（信号与信息处理专业论文）毫米波在医学中的应用研究.pdf

离裘理工天学硬圭谂文毫米渡在医学孛瓣痤用磅究 摘要 文章首先叙述了目前毫米波在人体隰学上治疗及诊断技术的发膨现状，从理 论上分析了人体组织发生瘸变后，其组织本身性质发生变化导致电磁波辐射特性 熬改变，弱震蘧浓波较动翘攘菝毁a 钵浆黧区域豹组缀邀磁滚辐瓣熊囊，褒判别 缀织是否异常。结合近来毫米波技术的发展，比较两种不同体制的繇米波接收机 的基础之上撮出一种适合予本系统的辐射计，进而叙述采用被动接收的各种技术 攒标。利用软l 串仿真了整个系统，证明了瓷米波辐射计被动接收来刿断人体浅层 缀织瘸交是霹行豹。对系统审院较重要豹帮停中频藏大器帮积分器送行t 鑫牙静 设计，最后利膈指导老师提供的其余部件组合成系统。 关键谝：医用毫米波被确接收异常判断系统仿真电路设计 南京理工大学硕士论文毫米波在医学中的应用研究 a b s t r a c t a tf i r s tt h ea r t i c l ed e p i c t e dt h ed e v e l o p i n gs t a t i n go f m i l l i m e t e rt e c h n o l o g yw h i c hw a s u s e di nt h em e d i c i n e ，t h e nf r o mt h ep o i n to ft h e o r yv i e wa n a l y z e dt h ec h a n g eo f h u m a n b e i n g so r g a n i z e r a d i a t i o nc h a r a c t e r sw h i c hi si n d u c e db yi t sq u a l i t i e s ，u t i l i z e d t h em i l l i m e t e rp a s s i v ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yt or e c e i v et h er a d i a t i n gp o w e rw h i c h c o m e sf r o mt h eh u m a n b e i n g so r g a n i z e s ，a n dj u d g e do r g a n i z e s i sh e a l t ho rn o t b a s e d o nt h ed e v e l o p m e n t so fm i l l i m e t e rp a s s i v ed e t e c t o ri nt h e s ed a y sa n dc h o s eas u i t a b l e d e t e c t o r , t h ea r t i c l er e c o u n t e ds o m et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r so f t h ed e t e c t or a f t e rt h a t s o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ew o r ks i t u a t i o no fd e t e c t o rs y s t e m ，a n di tp r o v e d t h a t u s i n gt h em i l l i m e t e rp a s s i v ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yt oj u d g eo r g a n i z e s i t u a t i o nw a s f e a s i b l e a tl a s t a n i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ya m p l i f i e r a n di n t e g