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-120dB,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UWBMicrowaveImagingforEarlyDetectionofBreastCancerSHAOWen2yi,ZHOUBei2bei,WANGGang(UWBResearchInstitute,SchoolofComputerScienceandTelecommunicationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:Anultra2wideband(UWB)microwaveimagingschemewithseparatedtransmittingandreceivingantennaswasinvestigatedbyusingfinitedifferencetimedomainmethod(FDTD).Theuseofseparatedtransmittingandreceivingan2tennasallowstoavoidthecriticalrequirmentforthereflectionoftheantennaterminal,asrequiredinthesystemwithduplexUWBantenna.Imagingresultsbyusingtheconfocalimagingalgorithmdemonstratethefeasibilityoftheschemeinthedetec2tionofearlybreastcancerofradiussmallerthan10mm.Keywords:Microwaveimaging,Earlybreastcancer,Ultra2wideband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(X2mammography),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(MRI)、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εr约为9,电导率σ约为0.4s/m,而肿瘤在该频率下的εr约为50,电导第21卷第3期2005年6月微波学报JOURNALOFMICROWAVESVol.21No.3Jun.20053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5cm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5cm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,Taflove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Florida大学联合开发...
