基于压缩感知热声成像的实时监控技术应用于非侵害聚焦式乳腺癌微波热疗的研究

The high morbidity and mortality of breast cancer represents a great threat to women. There is thus a dramatic demand for breast cancer therapy. Microwave thermal therapy has been experiencing a steady increase of their use in clinical treatment of breast cancer. The conventional microwave thermal therapy techniques are generally marred by lack of efficient and economic mechanisms for monitoring the focusing effect of microwave and temperature in the breast. To address these drawbacks, we propose a novel monitoring methodology based on compressive thermoacoustic imaging for applications in microwave thermal therapy. Thermoacoustic imaging has attracted extensive research efforts and gained a plethora of applications in the area of biomedical imaging. But the traditional thermoacoustic imaging algorithms require excessive time to perform the measurement due to the demand of intensive spatial sampling of the acoustic signals, which renders applications in real-time imaging scenario impossible such as thermal therapy. The combination of compressive sensing and thermoacoustic imaging can solve this problem by considerably reducing the required spatial sampling of acoustic signals and accelerating the imaging process. This novel technique can significantly improve the time-efficiency, practicability and safety of the associated applications in microwave thermal therapy monitoring. It also paves the way for future potential translation to clinic usage and can also be utilized in thermal therapy of other types of cancers and diseases.

乳腺癌的高发病率和致死率已成为女性健康的极大威胁。当前对乳腺癌的治疗有着巨大的需求，除了传统的放疗化疗技术之外，微波热疗技术近年来越来越多地被应用于临床乳腺癌治疗。针对当前乳腺癌微波热疗技术中的侵害性以及缺乏有效且经济的实时监控手段等问题，本项目提出利用压缩感知热声成像技术对聚焦式乳腺癌微波热疗技术进行双重实时监控，即微波聚焦效果的实时监控和乳房内温度的实时监控。热声成像技术近年来在生物医学成像等领域获得了广泛的研究和应用，但是传统的热声成像模式受限于空间数据采样要求太密导致的成像过程耗时过长的缺点，不适合实时性要求极高的热疗应用场景。采用压缩感知热声成像技术可以解决这个难题，使微波聚焦效果和乳房内三维温度的双重实时监控成为可能，极大地提高了乳腺癌微波热疗方案的实时性、实用性和安全性，对此技术潜在的大规模临床应用奠定了基础。这种实时的监控技术还可以被推广到其他种类癌症和疾病的热治疗中。

乳腺癌的高发病率和致死率已成为女性健康的极大威胁。当前对乳腺癌的治疗有着巨大的需求，除了传统的放疗化疗技术之外，微波热疗技术近年来越来越多地被应用于临床乳腺癌治疗。针对当前乳腺癌微波热疗技术中普遍存在的侵害性以及缺乏有效且经济的实时监控手段等问题，本项目提出利用压缩感知热声成像技术，对聚焦式乳腺癌微波热疗技术进行双重实时监控，即微波聚焦效果的实时监控和乳房内温度的实时监控。热声成像技术近年来在生物医学成像等领域获得了广泛的研究和应用，但是传统的热声成像模式受限于空间数据采样要求太密导致的成像过程耗时过长的缺点，不适合实时性要求极高的热疗应用场景。采用压缩感知热声成像技术可以解决这个难题，使微波聚焦效果和乳房内三维温度的双重监控成为可能，极大地提高了乳腺癌微波热疗方案的实时性、实用性和安全性，对此技术潜在的大规模临床应用奠定了基础。这种监控技术还可以被推广到其他种类癌症和疾病的热治疗中。..本项目主要研究了人体乳房中微波聚焦的具体可行方案以及相应的天线阵列，深度热声成像压缩感知算法，以及无创温度探测的理论和实验研究。..本项目利用计算机仿真实现了对于多个复杂的人体乳房内不同位置处1厘米大小肿瘤的精准微波聚焦，并研究了聚焦的具体效果；成功开发了基于13个超声探头的热声深度压缩感知算法；制造了包含微波源、天线阵列、超声探头阵列等模块的乳腺癌热疗监控系统，并成功利用假体及生物组织进行了微波聚焦监控的实验验证；成功搭建了基于超声探头阵列的三维温度监控实验系统，并用假体和生物组织进行了初步实验验证。..受本项目资助共发表了SCI期刊论文4篇，及EI论文10篇。目前正在申请专利1项。..受本项目资助共培养了1位博士研究生和5位硕士研究生。..本项目最主要的科学意义是在国际上首次实验验证了利用压缩感知热声成像技术进行微波聚焦效果及温度的监控，对推进乳腺癌微波热疗的临床应用做出了贡献，奠定了理论和实验基础。