（电路与系统专业论文）微波近场乳腺癌探测数据处理与图像甄别.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo fs c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y u n i v i d ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 3 6 s i g n a lp r o c e s s i n ga n di m a g ed i s c r i m i n a t i o no fb r e a s t c a n c e rd e t e c t i o nd a t au n d e rn e a r - f i e l dm i c r o w a v es o u n d i n g d e p a r t m e n t ：e l e c t r o n i cs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a j o r ： c i r c u i t sa n ds y s t e m s r e s e a r c hd i r e c t i o n ：s i g n a li n t e g r i t ya n di m a g ep r o c e s s i n g a d v i s o r ： p r 0 cy r a 0m e n m a s t e rc a n d i d a t e ：d o n gx i a c h e n m a y 2 0 11 6m1 州6m 2 0m 9iiiii帆y 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文微波近场乳腺癌探测数据处理与图像甄 别，是在华东师范大学攻读碗厶博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：二逊 日期：沙，f 年月卅日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 微波近场乳腺癌探测数据处理与图像甄别系本人在华东师范大学攻读学 位期间在导师指导下完成的硫左博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果 归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论 文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的 印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅； 同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将 学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论 文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 木，于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) ，2 不保密，适用上述授权。 导师签畿钮 过少ii b i 本人签名薹夏殷本人签名兰终丛 劢r f 年r 月幻日 奉“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此卢明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 董夏晨硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 李明教授华东师范大学主席 石艳玲教授华东师范大学 黄昶副教授华东师范大学 本文受上海市科技发展基金基础研究项目资助 项目名称：乳腺癌超短脉冲( 微波) 近场成像方法和早期乳 腺癌诊断方法研究 项目编号：0 8 j c l 4 0 9 2 0 0 摘要 摘要 乳腺癌( b r e a s tt u m o r ) 是女性最高发的恶性肿瘤之一，严重危害女性的身 体健康。在乳腺癌发病率不断上升的趋势下，早期诊断对提高治疗的成功率的重 要性越来越显著。早期乳腺肿瘤成像技术已成为当前国内外医疗影像界研究的一 个焦点。临床常用的乳腺早期检测方法一乳腺x 射线和超声影像等方法，灵 敏性、安全性、舒适性等方面存在缺陷，微波近场成像技术作为一种新兴、无创 的检测技术，因能提供丰富的功能信息而越来越引起人们的关注。 微波近场成像技术通过微波照射乳房，获得目标组织回波，然后通过分析回 波的特性进行成像。微波近场检测乳腺肿瘤的物理基础乳腺癌组织和正常乳 腺组织的介电常数的差异。