機理，微波成像屬于功能性成像，它反映的是生物組織的電磁特性分布，而惡性腫瘤的介電常數(shù)往往比正常的乳房組織大的多，因此利用微波成像能夠區(qū)分腫瘤的惡性與否。
(3)屬于非浸入式檢測，檢測相對方便。
(4)成像分辨率較高，可以檢測出小到2 mm直徑的腫瘤，利于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)。
(5)微波成像費用相對較低，易于實現(xiàn)身體普查，有利于疾病的早期預防和治療。

2 乳房組織的介電特性

生物組織的介電特性通常用cole-cole模型表示，其表達式為：
ε(ω)=ε′(ω)-jε″(ω)=ε∞+Δε1+(jωτ)1-α+σsjωε0
這里ω表示角頻率，ε′(ω)表示與頻率相關的介電常數(shù)，ε″(ω)表示與頻率相關的介電損耗。
正常的乳房組織成分主要包括皮膚、脂肪、乳腺導管、乳腺囊等，對正常乳房組織以及惡性腫瘤的介電特性測試已經(jīng)有諸多研究成果[2-6]。1994年Joines等人在50～900 MHz的頻率范圍內(nèi)測量了多種離體器官和相應惡性腫瘤的介電特性，其中包括正常的乳腺組織及惡性乳腺腫瘤，得出的結論是惡性乳腺腫瘤的介電常數(shù)和電導率比正常的乳腺組織平均分別高出233%和577%。Campbell等人在1992年分別對多名患者的正常乳房脂肪組織、正常乳腺組織、良性腫瘤和惡性腫瘤四種類型組織的介電特性進行了測量，測量的微波頻率為3.2 GHz。他首先對17名患者的乳房脂肪組織進行了測量，測量得到的脂肪組織相對介電常數(shù)在2.8～7.6之間，電導率在0.54～2.9 mS/cm之間，含水量在11%～31%;對11名患者的正常乳腺組織的測量結果表明，其相對介電常數(shù)在9.8～46之間，而電導率在0.54～2.9 mS/cm;對9名不同患者的生物醫(yī)學工程研究第29卷第1期趙亦波，等：基于雷達原理的脈沖微波共焦成像檢測乳腺癌惡性乳腺腫瘤的測量結果顯示其相對介電常數(shù)在9～59之間，而電導率則在2～43 mS/cm之間。通過數(shù)據(jù)分析，Campbell等得出結論，認為在3.2 GHz微波頻率下區(qū)分惡性腫瘤的相對介電常數(shù)為45～60，電導率為30～40。Wisconsin-Madison大學的Lazebnik等人在2007年進行了較大規(guī)模的不同人群乳房組織介電特性測量，他一共選取了93位不同患者的乳房組織樣本，通過對樣本的測量分析，得出的結論為乳房組織的相對介電常數(shù)和電導率與乳房組織的成分有關(見圖1)。
從一系列的研究結論可以看出，正常女性乳房組織由于含有的脂肪成分較高(多數(shù)超過50%)，脂肪的介電常數(shù)和電導率都相對很低，因此，正常乳房組織的平均介電常數(shù)在10左右，而惡性腫瘤組織的介電常數(shù)和電導率均比正常乳房組織高出三倍多，對微波照射而言，正常乳房組織的反射比惡性腫瘤塊的反射要弱，加上采用相關的聚焦技術，可以使得惡性腫瘤組織對微波的反射明顯強于正常組織，從而檢測出惡性腫瘤，這就是微波成像檢測乳腺癌的理論基礎。

3 脈沖微波共焦成像檢測乳腺癌

3.1 主動式微波近場成像
微波成像的應用范圍十分廣泛，探地雷達、氣象雷達、星載以及機載SAR(合成孔徑雷達)成像都屬于微波成像的范疇。主動式微波成像的基本原理是通過向被成像目標發(fā)射電磁波，通過接收目標的反射或散射波，從而獲取目標的形狀、結構、電磁特性空間分布等信息。在微波頻段，要想得到目標反射或散射場的解析解基本上是不可能的。而通過測量微波散射或反射場確定成像目標的電磁參數(shù)分布是一個電磁逆散射問題，它是電磁散射正問題的反演。微波成像的基本過程如下：
(1)首先，通過天線向被成像目標發(fā)射高頻電磁波，在目標周圍若干位置放置接收天線接收目標的散射場，從而獲得一系列的測量數(shù)據(jù)。
(2)將目標進行網(wǎng)格剖分，對剖分完的網(wǎng)格電磁參數(shù)進行初始設置。
(3)根據(jù)目標網(wǎng)格剖分以及初始電磁參數(shù)設置求解正問題，即計算各測量點的散射場，常用方法有有限元法、時域有限差分法等。
(4)根據(jù)計算值和測量值的差重新調(diào)整各網(wǎng)格的電磁參數(shù)估計值。
(5)不斷重復以上各步，直到正向計算結果與測量結果誤差滿足一定要求。