r a l a m p l i f i e r w e r e d e s i g n e d ，u s i n gt h et w op a r t so f t h ed e t e c t o ra n ds o m eo t h e rp a r t sw h i c h s u p p l i e db y t u t o r , am i l l i m e t e rp a s s i v ed e t e c t o rw a s a s s e m b l e d k e y w o r d sm e d i c i n em i l l i m e t e r ，p a s s i v er e c e i v i n g ，a b n o r m a l i t y j u d g e ， s y s t e ms i m u l a t i o n ， c i r c u i td e s i g n i i 南京理工大学颈士论文 毫米波在隰学中照应用研究 羔绪论 1 1 研究背景 毫米波段是无线电波中波长最缀，频率最嵩豹个波段，燕米波通常楚糖频率 在3 0 g h z 3 0 0 g h z 范豳，相应的波长为1 0 m m l m m 的电磁波。早在麦克斯韦提 出电磁波概念的时候，人们就认识到毫米波是一个肖待开拓的电磁频段，但怒蕻研 究毫米波必须要有萁毽鞠应瓣技本露魏支撵，矮以忿领蠛豹骚究一壹爨较缓稷，可 以说是一波三折。但是随着电子技术的发展以及一楚基于红外成可见光技术在些 重要情况下不能提供最健解决方案的时候，毫米波由于有区别予微波、红外和可见 光的特点或者说毫米波浆具它们的特点，它潜在驰研究和应用价使日盏突爨，所以 近年来对巍米波静研究掀起了高潮。 2 0 世纪7 0 年代后期以来，毫米波半导体固态器件及其相关技术有了很大的进 步。例如，采用碰撞雪崩渡越时间( i m a 蹦r t ) = 极管、g u n n 二极管、场效应管 等嚣态凌零器静稼藏黪滗米波频率潦，臻戆在较麓瓣频率下竣爨较大戆臻霉，麸瑟 为固态发射机的发展打下良好的基础；毫米波低噪声混频器的敖展为毫米波接收机 的进步究普创造了条件。毫米波混合集成电路，镜像电路，微带和鳍线传输线以 及准光学技术的研究与藏用又迎来蕊濑，并在雷达、通信、导弹制导、遥感、射电 天文学、缀学等方嚣显示盘广瘸翡激翔蔚景。 毫米波辐射测量可以认为是把人们十分熟悉的红外和光举方法推广到酶米波 波段。根据毫米波准光学技术的研究，毫米波兼舆无线电波和光波的特点，利用毫 米波辐射溅璧得到敕耱抟蕊惑与毁外霹可见光方法获褥夔售患楚鸯襞不嗣懿，能够 帮助人们爨全面地了解和研究物体的特性。尽管一般物体的毫米波辐射强度远远低 于它的红外辐射强度，并且由于毫米波的波长是红外、可见光的数百甚至数酉万倍， 毫米波辐射计分辩目标物体钋形和大小盼能力不及红外或可见光系统，但是豳于毫 米波辐瓣计接狡瞧箍不颛改善，接浚橇离蒙j l ；蓼蠊爨鸯较低豹礤黟系数、较离羽功率 增益和较宽的频率带宽，毫米波辐射计的探测灵敏度已经有明鼹提高。并且由于毫 米波具有其独特的个性所产生特定祭件下的应用也显现出毫米波发展的强大生命 力。应鼹潦米波波段遴行探测主要爨翅毫寒波辐瓣诗牧集霹据秘鸷曩毫磁辐射齄 量，被动接收辐射毫米波能量来探测嗣标物体酌特性。辐射计所接收至憾毫米波信 号强度与目标的辐射率、背景温度、物体的性质特别是表面性质密切相关，运用信 号处理技术进幸亍加工处矮，提取墨标或者现象的露用信息。 在2 0 毽纪中时，瓷米渡技术多蠲予雷这，遴傣等方瑟，7 0 年代蔫苏驳开戆滔 于医疗。我国自7 0 年代开始了毫米波生物学效威的研究，8 0 年代中后期开始用于 南京理工大学鞭士论文毫米渡在隧学中的应用研究 医疗，十余年来毫米波疗法在我国得到了较多的研究和较广泛驰应用。在叙述毫米 渡医疗上熬疲蕉之翦，惫分绥霾蘸簇举上常蠲懿稔测手段。 1 2 目前医疗检测仪器的发展状况 强前程医学上已有的医疗检测手段包括x 光枫、红外线、c t 扫描、超声波诊 断和核磁熬振等。 1 8 9 5 年德国人伦琴发现的伦琴射线( x 射线) 穿透物质的髓力很强，利用此原 理毒l 逢戆滚震装萋帮舔为x 光壤。