早期乳腺肿瘤的超宽带微波稳健波束形成成像检测系统.pdf

物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n Vo 1 6 3，No 1 9(2 0 1 4)1 9 4 1 0 2 早期乳腺肿瘤的超宽带微波稳健波束形成 成像检测系统冰 肖夏)十 宋航)王梁)王宗杰)路红2)1)(天津大学，电子信息工程学院，天津3 0 0 0 7 2)2)(天津医科大学附属肿瘤医院放射科，乳腺癌防治国家教育部重点实验室，天津 3 0 0 0 6 0)(2 0 1 4 年3 月 1 9日收到；2 0 1 4 年4 月 2 2日收到修改稿)提 出了一种基于 自主设计小型超宽带天线 的微波稳健波束形成(R C B)成像肿瘤检测系统 仿真结果表 明，该检测系统对肿瘤反射信号有很高的敏感度 在简单平面模型和核磁共振成像图(MR I)导出模型 中进行 仿真检测实验，并将天线阵列接收信号用R C B算法进行成像处理 从乳房重构图像中能够得到正确的肿瘤位 置及大小信息，实现了平面模型中最小直径 3 mm和 MRI 导出模型中最小直径 4 mm的肿瘤检测，证实了该 检测系统用于早期乳腺肿瘤检测 的可行性 关键词：肿瘤检测，稳健波束形成，超宽带，微波成像 P ACS：4 1 2 0 一 q，8 4 4 0 B a，8 4 4 0 一 x，8 7 8 5 P q DOI：1 0 7 4 9 8 a p s 6 3 1 9 4 1 0 2 1 引 言 乳腺肿 瘤现 己成为 女性健康 的一大威胁，早 期诊断有助 于及时发现治疗，以提 高患者 的存活 率目前钼靶 X射线乳房照相术是乳腺肿瘤 诊断 领域 中应用较广 泛的技术，然而该技术有许 多缺 点，例如误诊率 高、检测时对乳 房挤压、放射 线照 射等，经常使用可能导致组织癌变因此，作为对 现有技术 的补 充，需要开发新型无辐射乳腺 肿瘤 检测技术 1-3 研 究发现乳腺肿瘤和 正常乳房组织 的介 电常 数差别显著 4-7 ，基于该特性，超宽带微波成像技 术被提 出并应用于早期肿瘤检测在该技术中，某 一天线朝乳房发射微波脉冲，当电磁波在传播过程 中遇 到介 电常数很高 的物体 f 如肿瘤)时会产生反 射，反射信号 由其他天线接收在不 同位置布放天 线，逐次发射信号，通过对接收信号进行处理，就可 以得到强反射物体的位置及大小信息 在超 宽带微波肿瘤检测技术实用化之前，需要 进行大量的仿真实验分析许多课题组在进行仿真 实验时未考虑天线 的影响，而是将激励源设置为理 想的点源f p o i n t s o u r c e)，且采用的乳房模型通常是 理想的方块和半球模型 8-1 0 这种检测模型在早 期探究实验中有着重要的意义，然而为了更加真实 地模拟电磁波 的传播，需要将天线及乳房结构的影 响考虑 在 内 本文提出的超 宽带微波乳腺肿瘤检测系统基 于 自主设计的小型超宽带天线和稳健波束形成 f r()_ b u s t Ca p o n b e a mf o r mi n g，RCB 1 1 1,1 2】算法系统 使用的天线具有尺寸小、频带宽、方 向性强、结构简 单等特点，能够大量排布在乳房皮肤表面形成天线 阵列，特别适用于乳腺肿瘤检测在进行肿瘤检测 仿真研究时，使用 了两种乳房模 型，一种是简单平 面模 型，另一种是基于核磁共振成像图(ma g n e t i c r e s o n a n c e i ma g i n g，MRI)提取 的乳房模型 系统采 用RC B算法进行成像处理，最终成像结果能够正 确地显示肿瘤 的位置大小信息，表 明了该肿瘤检测 国家自然科学基金(批准号：6 1 2 7 1 3 2 3)和毫米波国家重点实验室开放基金(批准号：K2 0 0 9 1 3)资助的课题 十通讯作者E ma i l：x i a x i a o t j u e d u a n 2 0 1 4中 国 物 理 学 会C h i n e s e P h y s ic a l S o c i e t y h t t p：w u l i z b i n h y a c c 佗 物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 3，No 1 9(2 0 1 4)1 9 4 1 0 2 U l t r a-w i de band m i c r o wa ve r obus t Ca po n be a m f or m i ng i m a gi ng s ys t e m f or e ar l y br e a s t c anc e r de t e c t i on术 一 一 一 一 Xi a o Xi a )十S o n g Ha n g )W a n g Li a n g )W a ng Zo n g J i e )Lu Ho n g )1)(S c h o o l o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g l n e e r i n g，T i a n j i n U n i v e r s i t y,T i a n j i n 3 0 0 0 7 2，C h i n a)2)(De p a r t me n t o f R a d i o l o g y,T i a n J i n Me d i c a l U n i v e r s