1　引言

在過去相當長的時間內，電磁場工程師們正在致力于人體癌癥的電磁場檢測，因為電磁場檢測比較已有的腫瘤的檢測方法如X射線攝影檢測、紅外成像檢測等方法有很多優勢。微波成像檢測具有以下優點：
•對身體健康沒有負面影響。該方法沒有電離輻射，用于微波成像的能量≤5mW，屬相對安全的非電離輻射［1］；
•對腫瘤敏感，能夠區分良性與惡性，易于檢測；
•非侵入式檢測，易于實現；
•費用遠低于計算機輔助成像（CAT）或磁共振成像（MRI）檢測，可用于普查；
•不會引起身體的不適，易于被婦女接受；
•在可治階段檢測出腫瘤；
•可實現寬頻帶檢測，更易于應用；
•能夠檢測到小至2mm的腫瘤，檢測結果客觀、準確，易于解釋。

2　乳房組織的電特性

在微波波段，離體生物組織的介電特性的有關數據，涉及的頻帶很寬，從10Hz到20GHz，某些癌變組織的介電特性也已經有了定量數據［2～5］。但是對于正常胸部組織和癌變組織的介電特性的相關數據卻不是很多。1984年Chaudhary等人［6］在3MHz-3GHz的頻率范圍內測量了正常胸部組織和癌變組織的介電特性。1994年Joines等人［7］在50MHz-900MHz的頻率范圍內測量了幾個新鮮離體器官的介電特性，其中包括乳房。這些研究揭示癌變組織的介電特性及電導率是正常胸部組織的三倍以上。頻率更高處的數據可以通過Chaudhary等人的數據利用Debye方程［8］外插而得到。對微波來說，正常胸部組織比癌變組織更加透明，這也是微波檢測乳腺癌的物理基礎。

一般來說，作為色散媒質的胸部組織，其介電特性可由Debye方程來描述：

式中εr是胸部組織的相對介電常數，σ是胸部組織的電導率（mS/cm），f是工作頻率（GHz），fc是生物組織的平均弛豫頻率，ε∞是在頻率遠高于fc時的相對介電常數，εs是頻率遠低于fc時的相對介電常數，ε0是自由空間的介電常數，σs表示除介質色散以外的其他過程對總電導率的貢獻。對于正常胸部組織，其介電特性及電導率與低含水量的脂肪組織類似，相關數據可以在文獻［8］中找到；對癌變的胸部組織，其介電特性及電導率與高含水量的組織如皮膚相似。在100MHz到17GHz范圍內可采用以下經驗公式［9］：

式中 是純水的介電常數εs乘以一個與組織含水量有關的因子，σ0.1是胸部組織在0.1GHz時的電導率（mS/cm）。生物組織的介電常數和電導率隨頻率的變化關系見圖1和圖2。

微波對于胸部組織的穿透深度，假設入射波為平面波，則可以按照下式計算［10］：
 
式中μ0為自由空間磁導率，微波對生物組織的穿透深度δ隨頻率而變化關系見圖3。

3　乳腺癌的微波檢測

3.1微波近場成像

典型的微波近場成像就是用天線或天線陣發射一定頻率的電磁波照射靠近的被測物體，接收天線得到被測物體的散射場，物體的形狀和空間分布的信息就包括在散射場中。在微波頻段，散射場基本無法得到解析解。由于被測物體的維數、不連續性、各向異性等很多原因，必然導致測量的散射場和解析法建立的目標函數間的非線性。由于測量數據的限制不足以唯一確定成像區被測物體的介電常數分布，從而造成解的非唯一性，這些都限制了微波成像技術的發展及應用［11］。在成像中諸如分辨率、對比度、求解速度、數值解的魯棒性、信號的獲取及處理、圖像重建的實現等問題都需解決。具體來講，高分辨率可以檢測到小的腫瘤，而高頻必將導致極快的衰減；由于目標的尺寸比腫瘤大很多，涉及到散射場的處理，尤其對于生物體檢測這樣的近場；數據獲取和處理時間要合適；整個系統易于臨床實現等等。