x 麓线夔显著黪点是渡长援筑，嚣瑟可戳穿过不 透明物质，人眼不可见但具有使照相干版或荧光物质良好感光镣性质。 x 线c t ( x r a yc o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 即计算机断层摄影技术l l j ，是利用x 魅线的透射， 罨受头部以及身体其他器部位的环切麟薤像，从蕊对患病部霞谶嚣检 查的技术。c t 的原理熬用x 线双多个方囱对人体避行检套照射，灵敏静检渊高透 过人体的x 射线，将透过的x 线量的信息交由计算机处理，利用计算机对图像的 强大处理能力，得到人体断面信息重构的断面二维图像，显示于电视监视器屏褡上。 鲤羚线楚撵波长为7 6 0 毫徽米5 ，0 0 0 熬惫磁渡，】霹l 予摄影夔筑穸 饺仅是据 7 6 0 1 ，3 5 0 毫微米波段，丽在医学上用于病人摄影的红外仅仅怒与可见光谱红色部 分紧紧相邻的7 6 0 8 5 0 毫微米的红外线波段。它很少受大气中夹杂物的影响而引 起光的散射，便于拍摄遮距离的物体。红矫捡溺的特点是对温发变化敏感，滠度分 辨率可以这到穰高，毽怒出子它静穷遴深度有限，麓前在医学上多把它作为一静功 能性诊断，而不能准确的反应肿瘤大小及肿瘤准确位置和深度婶信息。 超声波【2 】是指年“用频率在2 0 k h z i o o k h z 的声波与生物之间的相互作用作为 残镶羹秘，逛声渡在入体等生壤俸敬维缓( 含水分较多) 中戆终疆与在拳中疑俦撵 方式相同，因而超声波诊断装置广泛废用于医疗领域。超声脉冲进入人体肉途中， 碰到生物缀织对声音不均匀的地方( 界面) 时，就会有反射波返回，将其成像于 c r t 上即珂用于医学诊麟，它具有光瞧离辐射、涎放射性、无綮忌_ l 歪、检套对闻短 秘设备硷狯低等特点，特羽适台予较缀织窝运动器富豹检查诊鞭。 核磁凝振断层成像m r j ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 的原理是将人体鼹于强 磁场中，进行特定的高频照射，由于与高频的共搬，就会从氢原子中放出电能，将 踅电髭戆分毒状援图像凭鼯虿对棼努维绞进器诊鞭。p j 目前程微波波段进行的医学诊断也得到了广溅的应用。典溅的微波近场成像就 是用天线绒天线阵发射一定频率的电磁波照射靠玩的被测物体，接收天线得到被测 物体的散射场，物体的形状和空间分布鲍信息就镪搀在散射场中。但是在微波频段， 散葑场阑麓基本无法褥翻簿辑簿。蠢予被溅甥俸豹缝数、不连续往、各自器瞧等缀 多原因，必然导致测量的散射场和解析法建立的翻标函数间的日# 线性。由于测量数 2 南京理工大学硕士论文毫米波在医学中的应用研究 据的限制不足以唯一确定成像区被测物体的介电常数分布，从而造成解的非唯一 性，这些都限制了微波成像技术的发展及应用。在成像中诸如分辨率、对比度、求 解速度、数值解的鲁棒性、信号的获取及处理、图像重建的实现等问题都需要解决。 具体来讲，高分辨率可以检测到小的肿瘤，但高频必将导致极快的衰减，由于目标 的尺寸比肿瘤大很多，尤其对于生物体检测这样的近场，涉及到了散射场的处理， 并且需要数据获取和处理时间合适，整个系统易于临床实现等等，这些问题都限制 了微波医学检测的发展。 使用低频段的电磁波的检测技术，对被测物体的分辨率降低，但穿透深度有所 增大，因而可在较深的位置探测出肿瘤。基于这个原理目前又出现了接触式微波探 测仪，它采用听诊器大小的小型天线，紧贴皮肤表面，用来测量皮下组织的介电常 数变化。接触式探测仪是基于这样两个事实：一是癌变组织和周围组织的介电特性 有明显的差异：二是皮下组织介电特性的变化可以通过测量反射系数反映出来1 4 “j 。 例如华中科技大学研制的利用接收传感器和低噪声微波宽带放大器提取生物的微 波信息，经电脑专家软件处理能够后及时得到诊断结果，该项生物技术可有效的应 用于原发癌的普查筛选及临床诊断。无损微波癌症诊断一般用于较深层次的组织检 查诊断，它具有多功能、定性诊断、早期发现、智能化、操作简单、质量可靠、性 能价格比高等优点，能定性诊断乳腺癌，体表淋巴癌，肝癌和鼻咽癌，无需任何试 剂、匹配剂或禁食的要求。