微波近场乳腺肿瘤检测具有电磁信号辐射能量低、目 标信息携载量大等优点，能提供毫米级、高分辨率的目标定位精度。 本文首先综述了常用的乳腺癌检测方法，适时提出了微波近场乳腺癌成像方 法及它的优势。介绍了微波近场下乳腺癌感知系统的架构，回波的获取方法，以 及在噪声干扰背景下信号处理的方法。 在此基础上，阐述了反演成像的原理与算法以及如何对乳腺癌进行快速检 验。还对于采集的数据点分布给出了说明。 文中详细介绍了微波近场乳腺癌探测数据终端这一成像平台。作为一个成像 界面所具备的各项实用功能和操作步骤。使用户能够对输入的时域信号进行 h i l b e r - h u a n g 变换、动力学反演计算以及切片图像输出等操作，并且能从图像中 提取到重要病理信息。 通过病例的成像结果表明：运用微波近场乳腺癌探测终端能够准确发现可疑 的病灶点。根据肿瘤组织的介电常数不同和病情发展的严重性高低，对应颜色分 级成像。同时根据图像的征象对肿瘤是良性还是恶性有个预判。 关键词：微波近场检测反演成像乳腺癌探测数据处理终端 华东师范大学硕上学位论文 a b s t r a c t b r e a s tt u m o ri so n eo ft h em o s tc o m m o nc a n c e r so fw o m e nn o w a d a y s ，a n dd o e s s e r i o u sh a r mt oh e a l t h a st h ei n c i d e n c eo fb r e a s tc a n c e rr i s e sc o n t i n u o u s l y , e a r l y d i a g n o s i so fb r e a s tt u m o rb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i tw i l lg r e a t l ye n h a n c e t h es u c c e s so ft h e r a p y t h e r e f o r e ，e a r l yb r e a s tt u n l o rd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na l l i n t e r n a t i o n a lh i g h l i g h to fm e d i c a li m a g i n gs c i e n c e t r a d i t i o n a lx - r a ym a m m o g r a p h y a n du l t r a s o n i ch a v es h o w ns o m ed e f i c i e n c i e si n s e n s i t i v i t y , s e c u r i t y a n d c o m f o r t a b l e n e s s a san e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，m i c r o w a v en e a r - f i e l dd e t e c t i o n h a sa t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o nf o rp r o v i d i n gs u f f i c i e n tf u n c t i o n a li n f o r m a t i o n m i c r o w a v en e a r - f i e l d b r e a s tt u m o rd e t e c t i o ni m p l e m e n t e db yt r a n s m i t t i n g m i c r o w a v ep u l s et ot h eb r e a s tt i s s u ea n da c q u i r i n gt a r g e tb a c kw a v e t h ei m a g i n gi s o b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a c kw a v e m i c r o w a v en e a r - f i e l db r e a s t t u m o rd e t e c t i o nr e l i e so nd i f f e r e n c e si ne l e c t r i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nm a l i g n a n ta n d f a t t yt i s s u