由于諸多因素的影響，比如測量數(shù)據(jù)量的不足，正向計算的誤差，或者目標結構復雜，甚至目標是各向異性的，這些都使得反演結果不唯一，不能確保成像結果與實際完全吻合，這在一定程度上限制了微波成像的應用。

但隨著電磁場數(shù)值算法研究的進展，特別是計算機計算能力的迅猛提高，微波成像技術用于人體檢測變得越來越具有吸引力，其中以用于女性乳腺癌檢測的研究最為活躍，取得的成果和進展也最為顯著，基于雷達原理的脈沖微波共焦成像(confocal microwave imaging, CMI)就被認為是一種很有發(fā)展前景的主動式微波成像技術。

3.2 脈沖微波共焦成像檢測乳腺癌

脈沖微波共焦成像技術檢測乳腺癌是基于雷達原理，它類似于機/星載SAR成像或探地雷達的工作原理。不同于普通的逆散射成像，該方法避免了復雜的逆散射計算問題。

脈沖微波共焦成像技術用于乳腺癌的檢測最早是由美國Wisconsin-Madison大學的Hagness提出[7]，加拿大自然科學與工程研究委員會的Elise C. Fear等人也相繼進行了理論和實驗研究并取得了一系列的研究成果。

脈沖微波共焦成像系統(tǒng)檢測乳腺癌的基本工作過程是：系統(tǒng)首先用天線發(fā)射超寬帶脈沖對成像目標乳房進行照射，同一天線用于接收乳房的反射波，反射波信號采用矢量網(wǎng)絡分析儀記錄，由于矢量網(wǎng)絡分析儀記錄的是頻域信號，需要通過離散反傅立葉變換得到反射波的時域形式。在一個位置完成該過程后，將天線移動到另一個位置重復上述過程。當所有位置都測試完畢后，根據(jù)成像聚焦點的不同，對所有位置接收到的反射波進行時移相加，最后得到目標乳房組織的反射波相對灰度圖像。雖然這種方法不能直接得到乳房的介電參數(shù)分布，但它能區(qū)分出由于介電參數(shù)異常增大而使反射波增強的區(qū)域，起到檢測乳腺惡性腫瘤的作用。

Hagness等人開展微波共焦成像檢測乳腺癌的研究開始于1998年，最開始采用的是計算機理論仿真的方式。仿真天線掃描方式是采用平面式，探測深度約為5 cm，之所以采用這種掃描模式是基于患者仰面躺著接受檢測的假設，結形天線加載后直接放在乳房上面進行檢測，天線與乳房之間沒有空間距離，從而保證和皮膚間的阻抗匹配，減小皮膚的反射。

而Fear等人則在2005年建立了一套微波共焦成像檢測乳腺癌的實驗驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱之為TSAR(Tissue Sensing Adaptive Radar，TSAR)[8-10]。系統(tǒng)由液體容器、浸泡用液體、地層、天線和乳房模型構成。液體容器的上方是用作地層的金屬蓋板，金屬蓋板上留有幾個洞，天線和乳房、腫瘤模型通過這些洞放入容器盛放的液體中，液體的介電常數(shù)接近正常的乳房組織，這樣可以減少正常乳房組織對入射波的反射。整個容器除了上層蓋板因用作地層而采用金屬材料外，其它地方采用的都是介質(zhì)材料，這是為了盡量避免電磁波被容器壁反射。天線采用的是阻抗加載Wu—King偶極子天線，長度為10.8 mm。而乳房模型則采用的是圓柱體模型，圓柱體高為30 cm，截面直徑為10 cm，圓柱體內(nèi)放有一個腫瘤模型。整個仿真模型材料分為四種：液體、“皮膚”、“脂肪”，“腫瘤”，四種材料的介電參數(shù)見表1。表1 實驗系統(tǒng)用到的各種材料的介電參數(shù)　實驗系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)乳房模型，每次旋轉(zhuǎn)22.5°或40°，實現(xiàn)天線對乳房模型的掃描。

天線回波數(shù)據(jù)采集采用的是將安捷倫的8719ES矢量網(wǎng)絡分析儀通過50 Ω同軸線連接到天線上實現(xiàn)的，頻率采樣點為1601個，采樣16次的樣本進行平均，采樣頻率范圍為1～10 GHz，對采集到的頻域數(shù)據(jù)進行離散反傅立葉變換即得到信號回波的時域波形。

通過諸多研究者一段時間的努力，用于檢測乳腺癌的脈沖微波共焦成像系統(tǒng)的基本框架已經(jīng)基本成型，下面分析系統(tǒng)的各技術要素及其近期的研究成果。

首先，超寬帶信號形式的選擇主要有兩點矛盾：分辨率和信號衰減的矛盾。信號的帶寬越寬，則系統(tǒng)的距離分辨率越高，但同時隨著信號頻率的升高，其衰減就越厲害，探測深度因而受到影響，因此，對信號的形式選擇應該綜合考慮這兩個因素。