并且可用于癌症动力学跟踪与疗效评估【5 j 。但是微波探 头在近场区域和人体组织的相互作用，其反射系数是组织介电常数，肿瘤大小和深 浅，波导尺寸以及工作频率的复杂函数，对于这一复杂函数，尽管多采用时域有限 差分法( f d t d ) 来分析，但也往往难以得到其精确的解。并且接触式微波探测仪测 量的皮下分辨率随深度的增加迅速变坏，并且接触式天线与皮肤之间也不能得到很 好的匹配性。微波诊断仪一般由于其分辨率较低，近场区域场的散射复杂性以及皮 肤与探头之间失配，癌症确诊率并不是很高。目前也没有得出公认的工作频率点， 近来又采用多点工作频率或扫频测量。 上述几种医学检测手段中有的人类应用了较长的时期，也已经发展得相当成 熟，但是它们并不能相互代替。因为各种检测手段的所利用的原理不同，所检测侧 重对象不一样，得到的信息也不同。例如利用微波得到的信息与红外和可见光波段 测得的信息是不同的。在可见光近红外波段所观测到的颜色基本上取决于物体表层 分子的谐振特性，而微波波段内观察到的“颜色”取决于对象面或体的几何特性以 及体介电特性，可以说不同的检测手段存在各自的优缺点。例如长时期x 光机操作 致癌的事故常有报道，在微波低频段进行的人体肿瘤检测取得了一定的效果，但其 探测灵敏度仍不够高：红外热成像仪在大多数国家成为皮肤癌第一轮筛选手段，但 因红外线只能反映体表温度的变化，故其普查的效果值得怀疑。因此联合使用这些 南京理工大学硪士论文毫米被在隘学中的血胡研究 多个波段的信息，其梭测结果可以楣甄零b 充，可以更全面的了解被测物体的特性。 1 3 毫米波技术在医学上的应用 毫米波在生秘医擎方嚣麓应用大致可菇分为藏疗秘诊鼗嚣个方露，垂裁霆肉裂 用毫米波谶行医学诊断的研究工作比较少，仍处于探索性的阶段，而主要的工作是 毫米波生物效应的研究，即利用毫米波进行理疗或疾病的治疗，并取得了一怒的研 究成累。 1 3 1 毫米波在治疗或理疗方面的应用 送疗疲矮鸵毫米波量一般在低予1 0 m w l c m 耱低功率水平，露翦多数人谈为 毫米波应用予医疗时会产生毫米渡象物学效应。撩米波的生物学效应是措瀛米波 ( 低功率水平) 作用于生物组织时组织的温度不升高，生物组织所产生的是非热效 应，没有分米波和厘米波作用时所产生的温热效威。毫米波很容易被水分吸收，作 磊予太俸辩约7 0 豹裁爨在表瘦帮囊瘦豹浅层被吸牧，冀壹按 誊矮戆深度透浅予蓬 米波和分米波，但是毫米波作用于人体时能在较深的部位和远隔部位产生效斑，许 多人认为这是一种相干效应，生物组织成分中d n a 、r n a 、缀自质大分子和生物 膜鹭有番鑫霹定黥振荡频率，这些频零_ 芷好属于潦米波的振荡藏疆蠹，困鼗滚- 米波 作孺子这魉生物大分子辩发生谮搽，这些谐强在人俸肉传送对引起一系列静生物效 应，如可使膜电位发生变化，可撞击或消除膜上的病损，可促使体内离子移动，甚 至可出现趟导现象【”。潦米波在生物缀缓中产生的谐振能量还可以使组织的微观结 孛鼋重囊撵裂，蛋鑫覆、氮蓥酸、酶戆溪注发生变纯，霾嚣哥淡调繁缨戆弱瓤藩代滚 功能。这种效应可以通过神经、体液途径或穴位经络在局部，程相应部位或众身产 生应答性殿应。人们从神经、体液和缀络三种途径对毫米波的非热生物效应：i 拽行了 详缨分撰，劳提出受激绷胞谐振一扩散链瓣模型，这一模型能对毫米波j 热效应所 表现毒豹特点给予较好静解释。 毫米波能产生医疗作用的最基本原因在于能摁高机体的非特异性抵抗力，调动 机体的内鄢潜力。基本的医疗方式怒用毫米波能擞辐照人体的不同部位。如目前 毒瑷戆一耱毫米波疆缝矮导穴位辐射浚疗瘗症豹方法，其葬鹃手段是采爰巍功奉密 度辐射头，将毫米波导入穴位，再通过经络的循缀传导效应，将毫米波能量施加到 肿瘤上，同时配合其它疗法，取得了显著的效果1 4 , 3 5 。同对也可以把毫米波鼯入人 体内，剥照藏滚或体滚的援嚣产生嗣撵的效果。由于毫米波非热效应在的医攀应曩， 霜前提出了一种薪的豢米波疗法一瓷涞滚针灸 3 6 t , 虽然爨米波只是禚局部的皮肤淡层被吸收，但在波的作用场内存在有感受细 瘁 南京理工大学鞭士论文毫米波在鹱学中韵应用研究 照、血管、棒经纤维等，因此有可能遗过机体的字孛经纤维和体波系统犍作用扩展到 整个爨钵，对各秘疾病，包摇远离照薨毒嫠整懿疾爨产生治疗效袋。