e s t h et e c h n o l o g yh a ss u c hf o l l o w i n ge x c e l l e n tf e a t u r e s ：l o wr a d i a t i o n e n e r g yo fe l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l ，al a r g ea m o u n to fo b j e c t i v ec a r t i e ri n f o r m a t i o n ，a n d h i g hr e s o l u t i o na n dm i l l i m e t e rl e v e la c c u r a t el o c a t i o n t h i st h e s i si sap a r to fd e v e l o p m e n tf u n do fs h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g y k e yp r o j e c to fb a s i cr e s e a | c b “b r e a s tt u m o rm i c r o w a v en e a r - f i e l di m a g i n ga n d e a r l yd i a g n o s i so f b r e a s tc a n c e r ( p r o j e c tn u m b e r ：0 8 j c14 0 9 2 0 0 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o m l t l o nb r e a s tc a n c e r m e t h o d sa r er e v i e w e d w ep r o p o s et h em e t h o do fb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o nu n d e r m i c r o w a v en e a r - f i e l ds o u n d i n ge n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e rb r a t u m a s s ss t r u c t u r e ( b r e a s tt u m o rs e n s o rs y s t e m ) ，t h ep r i n c i p l eo fd e t e c t i o ns p a c ep a r t i t i o n ，b a c k - w a v e a c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gu n d e rs t r o n gn o i s eb a c k g r o u n da r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n to r i e n t a t i o n ，t h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo fi n v e r s i o n i m a g i n g ，t h ed i s t r i b u t i o no fs a m p l i n gp o i n t sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e so u tt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei m a g i n gp l a t f o r mf o rb r e a s t c a n c e rd e t e c t i o nd a t au n d e rn e a r f i e l dm i c r o w a v es o u n d i n g a l lm o d u l ef u n c t i o n so f t h es o f t w a r ea n do p e r a t i o ns t e p sa r ei n t r o d u c e dc o n c r e t e l y c a r r y i n go u th i l b e r - h u a n g t r a n s f o r m a t i o nt oe x t r a c ta l li n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fs i g n a l ，a n