不少學者和科研小組對微波近場成像提出自己的見解，比如歐洲［12］和美國有很多科研小組進行了理論和實驗研究。在公開發布的所有系統中，被成像物體浸在水中或弱鹽溶液中，天線陣成平面或圓周放置，發射的電磁波通過被測物體被天線陣的其它天線接收，形成目標函數，從而反映出被測物體的介電特性或導電率的空間分布。法國某科研機構和西班牙的科研機構合作開發出平面和圓柱面的掃描系統［13］，利用數值方法解決前向問題，用非線性優化解決反向優化問題。實驗系統采用2.33GHz或2.45GHz，采用36或64個發射天線，25或33個接收天線，實驗模型簡化，如用圓柱代替人的胳膊，在信噪比為20分貝情況下圖像重建，重建效果不是很好。意大利某組織開發出多視角成像系統，該系統用偽反射方法解決場的反射問題［14］。重建算法分兩步：首先從被測的散射場得到等效電流密度，通過背景的并矢格林函數獲得感應電流密度，然后通過矩量法和格林函數矩陣的逆過程來求解。美國和俄羅斯合作開發出另外的一套成像系統［15］。這是一個三維成像系統，32個發射天線排成一列，一個接收天線沿被測物體旋轉，也可以讓被測物體沿軸線旋轉。算法采用矢量波恩方法，處理時間較長，大約8小時。

3.2　微波乳腺癌檢測

微波成像技術已經發展多年，但是真正投入臨床應用才剛剛開始，這主要得益于電磁場數值計算方法的發展和計算機硬件水平的提高。在微波頻率，近場成像用于人體胸部疾病檢測有三種方法：被動微波成像方法（Passive Microwave Imaging Methods）、微波與超聲混合成像方法（Hybrid MicrowaveAcoustic Imaging Methods）和主動微波成像方法（Active Microwave Imaging Methods）。

被動微波成像方法：用輻射計測量胸部組織內部溫度的變化。正常人體溫度分布具有一定的穩定性和對稱性。當人體某處產生或存在疾患時，局部血流和代謝會發生變化，導致局部溫度的改變，表現為溫度偏高或偏低。如美國CTI（Computerized Thermal Imaging Inc）公司的紅外成像技術，由加州大學伯克利分校的Bales Scientific實驗室開發生產的BCS2100乳癌診斷系統，其紅外成像裝置采集溫度變化信息并轉化為熱圖像，通過與正常狀態下熱圖像的對比，判斷溫度變化的性質，并進一步判斷機體的狀態，診斷疾病。據稱該儀器在常溫下可感知1mm2內0.02℃的溫差。該設備昂貴，美國本土50萬美元。

微波與超聲混合成像方法：用微波照射胸部，由于癌變組織的高導電性，腫瘤會吸收更多的能量，使其被加熱。于是腫瘤膨脹產生壓力波，該壓力波可以被超聲傳感器接收。圖像重建方法有兩種，即CTT(computed thermoacoustic tomography) 和STT(scanning thermoacoustic tomography)。CTT方法中胸部用434MHz的波導照射，0.5μs的醫用脈沖用于產生超聲波，超聲傳感器接收壓力波信號，圖像重建算法同于X-ray CT。STT 方法中目標被3GHz的微波源及波導天線的短脈沖照射，超聲傳感器記錄下脈沖通過物體后的超聲波信號，由于使用聚焦傳感器使圖像重建算法大為簡化。

主動微波成像方法：典型的微波成像方法就是解決逆散射問題，用幾個微波發射器照射物體，記錄下若干散射場。物體的形狀和介電常數的空間分布可以通過記錄的入射場及散射場而得到。在微波頻率，逆散射問題的解一般很難獲得，因為有很多因素都可以影響到散射場，如被測物體的維數、不連續性、各向異性等，被測的散射場與目標函數之間一般為非線性。如果測量整個身體，則難度更大。但如果僅為胸部檢測，還可實現。圖像重建算法包括傳統成像的迭代方法和聚焦成像的時移相加算法。