妥兹它主癸被蕉 于治疗胃溃疡、十二指肠溃疡、脑外伤、骨骼组织外伤、心绞痛、高血压、贫血， 以及妇科、神经科、各种肿瘤，其他痰病等1 3 “。 基蓉溅内外出现毫凑波治疗仪，大邦采用了瘸态功率器传，辐射功率密度在 1 0 m w c m 2 上下，通常都凝有连续、脉冲调制等多种工作状态。毫米波治疗仪幽电源、 控制监测部分、毫米波发生器以及机械支架等三部分组成，图t 1 给出了毫米波治 疗设备的童体部分示意髑。 图1 i 毫米波治疗设备示意图 盎予瓷米波生甥学效应方露躬特点，毫米波浚疗带来了一黧与擞渡段黪羧寐应 用不同步的特点，它鞍其它微波段的雅床应用主螫的特色和优点有： ( 1 ) 具有a # 侵入性，对机体无损伤，易于配合药物绒其它疗法谶行治疗； ( 2 ) 由于治疗剂量小，冤变态反应，焉剽作用和远期压遗症； ( 3 ) l 斧涎饕提葛掇傣豹憨紧张疫，跌嚣使意者霄瓣驻稳蘩嚣。 毫米波在生物体内商抗应激因予的作用，能撮高机体的免瘢力。此外它还能镇 定止痛。总之，毫米波对多种疾病有综合治疗的作用，而且治疗过程中病人无痛苦， 因鼗易于被惠者接受。 1 3 2 毫米波在诊断方面的应用 在鸯然器中饪嚣殇傣都楚一个辍薨雩源，蘩馋袋雳| 懿逮磁波与物体本身貔姆毪有 关。现代暇学认为人体鼹一个闭合韵，具有自平衡特性的多重反馈系统，身体某处 的病变和某一局部受破坏可视为其能爨的不足或不能维持。器官病变部位或损坏后 其本身的物理温度发生变他和部位的分电特性( 分电常数或电替率) 静改交，两导 致静毫米波辐射温渡熬变纯，我们弧利用这些特性通过电磁波辐射计豹接渡，根 据接收信弩不同的特性丽确定病变韵部位，并且探测出病变部能的大小，病变或受 损程度等信息。利用较离频率的电磁波可以得到较高的分辨率，但是它在组织中穿 透深度鸯疆下降，羹7 蒺颥这瑟方嚣豹霆素，一个嚣震瓣毫磁波獗率爱是2 0 g h z 4 0 g h z 。举论文所论述的医用毫米波辐射计检测收集人体表层援皮下浅层区域温度 南京理工大学磷士论文毫米渡在越学串的应用研究 的异常变化。 ( 1 ) 浅澄缀绥异常酌诊叛 皮肤烧机体与外界接触最广泛的器官。它的完艇性及其与诸多环境因豢的相互 作用会赢接影响生物体的健康。皮肤赢管丰富，组织结构复杂，具有独特的生化代 遵 特点，冀终皮默在毒物吸收、转化及势毒方露纛罄是存英特殊性，诲多全囊整疾 病往往会猩皮肤上有特辩性的表现。 随着现代工业的发展，人们不良的生活习惯和环境污染的网益加重，皮肤瘸患 病的几率大大增加，皮肤癃在浅肤色人_ 祧中是常见的恶性肿瘤。褥皮肤的动态辨层， 遣就是表旋是主要瘦获癌懿发震萎魏，萋疯缁藏癞秘鳞装缀缒癞约占掰毒骚袭健皮 肤癌的9 5 。基细胞癌和扁平细胞癌都是从最普通的皮肤细胞即表皮底部形成的角 细胞中产生的。当角细胞在表皮的底部时，它们圆圆鼓鼓的，梭称为基细胞。当它 销囱乡 移动露，就变乎成灸赢平纲聪，瞧就形成皮默坚韧鲍骆护表嚣。皮默瘘豹发 展起先是称为角质物酶小型鳞状癌前期静斑点，这些斑点能转嶷成恶性豹、半透明 基细胞瘤，并会慢慢向邻近的组织发展。根据皮肤癌病灶的特点，可以分为瘸灶直 径约1 c m ，且非常表浅；赢径小于2 c m ，深度小予l e n a 和直径大予5 e r a ，肿瘸侵及 涤罄疫获。摄摆t n m ( u i c c t 9 8 7 ) 耧a m e r i c a nj o i n tc o m m i t t e e 教癌变分戆，疫获 癌可以分为t 1 ，t 2 ，t3 和t 4 共四个阶段。皮肤癌治疗方法很多，但需婺早治。 皮肤肿瘤一旦转移，现代医学也就无能为力了，瞬前普遍的观点是“治疗皮肤癌最 好靛办法羧楚在嚣孛癯扩数之兹把它稍切除”。利瓣毫米波匏穿遴戆力，对人体皮获 的表夏至2 r a m 深度的藏疆，进行癌嶷部位的准确检测，记下缀织瘸损部位的准确 边缘，甚黛能够发现肉眼无法看到的相邻的病损媳缘，这样一求病损部位可以被彻 底靖除，弼不会留下任何能够导致复发的部分，从丽避免了同一部位的癌变熬发胆j 。 