ds e tu p v a l u ea d o p t i o nr a n g eo fi n v e r s i o nc a l c u l a t i o n ，i m a g eo u t p u ti so b t a i nt h r o u g hi t e r a t i o n u s e rc a ng e ti m p o r t a n tp a t h o l o g i c a li n f o r m a t i o nf r o mt h ei m a g e c l i n i c a lc a s e si m a g i n gs h o wt h a tb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o nt e r m i n a lu n d e r i i a b s t r a c t n e a r - f i e l dm i c r o w a v es o u n d i n gi sh e l p f u lt od e t e c tl e s i o n sa n dc o n f i r mt h ep o s i t i o no f l e s i o n s i nt h ef i g u r e ，c o l o rg r a d i n gi m a g i n gc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t d i f f e r e n c eb e t w e e nm a l i g n a n tt u m o ra n dn o r m a lb r e a s ti s s u e b ya n a l y s i ss i g n so f f i g u r e ，t u m o rp l a c ea n dt u m o rt y p ec a nb ep r e - j u d g e d a sam e d i c a lp r e l i m i n a r y j u d g m e n t ，b r e a s tc a n c e rd e t e c t i o nt e r m i n a lu n d e rn e a r - f i e l dm i c r o w a v es o u n d i n gi sa u s e f u ld i a g n o s i sr e f e r e n c e k e y w o r d s ：m i c r o w a v en e a r - f i e l dd e t e c t i o n ， i n v e r s i o ni m a g i n g m i c r o w a v en e a r - f i e l db r e a s tc a n c e rd e t e c t i o nt e r m i n a l i l l 华东师范入学硕士学位论文 目录 摘j 雪 i a b s t r a c t i i 目录。i v 第一章绪论。l 1 1 研究背景1 1 2 常用的乳腺癌检测方法和意义1 1 3 微波近场乳腺癌检测方法的提出3 1 4 本文的研究目标和内容安排5 1 4 1 本文的研究意义5 1 4 2 本文的研究目标5 1 4 3 本文内容安排6 第二章b r a t u m a s $ 系统的设计7 2 1 超宽带信号检测乳腺的原理7 2 1 1 超宽带信号的定义7 2 1 2 超宽带信号的特点7 2 1 3 超宽带信号检测乳腺组织的原理7 2 2b r a t u m a s s 系统的构成9 2 3 乳腺癌快速检验算法一1 0 2 4 本章小结1 1 第三章乳腺癌探测数据处理终端1 2 3 1 实验数据采集设备1 2 3 2 数据采集点分布1 2 3 3 成像终端软件界面介绍。1 3 3 4 软件操作步骤1 4 3 5 本章小结1 8 第四章微波近场乳腺癌的成像1 9 4 1 乳房的生理解剖结构1 9 4 2 乳腺癌的微波近场成像1 9 4 3 实际病例成像2 0 4 4 本章小结6 6 第五章总结与展望6 7 致谢6 8 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 参考文献7 0 1 v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 乳腺癌是严重危害女性健康的恶性肿瘤之一。2 0 世纪9 0 年代，在全球范围 内，乳腺癌的发病数量在各类癌症中排第三位，死亡率居第五t l l 。随着世界范围 内人民生活水平的提高，乳腺癌的发病率表现出持续的高增长。全球每年约以 2 的发病数递增，目前，全世界每年约有1 2 0 万妇女罹患乳腺癌，有5 0 万妇女 死于乳腺癌眨卜。