就目前而言，將主動微波近場成像用于乳腺癌的檢測，主要集中在三所高校，也代表了當前該領域的發展水平

美國新罕布什爾州的Dartmouth大學Thayer工程學院的Meaney等人長期致力于微波近場成像用于檢測乳腺癌的研究，并已經開發出相應的醫療臨床系統［6～8］。該系統工作頻率為300MHz～1.1GHz，由32個收發天線組成的天線陣獲得成像所需數據。計算方法采用有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）相結合，用牛頓迭代法解決非線性反射問題。測試時，被檢查的婦女俯臥在帶有一圓洞的檢測床上，使乳房由該圓洞垂下而浸在下面的容器內。容器內盛裝液體，該液體的介電特性及電導率與乳房組織的相近。天線陣也浸在液體內，這樣可以避免天線與乳房間的不匹配而產生的反射，見圖4。數據獲取系統有32通道，每一通道與天線陣中的一個天線相連。每一天線既用于發射又用于接收，通道間的隔離度為120dB。天線陣由單極子天線組成［18］，他們能夠有效地產生高質量的二維圖像。整個系統數據獲取時間為10～15分鐘，已經有5名志愿者接受該系統檢測［16］。獲取的數據送到IBM RS 6000-260工作站，20分鐘后可產生圖像。從獲得的圖像可以清楚的看出病變部位的介電常數和電導率在空間的分布。

1998年，美國WisconsinMadison大學電子與計算機工程系的Hagness 及其同事介紹了一種脈沖微波共焦系統，用于乳腺癌的檢測［19］。這種方法首先將主要用作軍事目的的雷達用于醫用電子學上，避免了復雜的非線性的反向散射場的計算，雖不能給出介電常數的具體數值，但能區別出由于介電常數的增加而使散射增加的區域。該系統首先用超寬帶的脈沖照射乳房，同一天線用于反向散射場的接收。該過程被天線陣中的每一個天線重復，最后通過時移相加算法得到所有位置的相應的脈沖響應之和。該算法能保證測試區內相關信號的迭加，而去除或減小非相干信號的影響，同樣的原理用于合成孔徑測地雷達系統。其最大優點就是如果能夠提供足夠的寬帶脈沖，就能夠獲得高分辨率的圖像?，F在已經從最初的二維［23］發展到三維［20］。天線放在仰臥的被檢測婦女的呈自然狀態的胸部之上，保證和皮膚間的阻抗匹配，減小皮膚的反射。采用結形阻抗加載天線，天線的尺寸已由最初的8cm［20］變得更?。?1］。計算過程采用時域差分法，能夠檢測到深達5cm的2mm的病變小腫瘤。

加拿大Victoria大學的Fear及其導師Stuchly創建了另一套共焦微波成像系統，雖然該系統在原理上沒有更大的改進，該系統更適合臨床應用［21～23］。它集成了前面討論的兩種方法的優點。讓被檢測的婦女俯躺在帶有圓洞的床上，乳房通過圓洞下垂，浸在溶液中，同Meaney的方法。由于天線同皮膚間的不匹配必然會引起強烈的反射，就會對信號處理產生影響。Fear使用小的阻抗加載WuKing偶極子天線，長度為2cm或1cm，浸在液體中，液體的介電性質分別同于皮膚或脂肪（即正常乳房組織），分別進行了實驗。單個天線可以靠乳房很近，但為避免天線間的偶合，每個天線間必須保持一定的距離，并通過順序開關來控制發射和接收測試脈沖。由于天線很小，這樣通過順序開關保證發射和接收脈沖的精度。天線陣可以旋轉和上下移動，保證獲得足夠的測試數據，數值計算過程采用時域差分方法。

國外乳腺癌微波檢測研究進展列在表1中。國內的相關研究開展的不多，但也偶有報道，如清華大學周小強等采用近紅外激光相位陣列檢測乳腺癌［24～25］；在清華大學2000年科技成果中展出了一種紅外光乳腺CT成像儀［26］。

4　微波熱療基理及其在乳腺癌治療上的應用

當微波照射人體時，不同劑量的射頻電磁能量產生的熱效應和非熱效應能引起不同的物理、化學和生理變化。產生熱效應的原因是由于人體內含有大量的水、離子和極性分子，當電磁能量進入人體時，體內帶電粒子（自由電子、離子）產生定向運動形成傳導電流；同時人體內電介質分子發生極化，產生位移電流。這兩種電流在人體內運動要引起電阻損耗和粘性損耗而產生熱量；人體內電介質的極化在電磁波頻率較高時還要產生弛豫損耗；由于人體是由多層電學特性不同的組織構成的，當電磁能量通過各組織界面時，部分能量將發生反射或折射，在人體內不同尺寸的界面還會產生顯著的散射。因此，在電磁能量的作用下，人體內的電子、離子及極性分子與周圍的大分子、離子頻繁碰撞而產生熱量，致使組織溫度升高，呈現熱效應。根據病理和生理檢查分析發現：癌瘤組織含水率高，于是癌瘤組織內血循環不良，其血流量只有健康組織的2%～5%，因而散熱性能不佳，使癌瘤組織的溫度比周圍健康組織的溫度一般高出5℃左右。由于癌瘤組織的耐熱性差，當溫度升高至41℃時，就可被殺死，而健康組織對42℃～45℃的高溫也安然無恙。因此，可利用微波熱效應來治療癌癥和腫瘤。另一方面，當入射人體的電磁能量很小時，人體內會發生一系列效應，這種效應稱為非熱效應。非熱效應主要用于功能調節和功能改善。