i t y C a n c e r I n s t i t u t e a n d H o s p i t a l，K e y L a b o r a t o r y o f B r e a s t C a n c e r P r e v e n t i o n a n d T h e r a p y o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n，T i a n j i n 3 0 0 0 6 0，C h i n a)(R e c e i v e d 1 9 Ma r c h 2 0 1 4；r e v i s e d ma n u s c r i p t r e c e i v e d 2 2 Ap r i l 2 0 1 4)A bs t r ac t An u l t r a wi d e b a n d(uwB)mi c r o wa v e r o b u s t C a p o n b e a mfor mi n g i ma g i n g s y s t e m i s p r e s e n t e d b a s e d o n a s e l f-d e s i g n e d c o m p a c t UW B a n t e n na f o r e a r l y b r e a s t c a n c e r d e t e c t i o nS i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d d e t e c t i o n s y s t e m i s s e n s i t i v e t o t u m o r r e s p o n s e S i mu l a t e d t u m o r d e t e c t i o n e x pe r i m e n t s a r e c a r r i e d o u t i n b o t h s i m p l e p l a n a r b r e a s t mo d e l a n d ma g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n i n g(MR I)一 d e r i v e d m o d e l u s i n g t h e a n t e n n a a r r a y R o b u s t C a p o n b e a mfo r mi n g a l g o r i t h m i s e mp l o y e d t o r e c o n s t r u c t t h e b r e a s t i ma g e S u c c e s s f u l d e t e c t i o n o f 3-mm d i a me t e r t u mo r i s a c h i e v e d i n t h e p l a n a r mo d e l a n d t h e s a me d e t e c t i o n r e s u l t o f 4 一 mm d i a me t e r t umo r i s a c h i e v e d i n t h e MRI d e r i v e d mo d e 1 Th e r i g h t i nf o r ma t i o n o f t h e t u mo r c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e i m a g i n g r e s u l t s，whi c h d e mo n s t r a t e s t h e f e a s i b i l i t y o f t h e p r o po s e d s ys t em i n e ar l y br e a s t c anc e r de t e c t i o n K e ywor ds：t um o r de t e c t i o n，r o bus t Ca pon be a m f o r m i ng，u l t r a wi d e ba nd，m i c r o wa v e i m a g i ng P ACS：4 1 2 0 一 q，8 4 4 0 B a，8 4 4 0 一 X，8 7 8 5 P q DOh 1 0 7 4 9 8 a p s 6 3 1 9 4 1 0 2 P r o j e c t s u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a(Gr a n t N o 6 1 2 7 1 3 2 3)，a n d t h e Op e n P r o j e c t f r o m S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Mi l l i me t e r Wa v e s，C h i n a(G r a n t N o K2 0 0 9 1 3)十 Co r r e s p 0 n d i n g a u t h o r E ma i l：x i a x i a o t j u e d u c a 1 9 4 1 0 2 7