其中北美、北欧是乳腺癌的高发地区，其发病率约亚、非、拉 美地区的4 倍，但美国乳腺癌的病死率却保存基本稳定，主要因为乳腺癌早期检 测方案在美国的广泛实施。我国原为乳腺癌低发国家，目前仍不属于高发国，但 乳腺癌发病速度增长之快尤为值得注意，我国乳腺癌新病例数年均增长3 4 ， 高出全球1 至2 个百分点t 3 l 。根据上海市疾病预防控制中心的统计，1 9 7 2 年上 海的乳腺癌发病率为1 7 1 0 万，1 9 8 8 年则为2 8 1 0 万，1 9 9 2 年为3 4 1 0 万，1 9 9 7 年则为4 6 1 0 万，2 0 0 0 年则上升到5 6 1 0 万 4 1 0 乳腺癌尽早发现、正确诊断能够对有效地实施手术切除病灶和相应的后续治 疗，能显著提高患者的生存率及生活质量。早期发现乳腺癌的方法包括：普及乳 腺癌自我检查方法加大宣传自我检查的力度；在医院、社区广泛展开乳腺癌的普 查工作；不断研发乳腺癌的诊断办法和手段。早期乳腺癌诊断方法中乳腺影像检 查，能很大程度帮助乳腺癌的早期诊断，患者的生存率与疾病的诊断病期密切相 关。有研究表明，乳腺肿瘤的原发病灶越小，预后越好，t 4 ，t 3 ，t 2 ，t 1 期( 临 床常用的t n m 国际分期法，t 指原发肿瘤的大小，从d , n 大依次为t 1 ，t 2 ， t 3 ，t 4 ) 乳腺癌的1 0 年生存率分别为1 9 7 ，4 6 o ，6 2 6 ，8 7 8 ，直径小于 l c m 的微小癌，其1 0 年总体生存率在9 0 9 9 5 1 0 因此提高早期乳腺癌的诊断 率有助于提高患者的生存率，这也成为目前乳腺癌研究的热点。 1 z 常用的乳腺癌检测方法和意义 随着现代医学影像学技术的发展，许多有效的诊断手段如乳腺癌x 线摄影、 超声、核磁共振成像、放射性核素显像等已应用与乳腺癌检查，使t o 期癌早期 l 第一章绪论 病灶的检出及诊断的准确性明显提高。 1 乳腺x 线钼靶摄片 从1 9 1 3 年德国外科医生首次采用x 线摄影检查乳腺病至今，乳腺x 线摄片 技术已经日益完善，它根据乳房正常组织和恶性肿瘤组织之间密度的不同，可以 较准确的定位肿瘤组织的形态：可以清晰显示微小肿块和细小钙化，钼靶阳极x 线机得到比较优质的乳腺x 线片，同时采用胶片投影系统，不仅增加了对比度 和分辨率，也大大降低了患者接受x 线的辐射量，成为了目前首选的、最基本 的乳腺影像学检查方法。美国癌症协会建议4 0 4 4 岁妇女应每1 2 年进行x 线 摄片1 次，5 0 岁以上妇女应每年摄片1 次。乳腺癌的早期x 线表现：恶性病变 单位面积微小钙化数目较多，可能为癌组织和癌细胞分泌等原因共同作用所致， 钙化点问密度不同，大小不一。虽然乳腺x 线钼靶摄片方便、费用低，但是对 乳腺癌检测的敏感性及特异性较低，其敏感性为8 2 8 9 ，特异性为8 7 9 4 。 对于表现不典型的、小病灶，尤其是致密性乳腺内的病变及近胸壁的病变易漏诊。 对于一些多中心病变、腋窝淋巴结常显示不全，另外，乳腺x 射线的辐射，有 致癌的顾虑，对3 5 岁以下妇女是否进行常规乳腺x 线检查尚存在争议1 6 1 。 2 超声成像 2 0 世纪5 0 6 0 年代，超声成像开始在临床应用。超声成像以其无创伤、无射 线、价格低廉、便于床旁检查等优点。乳腺超声的原理是乳房正常组织与恶性肿 瘤组织的声波阻抗存在着较大差异。当超声探头发出频率高于2 0 k h z 以上的声 波时，入射波会在不同组织的交界面产生声反射。探头处的传感器再将这些反射 声波收集，由算法处理形成不同物质、组织或器官的灰度或彩色影像对比分布图。 乳腺超声的临床应用 1 ：乳腺超声对触诊阴性乳腺癌的敏感性较低，不能发 现微小钙化，难以检出小的肿瘤，但它能精确鉴别囊性或实性病变，能提供致密 型乳腺的诊断信息，以及没有电离辐射的优点。超声图像的对比分辨力和空间分 辨力取决于操作者的实际水平，精确度不高。 3 c t 成像 c t 成像的原理是从多个x 射线投影值获得人体内部的密度分布，它采用投 影重建算法重构医学体的图像，使图像从二维衍变到三维。c t 检查乳腺的原理 与x 线摄片相仿，c t 的密度分辨率较x 线摄片高，而且不受照射体位的限制， 2 第一章绪论 扫描范围广，如对乳腺的高位、尾叶、深部的病灶显示，能发现淋巴结肿大，减 少病变的遗漏。 c t 成像的局限性在于辐射剂量大，短时间内不适合反复检查；对于鉴别囊、 实性病变的准确性不及超声：c t 成像需要使用碘造影剂，该方法设备复杂，螺 旋c t 的动态扫描需四期扫描；检测费用较高。 4 乳腺m r j 检查 核磁共振成像( m r j ) 是利用人体内的氢质子在静磁场中受到特定频率的射 频脉冲激发后，产生共振以及能量的变化来成像。1 9 8 2 年r o s s 等首次报道m 对 检查乳腺病变的临床应用8 1 ：在m r j 平扫中乳腺良恶性病变的表现有一定的重 叠。m 刚具有良好的软组织分辨力，是一种无创、可重复实施的检查方法。