基于雷达原理的脉冲微波共焦成像检测乳腺癌
1 引言
乳腺癌是一种常见的疾病，对其治疗而言，早期发现是至关重要的。多年来，电磁场工程师们一直在致力于研究用微波成像的方法实现对人体癌症的检测，相对于现有的医学成像检测方法，如X射线、CT、B超等，微波成像具有诸多优点：
(1)相对安全，微波成像没有电离辐射，在一定能量范围内属相对安全的检测方法[1]。
(2)它是基于一种新的成像检测机理，微波成像属于功能性成像，它反映的是生物组织的电磁特性分布，而恶性肿瘤的介电常数往往比正常的乳房组织大的多，因此利用微波成像能够区分肿瘤的恶性与否。
(3)属于非浸入式检测，检测相对方便。
(4)成像分辨率较高，可以检测出小到2 mm直径的肿瘤，利于癌症的早期发现。
(5)微波成像费用相对较低，易于实现身体普查，有利于疾病的早期预防和治疗。
2 乳房组织的介电特性
生物组织的介电特性通常用cole-cole模型表示，其表达式为：
ε(ω)=ε′(ω)-jε″(ω)=ε∞+Δε1+(jωτ)1-α+σsjωε0
这里ω表示角频率，ε′(ω)表示与频率相关的介电常数，ε″(ω)表示与频率相关的介电损耗。
正常的乳房组织成分主要包括皮肤、脂肪、乳腺导管、乳腺囊等，对正常乳房组织以及恶性肿瘤的介电特性测试已经有诸多研究成果[2-6]。1994年Joines等人在50～900 MHz的频率范围内测量了多种离体器官和相应恶性肿瘤的介电特性，其中包括正常的乳腺组织及恶性乳腺肿瘤，得出的结论是恶性乳腺肿瘤的介电常数和电导率比正常的乳腺组织平均分别高出233%和577%。Campbell等人在1992年分别对多名患者的正常乳房脂肪组织、正常乳腺组织、良性肿瘤和恶性肿瘤四种类型组织的介电特性进行了测量，测量的微波频率为3.2 GHz。他首先对17名患者的乳房脂肪组织进行了测量，测量得到的脂肪组织相对介电常数在2.8～7.6之间，电导率在0.54～2.9 mS/cm之间，含水量在11%～31%;对11名患者的正常乳腺组织的测量结果表明，其相对介电常数在9.8～46之间，而电导率在0.54～2.9 mS/cm;对9名不同患者的生物医学工程研究第29卷第1期赵亦波，等：基于雷达原理的脉冲微波共焦成像检测乳腺癌恶性乳腺肿瘤的测量结果显示其相对介电常数在9～59之间，而电导率则在2～43 mS/cm之间。通过数据分析，Campbell等得出结论，认为在3.2 GHz微波频率下区分恶性肿瘤的相对介电常数为45～60，电导率为30～40。Wisconsin-Madison大学的Lazebnik等人在2007年进行了较大规模的不同人群乳房组织介电特性测量，他一共选取了93位不同患者的乳房组织样本，通过对样本的测量分析，得出的结论为乳房组织的相对介电常数和电导率与乳房组织的成分有关(见图1)。
从一系列的研究结论可以看出，正常女性乳房组织由于含有的脂肪成分较高(多数超过50%)，脂肪的介电常数和电导率都相对很低，因此，正常乳房组织的平均介电常数在10左右，而恶性肿瘤组织的介电常数和电导率均比正常乳房组织高出三倍多，对微波照射而言，正常乳房组织的反射比恶性肿瘤块的反射要弱，加上采用相关的聚焦技术，可以使得恶性肿瘤组织对微波的反射明显强于正常组织，从而检测出恶性肿瘤，这就是微波成像检测乳腺癌的理论基础。
3 脉冲微波共焦成像检测乳腺癌
3.1 主动式微波近场成像
微波成像的应用范围十分广泛，探地雷达、气象雷达、星载以及机载SAR(合成孔径雷达)成像都属于微波成像的范畴。主动式微波成像的基本原理是通过向被成像目标发射电磁波，通过接收目标的反射或散射波，从而获取目标的形状、结构、电磁特性空间分布等信息。在微波频段，要想得到目标反射或散射场的解析解基本上是不可能的。而通过测量微波散射或反射场确定成像目标的电磁参数分布是一个电磁逆散射问题，它是电磁散射正问题的反演。微波成像的基本过程如下：
(1)首先，通过天线向被成像目标发射高频电磁波，在目标周围若干位置放置接收天线接收目标的散射场，从而获得一系列的测量数据。
(2)将目标进行网格剖分，对剖分完的网格电磁参数进行初始设置。
(3)根据目标网格剖分以及初始电磁参数设置求解正问题，即计算各测量点的散射场，常用方法有有限元法、时域有限差分法等。
(4)根据计算值和测量值的差重新调整各网格的电磁参数估计值。
(5)不断重复以上各步，直到正向计算结果与测量结果误差满足一定要求。
由于诸多因素的影响，比如测量数据量的不足，正向计算的误差，或者目标结构复杂，甚至目标是各