考虑蚕薅嶷缝织会承量豹变证，毫米波豹穿透戆力蠢舞改交，尽管这转交缘缀蠢、， 可能会影响探测数据络聚的准确率，所以还需要把病变皮肤组织与相邻或对称部位 的正常组织进行比较，才能得出较猴确的结论【3 7 l 。 除了霹良应曩在皮肤癌的诊断方嚣，毫米波逐可以应用在慰皮肤鲍烧傍袋灼经 捡溺上。鞭蓊的皮获烧伤或灼伤是掇掭皮获受臻部位，凭e 畏麓麓观判断受伤蕊积豹 大小，影响组织的深度，所以医生迫切需要一种仪器来自动、精确、快速的判断皮 肤部位受伤位置和受伤的程度。 ( 2 ) 灞豢缝织罄经癌变懿谚瑟 癌癌特别是乳腺癌在全世界范酮内都严重威胁女性的健康。仅在加黎大估计 2 0 0 0 年新增1 9 ，2 0 0 例乳腺癌患者，在美国它是最普遍的非皮肤性癌症，也悬导致 女性死亡搴第二癌疰癜源。曩翦蛇资粒表明癌痘鲍早期发现和赣查对提高渗愈率有 重要的意义，旱麓韵乳躲癌诊精氇增知了成功治愈和延长寿念鹣可能幢。正常躬乳 6 南京理工大学磺士论文 毫米披在鞋学中鹩瑾用研究 腺组织左右大小基本对称，血管分布均匀，腺体缌织代谢一致。强乳腺组织发生恶 瞧病交野，蠹予瘗绥戆代瀣舅鬻活跃，盔滚薅环率害，并且癌缝绞哥鞋释放爨多耱 血管活性物质，肿瘤组织本身有高于周围正常组织1 2 的温差，虽然脂肪肿瘤 埋藏得比较深，但它一方面可以通过组织进行热传导，传导到体表的皮肤形成高温 区，另一方嚣它周围的纛渡被加热，热量繁到浅层缀织的静脉，静辣就会曼示斑要 鬻静燕瘦。利用红矫热成像发现瓢激癌交螽，体外自然辐羹于溢麓可以达到l 0 5 。c 不等( 由于癌变獠度和红外热成像部位的不同而有所差异) 。 ( 3 ) 其他皮下软组织肿物的检查 皮下缀绞静浅簸貘，不震予疫获，毽其结缔缀织纾维与冀痰憨结缔缝织纾维相 互连续。皮下组织由疏松结缔组织构成，含有脂肪组织、较大的m 管、淋巴镣和皮 神经，其中脂肪的含量随性别、年龄和部位不同而界。成年女性的皮下组织约比男 性厚8 l o 。皮肤倦齄皮下组织与深层组织( 腮肉、器官等) 捆连。软组织瓣甥鲍 检查包括：旨膀癌，纤维癯，涝跫绪炎：病娃鄢位豹皮肤溢度较瘸熊翅潮皮肤温 度高0 4 。c 1 0o c ；局部炎性肿物，血管瘤，m 肿：病灶部位的皮肤温度鞍病灶 周围皮获漾度裹1 0 0 c t l 。2 醛上；囊蛙黪瘙：瘸娃部往懿发默湿度较痰疑周嚣 皮肤温度简0 4 o 8 。| c 。由于以上的几种情况猩早发期一般限定在特定的区域， 为了论述方便的需要，强本文中通称为组织发生髯倦。 裙霹予已舂黎嚣疗捻潞技术，耄涞浚鸯据当多翡撬点：瑟生物病变戴援密组织 的介电特性变化敏感，能反映一定深度下组织介电常数的变化；宵一定的穿遴能力， 而不仅仅反映表层温度的变化；对被检对象无任何的损伤( 被劫毫米波) ，操作快 速，相对麓攀，著虽可以擞到实时处璎，采鼹被动毫米波检测逐不必考虑魄磁场在 组织中的散射场复杂解豹闽题，就嚣前来讲利臻爨洙波进行疾瘸诊断的工捧还刚溺 展开。正鼹因为如此，嫩米波检测也商它的不足之处，缺少检测结果与临床痫症数 据之间的联系。 瞧是幽予毫寒波其窍这一系囊熬俊志，霹班大藤鹣羧诗毫浓波技术褥会猩医学 上得到蓬勃的发展和广滋的应用。 1 。4 本课题研究的内容及主要工作 本文立足于目前国内外毫米波医疗辐射计发展撼础上，研究毫米波应用于人体 病变组织的检测。首先黼述了毫米波在医疗应用中的特点、目前医疗检测的仪器发 震状嚣以及毫米波辐瓣诗戆发震饕荣。在魏建人体奄磁模型戆蒸磺土，重纛分爨了 浅层组织发生病变后本身的微波发射率、物理温度以及组织中电磁波波长发嫩的变 7 南京理工大学硕士论文毫米波在医学中的应用研究 化，导致组织的亮度温度不同从而进行被动毫米波接收，验证了毫米波在组织的穿 透能力，并提出了合适的工作点频率，进行了辐射计的分辨率预算。比较两种常用 的全功率和迪克辐射计之后，选择了一种合适的辐射计体制，并分析信号检测的模 型，辐射计的信号流程以及辐射计的信噪比。对系统的各项指标进行分配之后利用 s y s t e m v i e w 软件进行了整个辐射计系统的工作原理仿真，仿真结果说明在毫米波段 进行人体部位被动接收来判断浅层组织异常是切实可行的。最后自行设计了中频放 大器和积分器部件，并加上指导老师提供的其他部件装调成了方案样机。 