m 对乳腺检查的优点在于1 9 1 ( 1 ) 对发现和鉴别乳腺病变具有较高的敏感性，如在 致密型乳腺中发现病灶，术后观察局部有无遗留，随访有无复发等；可鉴别乳腺 囊性及实性肿块。( 2 ) x 2 n - 孚l 腺同时成像，达到对比的效果。( 3 ) 检查视野更广泛， 提高了对特殊部位如乳腺高位、深位病灶的检出率，避免了病变的遗漏。( 4 ) 无 辐射性。 然而m r i 对微小钙化不敏感，特别是当钙化数目较少时。m r j 为多序列成 像，检查相对负责，时间也相对较长。m 对对部分病变的良、恶性定性存在困 难，如乳腺癌和乳腺炎在m r i 上没有特异性，仍需结合临床病史1 1 0 1 。而且m r i 检查价格昂贵，所以m 对对乳腺的检查在我国作为x 线及超声检查的重要补充 方法。 1 - 3 微波近场乳腺癌检测方法的提出 微波肿瘤检测之所以能引起患者的注意是因为它具有如下优点： ( 1 ) 乳房扫描采用对人体损害非常小的微波，可以避免电离辐射，相对安全。 ( 2 ) 微波成像是使用一组微型平板天线，每根天线依次传递低能量的非致电 离的超短脉冲，搜集超短脉冲进入人体的散射信号1 1 1 1 检测时不压迫乳房，可 进行安全舒适的检查。 ( 3 ) 成像分辨率高，可检出毫米级别的肿瘤，有利于癌症的早期检查。 ( 4 ) 微波成像相对c t 成像和m r j 成像检测费用低，易于实现普查。 第一章绪论 正常乳房的组织成分包括了皮肤、脂肪、乳腺、导管、乳腺囊等。人们对乳 房的电磁特性进行实验研究t 1 2 1 包括了很宽频谱( 1 0 m h z - 2 0 g h z ) 内的介电特 性。正常乳房组织与肿瘤组织有较大的电特性差别，正常乳腺组织显示的特性类 似与脂肪组织，水分是决定介电常数的主要因素，恶性肿瘤中水的含量比正常细 胞的高很多，所以正常组织和恶性肿瘤之间的介电常数的典型差别是1 0 2 0 。 微波探测乳腺要求具有高的成像分辨率，这就要求了微波探测信号具有较大 的带宽，使用频率较高的微波信号，但是另一方面，要求足够的探测深度。生物 组织对于电磁波的传播有损耗，高频的微波信号在乳房中传播会出现明显衰减， 这又倾向于采用较低频率的微波信号，权衡两者，对较低微波频率范围进行超宽 带检测，用带宽g h z 级别的信号进行检测，可以满足高分辨率成像和足够的穿 透深度。 美国威斯康星一麦迪迅大学电子与计算机工程系的h a g n e s s 博士及其团队提 出的一种成像方法，以微波共焦成像法检测乳腺肿瘤。她们借鉴了用于军事领域 的脉冲探地雷达技术，设计出一种超宽带微波共焦成像方案：系统的超宽带天线 收发共用，通过不同的位置组合、收发组合完成后向散射场的探测，合成孔径， 然后记录合成孔径在乳房组织内各区域的信号，最后针对这些信号采用c m i ( c o f o c a lm i c r o w a v ei m a g i n g ，微波共焦成像) 方法实现图像重建。实验结果证 明该算法能形成高分辨率的影像图像，用以清楚地标识恶性肿瘤的位置n 3 1 脉冲微波共焦成像检测乳腺癌首先用无线发射超宽带脉冲对成像目标乳房 进行照射，同一天线进行接收乳房的反射波，反射波信号采用矢量网格分析仪记 录，矢量网格分析仪记录的是频域信号，通过离散反傅立叶变换得到反射波的时 域形式，在一个位置完成这个过程后，移动天线，在另一个位置上重复上述过程。 当所有位置测试完毕后，根据成像聚焦点的不同，对所有位置接收到的反射波进 行时移相加，最后得到目标乳房的反射波灰度图像。实验表明，该方案可以实现 直径小于l o m m 的乳房肿瘤有效成像。 在离开被测目标3 允 - - - 5 允( 为工作波长) 距离内测量该区域电磁场的技术称 为近场测量技术，若被测目标是散射体，则称为散射近场测量【1 4 j ；对散射近场信 息进行反演或逆推就能得到表征目标几何特征的目标函数，由目标函数给出目标 的几何形状，形成目标近场成像【1 6 】。近场成像技术是研究介质表面区域电磁 4 第一章绪论 性质的有效手段，适合于进行人体肌肤以下的肿瘤检测【1 7 】 1 4 本文的研究目标和内容安排 1 4 1 本文的研究意义 用平板收发天线在以乳房基圆的不同位置采集一组1 6 个点的回波信号，然 后计算出乳腺组织中各部分的直达波和回波的波程差，从而得到肿瘤组织可能的 目标空间轨迹。通过频率将天线与目标的位置关系映射到系统时间的延时。用另 一侧的天线获得反射波，将其与直达波混频后获得差频信号，滤波后通过u s b 接口送至p c ，同时将时域信号显示在屏幕上。 1 4 2 本文的研究目标 本文研究的课题属于上海市科学技术发展基金基础重点资助项目乳腺 癌超短脉冲( 微波) 近场成像方法和早期乳腺癌诊断方法研究，( 项目编号 0 8 j c l 4 0 9 2 0 0 ) 的一部分。