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，通过背景的并矢格林函数获得感应电流密度，然后通过矩量法和格林函数矩阵的逆过程来求解。美国和俄罗斯合作开发出另外的一套成像系统［15］。这是一个三维成像系统，32个发射天线排成一列，一个接收天线沿被测物体旋转，也可以让被测物体沿轴线旋转。算法采用矢量波恩方法，处理时间较长，大约8小时。

3.2　微波乳腺癌检测

微波成像技术已经发展多年，但是真正投入临床应用才刚刚开始，这主要得益于电磁场数值计算方法的发展和计算机硬件水平的提高。在微波频率，近场成像用于人体胸部疾病检测有三种方法：被动微波成像方法（Passive Microwave Imaging Methods）、微波与超声混合成像方法（Hybrid MicrowaveAcoustic Imaging Methods）和主动微波成像方法（Active Microwave Imaging Methods）。

被动微波成像方法：用辐射计测量胸部组织内部温度的变化。正常人体温度分布具有一定的稳定性和对称性。当人体某处产生或存在疾患时，局部血流和代谢会发生变化，导致局部温度的改变，表现为温度偏高或偏低。如美国CTI（Computerized Thermal Imaging Inc）公司的红外成像技术，由加州大学伯克利分校的Bales Scientific实验室开发生产的BCS2100乳癌诊断系统，其红外成像装置采集温度变化信息并转化为热图像，通过与正常状态下热图像的对比，判断温度变化的性质，并进一步判断机体的状态，诊断疾病。据称该仪器在常温下可感知1mm2内0.02℃的温差。该设备昂贵，美国本土50万美元。

微波与超声混合成像方法：用微波照射胸部，由于癌变组织的高导电性，肿瘤会吸收更多的能量，使其被加热。于是肿瘤膨胀产生压力波，该压力波可以被超声传感器接收。图像重建方法有两种，即CTT(computed thermoacoustic tomography) 和STT(scanning thermoacoustic tomography)。CTT方法中胸部用434MHz的波导照射，0.5μs的医用脉冲用于产生超声波，超声传感器接收压力波信号，图像重建算法同于X-ray CT。STT 方法中目标被3GHz的微波源及波导天线的短脉冲照射，超声传感器记录下脉冲通过物体后的超声波信号，由于使用聚焦传感器使图像重建算法大为简化。

主动微波成像方法：典型的微波成像方法就是解决逆散射问题，用几个微波发射器照射物体，记录下若干散射场。物体的形状和介电常数的空间分布可以通过记录的入射场及散射场而得到。在微波频率，逆散射问题的解一般很难获得，因为有很多因素都可以影响到散射场，如被测物体的维数、不连续性、各向异性等，被测的散射场与目标函数之间一般为非线性。如果测量整个身体，则难度更大。但如果仅为胸部检测，还可实现。图像重建算法包括传统成像的迭代方法和聚焦成像的时移相加算法。

就目前而言，将主动微波近场成像用于乳腺癌的检测，主要集中在三所高校，也代表了当前该领域的发展水平

美国新罕布什尔州的Dartmouth大学Thayer工程学院的Meaney等人长期致力于微波近场成像用于检测乳腺癌的研究，并已经开发出相应的医疗临床系统［6～8］。该系统工作频率为300MHz～1.1GHz，由32个收发天线组成的天线阵获得成像所需数据。计算方法采用有限元法（FEM）和边界元法（BEM）相结合，用牛顿迭代法解决非线性反射问题。测试时，被检查的妇女俯卧在带有一圆洞的检测床上，使乳房由该圆洞垂下而浸在下面的容器内。容器内盛装液体，该液体的介电特性及电导率与乳房组织的相近。天线阵也浸在液体内，这样可以避免天线与乳房间的不匹配而产生的反射，见图4。数据获取系统有32通道，每一通道与天线阵中的一个天线相连。每一天线既用于发射又用于接收，通道间的隔离度为120dB。天线阵由单极子天线组成［18］，他们能够有效地产生高质量的二维图像。整个系统数据获取时间为10～15分钟，已经有5名志愿者接受该系统检测［16］。获取的数据送到IBM RS 6000-260工作站，20分钟后可产生图像。从获得的图像可以清楚的看出病变部位的介电常数和电导率在空间的分布。