研究表明，不同頻率的電磁波對人體的效應是大不相同的，人體對不同頻率電磁波的吸收也是不相同的。人體單位體積內吸收的功率P為［27］

式中：ε為人體的介電常數，E為人體內電場強度，f為工作頻率。由（6）式可知：頻率越高，人體對電磁波功率的吸收越強。由于微波波長短，因此，對人體的醫療效果比高頻顯著得多。同時，還由于存在共振吸收效應使微波的熱效應有著奇異的醫療效果。微波熱療用照射器與人體的作用效果可以用比吸收率(SAR)來表征：

σ為人體組織電導率，ρ為人體組織密度，E為人體組織內的電場分布。根據美國食品和藥物管理局（FOA）的建議，合格的醫用微波照射器應該能在人體肌肉組織中產生235W/kg的比吸收率，而同時在離照射器口徑與人體組織接觸的界面5cm處，其微波泄漏功率不得超過10mW/cm2；同時在微波照射范圍內近場分布均勻，亦即SAR分布均勻，人體感覺舒適；照射器與人體接觸時應該與微波源有良好匹配。

國內有一些醫用微波照射器方面的報道，如圓環形微帶照射器［28］，橢圓環微帶照射器［29］和很多用于婦科病檢測的內置式的微波照射器［30］，而用于乳腺癌治療方面的報道寥寥無幾；國外有此方面的報道，如用相控陣激勵電磁信號達到穩態溫度場對病變乳腺進行微波熱療［31～32］等。

5　發展方向

綜上所述，我們有理由相信，乳腺癌的微波檢測與微波熱療是很有前途的一種方法，尤其是隨著電磁場數值計算方法的發展及高速度的計算機的問世，將為完善該系統鋪平道路。但也應看到，乳腺癌的微波檢測與微波熱療還有很多工作要做，比如在美國Dartmouth大學和加拿大Victoria大學的研究中必須將患者的乳房浸在匹配液體中，這必將給患者帶來不便；有關的醫學專家也對此提出疑問：這樣的一套系統，每次檢查完患者后都需要對匹配液體進行更換，對病床進行消毒，需要很長的附加時間，增加工作量，醫院和病人都很難接受，只能用于實驗室開展研究工作，不適合乳腺癌普查；WisconsinMadison大學的研究中使用的天線較大，不適合臨床應用；文獻［31］、［32］也需要匹配液體，且現階段也只停留在實驗室內能夠完成。

從上面的分析可以看到，單純的紅外成像檢測乳腺癌有其弊端，一方面成像質量很難保證，另一方面受醫生的主觀影響較大。單純的用微波對乳腺癌進行檢測和熱療的設備復雜，難于臨床實現，難于完成乳腺癌的普查任務。看來，綜合的方法可能是具有潛力的一種方法，除微波和超聲波的結合外，將微波和紅外結合也不失為一種好方法?？梢酝ㄟ^適當的天線或天線陣發射一定劑量的微波直接照射乳房，正常乳房組織和腫瘤組織在電磁波的照射下，吸收的程度不同，從而溫升不同。腫瘤組織含水高，吸收的能量多于正常的乳房組織，相對溫升高。在此基礎上進行紅外測量，得到的圖像相對容易識別，能夠達到高效、簡單、易行、方便、廉價的目的，適合乳腺癌的普查。在具體設計系統計算電磁場的逆散射方程時，由于其非線性和病態的本質，可以考慮用遺傳算法［33，34］或神經網絡［35，36］等方法更為方便。

我國乳腺癌的微波檢測和微波熱療方面的研究才剛剛開始，可能會遇到很多的問題。但隨著婦女地位的提高，以及國家的婦女政策，加之科研工作者的努力，這項有意的工作必將蓬勃發展。結合我國國情，這一項低風險低成本的檢測手段必將造福于廣大婦女，尤其對老少邊窮地區的醫療保健事業有重大意義。

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作者：田雨波　錢　鑒