在过去的两年时间内，该项目在数据采集、成像算法 等方面取得一定成果，作者本人参与其中，与上海市第一人民医院分院合作，负 责了临床应用实验和活体数据获取，数据的前期预处理，积累了实验数据，在实 验数据的驱动下形成乳腺癌活体组织微波近场成像算法和获得成像平台乳 腺癌探测数据图像处理终端的调试经验。 基于前期微波近场条件下时域差分信号的成像研究，根据成像系统的功能 要求，运用m a t l a b 等工具进行三维图像的显示。在此基础上，本文对微波近 场下天线扫描获得的时域差分信号进行进一步的数据处理，对乳腺肿瘤的成像算 法进行改进，并且详细介绍了乳腺癌探测数据处理平台的架构，主要功能和所用 到的技术。 本文致力于以下几个方面的研究： 1 超短脉冲信号由天线发射，经乳腺组织反射后，产出延时，将获得的回波 信号与发射信号混频后，即中频差拍信号，这个信号表征了乳腺组织与天线的距 离以及介电特性。 2 阐述了b r a t u m a s s 系统的构成，各个组成部分的作用和意义。 3 详细介绍了微波近场乳腺癌探测数据终端各模块的功能和实际操作步骤。 第一章绪论 4 针对系统最重要的功能反演图像，通过调节反演计算上限、下限和切 片位置对早期乳腺肿瘤进行判断。为进一步诊断提供判断依据和参考基础。 1 4 3 本文内容安排 第一章：绪论 概述乳腺癌的研究背景和常用乳腺癌检测方法，介绍乳腺肿瘤检测的研究现 状和优缺点，分析国内外微波近场系统的研究成果，引出本文的研究目标和内容 安排。 第二章b r a t u m a s s 系统的设计 分析超宽带信号在乳房组织中的传播特性，以及b r a t u m a s s 系统的构成。 来源，以及弱信号提取时采用的分数阶傅立叶变换的有效性分析。 第三章成像平台乳腺癌探测数据处理终端，给出算法和流程图，并提 出了降噪改进方法，运用动力学反演提供成像的精度。 第四章实验结果 实验采集工具，实验方法，采集点分布都给出了详细介绍，对实际乳腺癌病 例进行成像调节，最终总结乳腺癌在微波近场中成像规律。 第五章总结与展望 总结本文的研究成果，指出系统进一步改善的可行方法，为今后的工作给出 研究方向。 6 第_ 二章b 町u m a s s 系统设计 第二章b r a t u m a s s 系统的设计 2 1 超宽带信号检测乳腺的原理 2 1 1 超宽带信号的定义 超宽带电磁波1 8 1 是指雷达辐射信号的宽带指数大于o 2 5 的信号，宽带指数 定 义为频谱宽带与中心频率之比 l ：掣：了矗 l 加妄( 如+ 以) 2 1 2 超宽带信号的特点 1 穿透能力强。超宽带信号时域上是窄脉冲，穿过组织时功率损耗与传统技术相 比大大降低，从而解决了分辨率和穿透能力之间的矛盾。 2 定位精度高。超宽带信号具有高分辨率( n s 级) ，对信号有很强的携载能力。超 宽带信号具有很大的系统容量，定位的范围能在毫米级别。 3 f 氐功耗，低辐射。将超宽带信号用于人体活体检测，电磁辐射小，对人体伤害 极小。 正因为超宽带信号的以上特点，使得安全、舒适、准确快速的检测乳腺肿瘤成为 可能。 2 , 1 3 超宽带信号检测乳腺组织的原理 人体组织的介电特性决定了超宽带信号的的传播特性。研究表明，j 下常乳房组织 与恶性肿瘤组织的介电特性差异较大，正常乳腺组织特性类似于脂肪组织，而恶性肿 瘤组织类似于致密的肌肉组织，并且含水量比正常细胞高。而水是决定相对介电常数 和电导率的主要因素，如骨头、脂肪的相对介电常数和电导率较低。所以在相当宽的 频率范围内，恶性肿瘤组织与正常组织介电常数和电导率差异能高达1 0 倍。在恶性 7 第二章b r a t u m a s s 系统设计 肿瘤不断生长的过程中，肿瘤附近的血管会增生，输送很多的养分供癌症细胞的生长， 乳腺导管也会扩张，肿瘤钙化会越来越明显，将导致介电常数和电导率进一步升高。 与周围正常组织的介电特性的差异会越明显。 1 0 01 0 2la 1 0 61 0 81 0 1 0 频率( 比) 肿瘤 正常组织 图2 1 正常组织和肿瘤的相对介电常数和电导率随频率变化的比较 因此当超宽带电磁波照射乳房组织，正常乳房组织的反射要比恶性组织弱得多， 电磁波由j 下常乳腺组织进入恶性肿瘤的时候，会发生例如吸收、散射、反射等作用， 电磁波的传输路径会发生改变，电场强度和磁场强度在某些区域会得到加强，在另一 些区域会被减弱，利用这一特性，通过探测不同组织会高频微波的反射及散射后产生 的磁场进行探测乳腺肿瘤【1 9 】。 由于电磁波在人体组织内传播，传播的速度为v ：皂 f 可见相对介电常数占，影响电磁波的传播速度，会使得回波信号产生延时。将天线 发射信号与回波信号进行混频后得到零差拍中频分量，中频分量反应了目标与天线的 距离。 设天线瞬时发射的信号为f ( o ，) ，那么可以写成f ( c o ，f ) = a s i n ( m ，t + 口，) ，其中a 幅度常数( 实际的a 应该是一个随时间缓慢变化的，这里为了简化起见将a 看成常数) ， c o ，臼，分别是发射信号的瞬时频率和相位。