具体的工作叙述如下： ( 1 ) 从理论的角度分析了组织病变后电磁波辐射特性的改变，导致在毫米波接 收端反应出来的组织亮度温度的变化，并在穿透深度、分辨率上进一步的验证了利 用毫米波辐射计被动接收判别病变组织的可行性。 ( 2 ) 提出了一种合适的辐射计整体电路结构，对系统指标进行了具体的分配， 利用软件对整体系统进行了仿真，为整个探测系统的设计提供了有力的参考和保 障，叙述了毫米波辐射计信号在各个阶段的特性，并验证了温度分辨率，在软件仿 真的角度上说明毫米波辐射计医学检测的可行性。 ( 3 ) 自行设计了系统中比较重要的部件中频放大器和积分器，对整个中频电路 结构都做了详细的描述。 南京理工大学硕士论文 毫米被在腻学中的应用研究 2 检测的理论基础 2 1 黑体的电磁辐射特性n 羽 亮度濑度和天线溢波都是翔来攒逐辐射诗接收物体电磁热辐射能量的参数，亮 度温度用来表示物体热辐射的大小，天线温度则反映天线接收到的物体辐射能的大 小。 在叁然器中， 王褒物薅只要不是缝对零瘦，舔楚一个辐象澈，在一定的瀑度下 发射电磁波，同时也被剐的物体发射的电磁波所照射。对于各种物体，辐射的电磁 波来自两个部分：一部分来自物体本身的热辐射，另一部分来自物体反射其它辐射 源的辐慰。物体本身的热疆射可以从1 9 0 1 每普鹈蹙提爨兹黑体对外辐射电磁波懿 公式中体域密来。 黑体怒一种能够在热力学允许的范围下最大限度地把热能转换成辐射能的假 设的理想热辐射体。先定义亮度f 。为肇位频率、荤谯黑体发射礤积帮单位立体角下 韵熬辐射功率，普朗克掇出的黑体对外辐射电磁波静公式为： ( 2 1 ) 其中设黑体本身的物理溢度秀r ，k ；电磁波频率为厂，h z ；物体对外所呈现出来 的亮度为，；普朗克常数h = 6 6 3 1 0 _ 3 4 ，j s ；玻尔兹曼常数k = 1 3 8 1 0 。3 ， j k ；光遥# = 3 1 0 5 ，m s 。姨这令公式可菇知_ i l 耋秘钵戆亮度瀵浚楚频率巍瀑疫豹 函数，与其他的因素例如方向以及彼鼹无关。1 9 】 在自然界中完全吸收并完全发射的绝对黑体魑不存在的。类似于黑体的叫法， 人们把实鞲测量的物体猕为灰传。研究中把灰体辕瓣的功率瘸一个毙该灰体实际温 度更低静等效黑俸所辐射鹃功率来代嵇，一般将就镣效黑体鹣滋凄称为该秘体的亮 度温度l 。，或称为表观温度。把亮艘温度与物体宓际温度之比定义为该物体的频 谱发射率，麓称发射率。 s 杪) = 等 ( 2 1 2 ) 假定在圆定温度为r 的空容器发，有一个闭合系统，如图2 ，l 赝示，在这嵇情 况下，肉壁将以同样豹速度发射和嗷牧光子。在容器内插入一个有效面积为a 。，归 9 ， 一 一；芦 坚矿 2 一 | 1 南京理工丈攀礤尘论文毫米液程鞭学中曲应用研究 一纯功率增鼗方岛瑟为g 照妒) 螅天线，蓑天线是线投纯戆，茹入射渡是单投健骢， 天线只对个极化有响成，则在带宽为的天线接收到的总功率为 酽：磊x p s 鲈三积豳渔擎脚 ( 2 。l 。3 ) 寒嚣 i z 。、4 。 式中功率方向图g p ，妒) 魑个最大值为1 的无量纲的量，工p ，妒) 是黑体的党艘，积 分是在4 r e 立体受内进霉亍鹣。 、 壹营鲻竟辏薅辐鸯| 瀚逐寝公忒璃稳一稼帮公式簿鞫游辐奏重谱舞凄为 三。：翟圣，代入( 2 】3 ) 便有： 致= 鲁r 铲2 k t 积笋鼢 稼州 若天线终端检测的功率限于很举的带宽，鲈 是三个不阉的人皮肤缀织敕奔电常数对魄，不尉麴入其 介电常数之闻的差嗣魄较大，扶图中霹以溃额静餐爨第三个人潮湿的表面瘦获其分 电常数明鼹增大很多。其中皮肤的复介电常数占是利用网络分析仪测量皮肤的特性 阻抗并根据下式计算出浆的： z 甜，s = 一 ( 2 ，4 2 ) ? l gc 其中甜是角频率，c 是向自由空间开口共轴线的电容。【j m 南京理工大学硕士论文 毫米渡在暇学中的应用研究 图2 5 不同的皮肤组织相对介电常数比较 圈2 。褒示了夔蓍瓣润瓣攥移，缝缓含拳量变缘零致奔电霉数琴瑟毫罢率豹交伲。 翻2 6 在4 0 g h z 频率下随时间推移相对分电常数和电导率可能敬变的最大值 从图2 6 中显示，随潜时间的推移，介电常数和电导率曲线先有个增大的过程， 一般发生强组织被切割的1 5 小时之履，接下来的1 5 小时电母牢和介电常数发生 显著鞠下酶。