早期乳腺癌诊断的三维超宽带微波断层成像理论研究

乳腺癌是危害女性身心健康的高发病率、高死亡率的肿瘤疾病，其早期检测技术是降低死亡率的重要途径。微波断层成像方法有望提供一种低成本、低风险和易普查的常规或辅助检测手段。国外和本课题组已在二维情形取得重要进展。本项目利用时域方法研究UWB脉冲信号在乳房中的传播特性，引入适当模型描述乳房结构中各组织电参数的色散效应，基于FDTD和局域寻优、全局寻优等方法，设计一种高分辨率、高对比度、高精度和成像快的三维微波断层成像算法，提取肿瘤目标信息并反演成像，有效检测早期乳腺肿瘤；采用正则化方法以对抗逆问题的病态性，在噪声环境下，进行仿真以确定最佳参数；进行实验验证，比较仿真和实验结果，不断完善理论体系，为医学诊断提供依据，为临床应用研究奠定基础。研究内容主要包括：UWB脉冲信号的传播特性研究，UWB天线设计，制作乳房体模，建立乳房计算模型, 三维时域微波断层成像算法研究，正则化方法研究，仿真和实验验证。

本项目采用时域方法，针对微波断层成像(MTI)、微波共焦成像(CMI)和微波热声成像(TAI) 这三个主要技术领域，进行了较为系统的早期乳腺筛查理论研究，取得的研究成果主要包括：① 研究了微波信号在乳房中的传播特性；② 借助单极Debye模型，描述了乳房结构中各组织电参数的频率相关性；③ 为了有效提取肿瘤目标信息和检测早期乳腺肿瘤，分别提出了几种精度高、成像快的一维(1-D)、二维(2-D)和三维(3-D)微波成像算法；④ 采用了一阶吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方案以对抗成像问题的病态特性和噪声的影响；⑤ 基于时域有限差分(FDTD)法，进行了一些数值实验，优化了可调参数。仿真算例的一系列数值结果证实：① 提出的微波成像算法是鲁棒的；② 超宽带(UWB)微波成像和微波热声成像兼具对比度高和分辨率高特点；③ 利用微波成像技术检测早期乳腺肿瘤是可行的。本项目的理论成果既为早期乳腺病变提供了诊断依据，也为临床应用研究奠定了基础。