目前被廣泛采用的超寬帶信號源形式為微分高斯脈沖，其表達式為：
V=V0(t-t0)exp(-(t-t0)2τ2)
其中τ約等于50～100 ps，t0=4τ，這種形式的信號的典型探測深度為3～4 cm，最大探測深度為5 cm，這是考慮到幾乎50%的腫瘤位置處于深度小于2.5 cm位置，距離分辨率約為1 cm，因此，這種脈沖形式兼顧了分辨率與探測深度兩者的要求。

對天線的選擇，目前采用的方案是加載蝶型天線或Wu-King偶極子天線等，F(xiàn)ear等人研制了多種超寬帶天線[11-13]，并比較了其性能指標以及對成像效果的影響。

波束形成方式有天線陣列波束成形、單天線空間掃描波束成形等方法，其中后者被更多地采用，主要原因是單天線掃描的方法簡單易于實現(xiàn)，可以避免多天線間復雜的互藕問題，簡化信號處理。空間掃描方式主要有兩種：一種是以蝶型加載天線直接放在乳房組織上，而人體仰躺著，讓天線在乳房組織上不同位置進行測量;另一種方案是讓人體趴著，乳房通過一個圓洞浸泡在某種液體中，這種液體的介電常數(shù)接近脂肪組織，偶極子天線圍繞乳房組織四周不同點進行測量。一般將乳房當作一個圓柱模型。

關于信號接收系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍問題，通過Hagness等人的仿真論證，不同深度和直徑的腫瘤在乳房組織中的反射信號強度(相對于激勵信號)見表2。表2 不同大小、位置、深度的腫瘤反射回波強度由表2可以看出，對乳腺癌的檢測而言，信號接受系統(tǒng)的動態(tài)范圍在120 dB左右即可滿足檢測要求。

在乳房建模方面，前期研究采用的模型比較簡單，基本上假設乳房組織介電參數(shù)分布比較均勻且各向同性，乳房外型也比較規(guī)范。采用這樣的簡化模型對前期的研究是必須的，但隨著研究的深入以及技術實用化的要求，模型就必須逐漸向?qū)嶋H靠攏。在X Li等人利用二維磁共振(MRI)圖像數(shù)據(jù)建立仿真乳房模型的基礎上[14]，Sill等人建立了基于三維MRI圖象的仿真乳房模型[15]，并利用脈沖微波共焦成像算法進行了仿真驗證，仿真結果表明對于這種相對復雜接近實際的乳房模型，共焦成像也能有效檢測出一定大小的腫瘤，只是信號雜波比(S/C)降低到了4.9 dB，而簡單模型情況下信號雜波比(S/C)為10.3 dB，可見模型背景的復雜度加大對系統(tǒng)檢測能力是有很大影響的。

脈沖微波共焦成像算法的基本流程如下[16]：
(1)首先，進行信號校準。目的是在接收信號中去除發(fā)射信號殘余和皮膚反射信號。這是基于這樣一個假設：在不同位置得到的發(fā)射信號殘余和皮膚反射信號基本相同。校準信號采用的是一圈的每一個位置天線接收信號的平均值，采用的方法是將一圈的每一個位置天線接收信號減去這一圈的校準信號。
(2)積分運算。由于采用微分高斯脈沖，因此當信號過零點時積分值最大，對信號進行積分運算處理后更易于識別回波信號在時間軸上的位置。
(3)信號補償。主要采用路程損失補償或輻射發(fā)散補償，其中平面掃描方式采用路徑損失補償，而圓柱掃描則采用輻射發(fā)散補償。
(4)圖像重建。圖像重建采用共焦算法，將待成像的物體進行剖分成N個網(wǎng)格，假設有M個測量位置，假設某個網(wǎng)格的位置矢量為r，則在該網(wǎng)格的成像灰度可表示為：
I(r)=[∑Mm=1Bm(τm(r))]2

其中Bm表示第m個位置天線測量得到的反射波時域波形，它是經(jīng)過(1)、(2)、(3)步驟處理過的信號波形，

在對聚焦成像算法繼續(xù)進行研究的同時，也有不少研究者開始研究乳房輪廓的檢測算法[17-18]，近兩年已有部分成果發(fā)表。由于在對乳房進行共焦成像時需要事先對乳房進行定位，即預先知道乳房的位置外形輪廓，在此基礎上才能對回波信號進行有效的校準，因此，乳房輪廓的檢測算法對該技術完善和后續(xù)的實用化十分重要。

4 發(fā)展前景

總之，脈沖微波共焦成像技術檢測乳腺癌目前尚處在實驗室的研究階段，沒有形成臨床應用的產(chǎn)品。但隨著相關生物醫(yī)學技術的發(fā)展，天線技術、相關信號獲取設備技術的提高，信號處理算法的進一步發(fā)展，相關硬件技術的進步以及計算機計算能力的提高等，微波成像技術用于檢測乳腺癌將有望走向臨床應用。

作者：趙亦波1，李建龍2，丁亮2 作者單位：(1.廣東省東莞大嶺山醫(yī)院，東莞 523820;2.國防科技大學電子科學與工程學院，長沙 410073)

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