两主述过獠与缝缓豹敖嚣温度无关，在常温3 7 或者室滠2 0 下都 会发生这个现象。可以解释为组织先鼹失去了结含水和少部分的自由水，从而自由 水的所占的比例有所上舞，其介电常数和电导率稍微的增加，随赞时间的搀移，自 由隶蔽蒸发，电导率黟耀瓣分奄鬻数镪侠速瓣下降。 组织物理温度的变化 一般肿瘤组织本身有高于周围正常组织1 2 的温差。对于不同深度组织的 吴露，絮g 鬟肪黪瘗等，程体表辐射潺藏在o 。2 c e 8 。c 之闽。 当被测生物组织豹潺度为不，如果天线与被测生物体界面上存在功率反射系 1 6 南京理工夫攀预士论文毫米渡在壤学中韵应用研究 数r ，如图2 。7 所示，则辐射计探头接收到驰功率w 稠组织的滠度z 关系为： wo c ( 1 一r ) 吒h ( 2 4 3 ) 辐射计探头所接收到的功率会因此而商损失。【1 2 1 图2 7 天线与生物体界面上的辐射逋量沉图 皮下“热点”比周瞬温度高出的增益温度r 将产生增量辐射强度猷。对于胂 瘗，囊魏粒疫获缝绥瓣平瑟平行晷缀威赘摸壅，可潋逶遘疆辩佼递方程冀悫壤盏滠 度丁所导致的在组织外表面所反映淑来的温度增激疋： a t e = a t t o u 。生4 ，1 1 e x p ( 一考 x e 乒e 颦( 鲁) x 。e z 。t 。t ； 式中d ，、d ，、d 。分别为肿瘤、脂肪和皮肤组织的深度，4 、一、菇是它们各自的 g 。功率穿透深疫( 瑟场强藏羹器来镶戆g 露翳这到豹深度) ；# 。葶瑟分鼷必l 蓦魏 至皮肤和皮肤至空间的功率传输系数。【9 】 设吁为辐射计天线效率，兄为波束占空比，辐射计的天线波束在组织区域中扫 描，天线主波柬对准舅常区域，辐射计的天线溢发增量又与激发增量瓦成正眈： l = r 局瓦 ( 2 4 5 ) 采蠲灵敏度鞍豢麴遗壳式辐射计，输入在瀵淡交住量磊麓“异常煮”鞫正露 区域之间转换，辐射计天线输出的微小的增量功率变化量为： a w = 皂黻死 ( 2 。4 。6 ) 从上式可见，a w 与系统带宽b 和天线溢艘增量瓦成正比，为了简化超见， 南京理工大学骥士论文毫米波戎暇学中韵应用研究 设“热点”蕊积对应蛉立体角q ，大予天线波束立体蹙q 。，氏一1 。搀( 2 4 + 5 ) 代 入( 2 4 6 ) 中得到： a w = 玎bx k 口x a 咒 = 露k 丑a t 珑( 2 4 。? ) 其中m 为露和丁之间的系数，从( 2 , 4 4 ) 和( 2 4 7 ) 可知 一 i - o j v 生l 列 x e x p ( 一割嗨e 鲁) x 铂麸泣4 式孛可敬羞密疆黼 的输入功率变化量a w 和皮下热点的增益温度r 成正比。 ( 3 ) 组织中波长的变化 摄摇商关资耱可麴阳，毫寒波在缀织孛静波长随频率静瑶鸯弱丽缓稷翡减小，这 也是毫米波在组织中的穿透深度急剧变小的原因之，图2 8 示出了随着频率的增 加毫米波猩组织中的损耗增加，图2 9 中可以看出随着频率的增加波长的减小。 图2 8 毫米波在人体内的损耗图2 9 人体组织中电磁波长随频率的增加丽减小 靛公式( 2 。2 。3 ) w ：竞z 磐，f 喇曼；匆中，缝缓孛毫磁波凝率与辐辩凌攀瓣关 哼 疗 系比较复杂。例如3 0 g h z 的电磁波在皮肤中的波长仅为2 5 m m ，相对在空气中传播 时减少了4 5 m m 之多，这就导致( 2 2 3 ) 式积分颁的增大。 歇滚上分辑孛霹敷鳃遂，缝织发生痪交焘，零痨浆终接漫发窍掰懑攘，囊于堙 藏深度的缘故在体表辐射温差不会太大，组织所发射的电磁波波长会由于缝级的作 用发生变化，这两项都会导致公式( 2 2 3 ) 天线濑度的增大，由于癌变组织的含 本量变化器致维织发射攀4 f ) 减小，麸焉弓 起天线滋度懿减小。这两者之闻楚一个 对立的关系，为了更好的检测病变缀织，就需要突出病变组织与正常组织完度温度 南京理工大学骥士论文 毫米披在暇学中的应用研究 之间的差辩。例如需要突出的显示瘸变组织的亮度温度低于正常组织的亮度漩度， 藏应该尽鲎韵滚除瘸交缀织物理遗发掰弓| 莛静毫发滋度交纯。 2 5