发射信号采用的三角波调频。调频信号 周期为丁，调制带宽为b ，瞬时发射信号表示为 r 厂( q ，) = a s i n ( c o o t + 导，x t + 谚) 8 铲 旷 旷 驴 铲 旷 l l 1 i 第二章b r a t u m a s s 系统设计 假定探钡4 空i 司中l 司时存在个目标，目标回波都独立的到达接收天线。第f 个目 标回波到达接收天线产生的延时为f ，则第i 个回波信号表示为： g ，( 0 9 t , t ) ：4s i n ( f + b ( t - r i ) f + 谚) 经过混频输出后： j ，f ) ：耐s i n f + 见) + 砰( 2 x f + bixt+z(t)=f(04 t ) x g , ( c o , s i n ( 2x t + o , 。) ， ，f ) = 耐s i n 喏f + 见) + 砰 f + 一。) 经过低通滤波器后得到： z f ( f ) ：厂( 够，) & ( ，f ) ：k ，s i n ( b r , x + 只，) 其中k ? = r = 去朋，而k ，= g k j ，g 为低通滤波插入增益系数。 给出了= 1 5 时，乳房各组织的相对介电常数和电导率。 相对介电常数占， 电导率仃( s m ) 皮肤层 3 62 6 4 正常乳腺组织 1 00 2 4 恶性肿瘤组织5 0 2 8 乳腺导管 1 1 1 40 4 5 表2 - 1 中心频率为1 5 g h z 时乳房各组织的相对介电常数和电导率 以上数据作为应用天线的参考，实际采样中超宽带信号的中心频率= 1 5 7 5 g h z 2 2b r a t u m a s s 系统的构成 乳腺癌微波感知系统( b r e a s tt u m o rm i c r o w a v es e n s o rs y s t e mb r a t u m a s s ) 系 统包括了三个部分，如图2 2 所示，第一阶段是超宽带脉冲信号的产生和回波信号的 获取，第二个阶段是高速数据的采集和传输。第三个阶段是近场成像。 盥达波 u v bu u i v b l l 相位朴 娄羹| 萋篙口偿自适 掣僧鋈 乳腺脖瘤 第一阶段 超宽带信号的产生及蒎取 甜鲨 图2 - 2b r a t u m a s s 系统框 9 引辫量 第互阶段 近场成像 第_ 二章b r a t u m a s s 系统设汁 2 - 3 乳腺癌快速检验算法 发射天线的介质透镜很好的解决了当微波从空气进入到皮肤，反射量大，真正进 入乳腺组织的微波量小，无法达到足够的穿透深度这一瓶颈。b r a t u m a s s 系统发射的 微波能够达到1 5 c m 的穿透深度，从而使得探测乳腺组织成为可能。正常乳腺组织、乳 腺导管的相对介电常数占，在1 0 1 5 附近，和恶性肿瘤组织的相对介电常数占，= 5 5 相 差很大。微波在两种介质边界上的反射和透射关系图。其中只为入射的电波功率，只 为反射的电波功率，只为透射的电波功率。 q t 纯，电 一 协 i 写 只 - - - - - - f p f “ e ；= 们q e r = 一憾辑 量里 m l 边界面 龟，舰，嘎 一 锄 只 - - - - 巨= 啦 图2 3 微波在两种不l 司介电常数媒质边界上垂直入射时的反射和折射。 尸f 是入射功率，b 是反射功率，尸f 是透射功率。 回波信号功率和入射信号功率的比值鲁= i r l 2 ，所以在非磁性媒质中，有 r ：半2 二颦 q 6 2 + q s 、 仿真目标探测空间如图2 - 4 所示，在圆形的测试空间中充满介电常数为毛的匹配液， 再在其中放入介电常数为晶的材料小球，实验测试的模型图，周围为探测天线所在位 置。设定背景介电常数毛= 1 0 1 0 第二章b r a t u m a s s 系统设计 那么这里设定乳腺癌的相对介电常数s 。= 5 5 ，正常乳腺组织相对介电常数岛= 1 0 ， 可以算出r l ：芈磐0 4 0 q s 、+ s o 设定乳腺小叶组织的相对介电常数岛= 1 2 ，正常乳腺组织相对介电常数z o = 1 0 ， r 2 ：鳟 o 0 0 2 _ 2 + s o 所以可以根据信号的功率信息，得到组织相应的介电常数分布情况。 2 4 本章小结 本章针对三个部分进行了概要介绍和分析：b r a t u m a g s 系统构成；反演成像的原 理；乳腺癌的快速检验算法。 本章还指出了论文研究的重点乳腺癌的反演成像。此外，本章总结了微波近 场乳腺癌检测的技术难点和新点：快速乳腺癌检验算法，根据回波信号和入射信号的 功率比值，得到乳腺组织的介电常数。 第三章乳腺痛探测数据处理终端 第三章乳腺癌探测数据处理终端 3 1 实验数据采集设备 超宽带零中频信号的采集和处理必须满足：实时性、多任务以及可扩展性。经过 调整、放大、数模转化通过u s b 端口输入到p c 中，为后期的数据处理及反演成像做 准备并且将已经数字化的回