UWB近场环境下乳腺肿瘤的成像方法研究.pdf

乳腺肿瘤(BreastTumor)是严重危害女性健康的常见恶性肿瘤，其早期诊断对提高治疗的成功率和患者的远期存活率具有非常重要的意义。因此，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。微波频段下正常乳房组织和恶性肿瘤组织的介电常数和导电率差异甚大，这一特性奠定了微波近场检测乳腺肿瘤的物理基础。以UWB(UltraWideBand，超宽带脉冲)雷达技术为基础的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。为安全、快速、准确地检测早期乳腺肿瘤提供了技术上的可能。 本文的研究内容是上海市重大科技攻关重点基础项目——“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(03JC14026)”的一部分，以UWB近场检测早期乳腺肿瘤的成像方法研究为主线，深入探讨了近场环境下乳房组织的电磁特性，并以计算机电磁场近场仿真为基础，提出了近场环境下早期乳腺肿瘤成像的新方法。 文中概要地介绍了UWB近场乳腺肿瘤检测系统各模块的结构和功能，分析了“三维成像”和其他模块间的关系。以及，成像在整个检测系统中的重要地位。并以乳房组织的生理结构特征和电磁特性为基础，建立了成像研究用的半球状乳房模型，采用三维电磁场仿真软件——HFSS(HighFrequencyStructureSimulator,Ansoft公司三维电磁场仿真软件)对半球状乳房模型进行了电磁特性仿真。仿真结果对乳腺肿瘤检测系统中UWB信号中心频率的选择、天线阵列的放置、电磁边界条件的设定、可视化平台的设计等问题起到了借鉴作用，缩短了实验时间，降低了医疗设备设计前期动物试验的研究费用。同时，HFSS的有限元分析法还对本系统成像算法的设计提供了一定的参考。 在对环型天线阵的设计，医学影像坐标系的建立，特殊介质中波速、折射、时延的计算，以及多色彩医学图像的表现手法等问题进行了详细研究和探讨之后，本文提出了UWB近场环境下，适合早期乳腺肿瘤检测的有限元共焦成像算法。成像结果表明，基于半球状模型的早期乳腺肿瘤UWB近场检测方案，可以对乳房组织中项径小于10mm的乳腺肿瘤进行有效探测。 在有限元共焦成像算法的基础上，本文针对医学成像系统高速度、高精度定位的要求，提出了“网格逐层细分”的改进算法。根据实际乳腺肿瘤发病机理，提出了“跟踪搜索”的改进算法以解决乳房中可能存存多个肿瘤的诊断检测情况。并分析比较了采用改进算法前、后的成像效果和成像用时。结果表明：“网格逐层细分法”可有效地缩短成像时间，并提高定位精度；“跟踪搜索法”则可有效地降低漏检率，完整的发现多个肿瘤组织的存在，且对成像速度也有一定提高。本文所研究的成像方法还可以推广到其它皮下肿痛的诊断应用，如皮肤癌、淋巴癌的检测。此外，UWB近场检测方法亦可成为人体生物组织中电磁特性不同的医学体目标的成像新方法。