微波近场成像检测乳腺癌及其微波热疗
1 引言
在过去相当长的时间内，电磁场工程师们正在致力于人体癌症的电磁场检测，因为电磁场检测比较已有的肿瘤的检测方法如X射线摄影检测、红外成像检测等方法有很多优势。微波成像检测具有以下优点：
•对身体健康没有负面影响。该方法没有电离辐射，用于微波成像的能量≤5mW，属相对安全的非电离辐射［1］；
•对肿瘤敏感，能够区分良性与恶性，易于检测；
•非侵入式检测，易于实现；
•费用远低于计算机辅助成像（CAT）或磁共振成像（MRI）检测，可用于普查；
•不会引起身体的不适，易于被妇女接受；
•在可治阶段检测出肿瘤；
•可实现宽频带检测，更易于应用；
•能够检测到小至2mm的肿瘤，检测结果客观、准确，易于解释。
2 乳房组织的电特性
在微波波段，离体生物组织的介电特性的有关数据，涉及的频带很宽，从10Hz到20GHz，某些癌变组织的介电特性也已经有了定量数据［2～5］。但是对于正常胸部组织和癌变组织的介电特性的相关数据却不是很多。1984年Chaudhary等人［6］在3MHz-3GHz的频率范围内测量了正常胸部组织和癌变组织的介电特性。1994年Joines等人［7］在50MHz-900MHz的频率范围内测量了几个新鲜离体器官的介电特性，其中包括乳房。这些研究揭示癌变组织的介电特性及电导率是正常胸部组织的三倍以上。频率更高处的数据可以通过Chaudhary等人的数据利用Debye方程［8］外插而得到。对微波来说，正常胸部组织比癌变组织更加透明，这也是微波检测乳腺癌的物理基础。
一般来说，作为色散媒质的胸部组织，其介电特性可由Debye方程来描述：
式中εr是胸部组织的相对介电常数，σ是胸部组织的电导率（mS/cm），f是工作频率（GHz），fc是生物组织的平均弛豫频率，ε∞是在频率远高于fc时的相对介电常数，εs是频率远低于fc时的相对介电常数，ε0是自由空间的介电常数，σs表示除介质色散以外的其他过程对总电导率的贡献。对于正常胸部组织，其介电特性及电导率与低含水量的脂肪组织类似，相关数据可以在文献［8］中找到；对癌变的胸部组织，其介电特性及电导率与高含水量的组织如皮肤相似。在100MHz到17GHz范围内可采用以下经验公式［9］：
式中 是纯水的介电常数εs乘以一个与组织含水量有关的因子，σ0.1是胸部组织在0.1GHz时的电导率（mS/cm）。生物组织的介电常数和电导率随频率的变化关系见图1和图2。
微波对于胸部组织的穿透深度，假设入射波为平面波，则可以按照下式计算［10］：
式中μ0为自由空间磁导率，微波对生物组织的穿透深度δ随频率而变化关系见图3。
3 乳腺癌的微波检测
3.1微波近场成像
典型的微波近场成像就是用天线或天线阵发射一定频率的电磁波照射靠近的被测物体，接收天线得到被测物体的散射场，物体的形状和空间分布的信息就包括在散射场中。在微波频段，散射场基本无法得到解析解。由于被测物体的维数、不连续性、各向异性等很多原因，必然导致测量的散射场和解析法建立的目标函数间的非线性。由于测量数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［11］。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解决。具体来讲，高分辨率可以检测到小的肿瘤，而高频必将导致极快的衰减；由于目标的尺寸比肿瘤大很多，涉及到散射场的处理，尤其对于生物体检测这样的近场；数据获取和处理时间要合适；整个系统易于临床实现等等。
不少学者和科研小组对微波近场成像提出自己的见解，比如欧洲［12］和美国有很多科研小组进行了理论和实验研究。在公开发布的所有系统中，被成像物体浸在水中或弱盐溶液中，天线阵成平面或圆周放置，发射的电磁波通过被测物体被天线阵的其它天线接收，形成目标函数，从而反映出被测物体的介电特性或导电率的空间分布。法国某科研机构和西班牙的科研机构合作开发出平面和圆柱面的扫描系统［13］，利用数值方法解决前向问题，用非线性优化解决反向优化问题。实验系统采用2.33GHz或2.45GHz，采用36或64个发射天线，25或33个接收天线，实验模型简化，如用圆柱代替人的胳膊，在信噪比为20分贝情况下图像重建，重建效果不是很好。意大利某组织开发出多视角成像系统，该系统用伪反射方法解决场的反射问题［14］。重建算法分两步：首先从被测的散射场得到等效电流密度，通过背景的并矢格