1998年，美国WisconsinMadison大学电子与计算机工程系的Hagness 及其同事介绍了一种脉冲微波共焦系统，用于乳腺癌的检测［19］。这种方法首先将主要用作军事目的的雷达用于医用电子学上，避免了复杂的非线性的反向散射场的计算，虽不能给出介电常数的具体数值，但能区别出由于介电常数的增加而使散射增加的区域。该系统首先用超宽带的脉冲照射乳房，同一天线用于反向散射场的接收。该过程被天线阵中的每一个天线重复，最后通过时移相加算法得到所有位置的相应的脉冲响应之和。该算法能保证测试区内相关信号的迭加，而去除或减小非相干信号的影响，同样的原理用于合成孔径测地雷达系统。其最大优点就是如果能够提供足够的宽带脉冲，就能够获得高分辨率的图像。现在已经从最初的二维［23］发展到三维［20］。天线放在仰卧的被检测妇女的呈自然状态的胸部之上，保证和皮肤间的阻抗匹配，减小皮肤的反射。采用结形阻抗加载天线，天线的尺寸已由最初的8cm［20］变得更小［21］。计算过程采用时域差分法，能够检测到深达5cm的2mm的病变小肿瘤。

加拿大Victoria大学的Fear及其导师Stuchly创建了另一套共焦微波成像系统，虽然该系统在原理上没有更大的改进，该系统更适合临床应用［21～23］。它集成了前面讨论的两种方法的优点。让被检测的妇女俯躺在带有圆洞的床上，乳房通过圆洞下垂，浸在溶液中，同Meaney的方法。由于天线同皮肤间的不匹配必然会引起强烈的反射，就会对信号处理产生影响。Fear使用小的阻抗加载WuKing偶极子天线，长度为2cm或1cm，浸在液体中，液体的介电性质分别同于皮肤或脂肪（即正常乳房组织），分别进行了实验。单个天线可以靠乳房很近，但为避免天线间的偶合，每个天线间必须保持一定的距离，并通过顺序开关来控制发射和接收测试脉冲。由于天线很小，这样通过顺序开关保证发射和接收脉冲的精度。天线阵可以旋转和上下移动，保证获得足够的测试数据，数值计算过程采用时域差分方法。

国外乳腺癌微波检测研究进展列在表1中。国内的相关研究开展的不多，但也偶有报道，如清华大学周小强等采用近红外激光相位阵列检测乳腺癌［24～25］；在清华大学2000年科技成果中展出了一种红外光乳腺CT成像仪［26］。

4　微波热疗基理及其在乳腺癌治疗上的应用

当微波照射人体时，不同剂量的射频电磁能量产生的热效应和非热效应能引起不同的物理、化学和生理变化。产生热效应的原因是由于人体内含有大量的水、离子和极性分子，当电磁能量进入人体时，体内带电粒子（自由电子、离子）产生定向运动形成传导电流；同时人体内电介质分子发生极化，产生位移电流。这两种电流在人体内运动要引起电阻损耗和粘性损耗而产生热量；人体内电介质的极化在电磁波频率较高时还要产生弛豫损耗；由于人体是由多层电学特性不同的组织构成的，当电磁能量通过各组织界面时，部分能量将发生反射或折射，在人体内不同尺寸的界面还会产生显著的散射。因此，在电磁能量的作用下，人体内的电子、离子及极性分子与周围的大分子、离子频繁碰撞而产生热量，致使组织温度升高，呈现热效应。根据病理和生理检查分析发现：癌瘤组织含水率高，于是癌瘤组织内血循环不良，其血流量只有健康组织的2%～5%，因而散热性能不佳，使癌瘤组织的温度比周围健康组织的温度一般高出5℃左右。由于癌瘤组织的耐热性差，当温度升高至41℃时，就可被杀死，而健康组织对42℃～45℃的高温也安然无恙。因此，可利用微波热效应来治疗癌症和肿瘤。另一方面，当入射人体的电磁能量很小时，人体内会发生一系列效应，这种效应称为非热效应。非热效应主要用于功能调节和功能改善。

研究表明，不同频率的电磁波对人体的效应是大不相同的，人体对不同频率电磁波的吸收也是不相同的。人体单位体积内吸收的功率P为［27］

式中：ε为人体的介电常数，E为人体内电场强度，f为工作频率。由（6）式可知：频率越高，人体对电磁波功率的吸收越强。由于微波波长短，因此，对人体的医疗效果比高频显著得多。同时，还由于存在共振吸收效应使微波的热效应有着奇异的医疗效果。微波热疗用照射器与人体的作用效果可以用比吸收率(SAR)来表征：

σ为人体组织电导率，ρ为人体组织密度，E为人体组织内的电场分布。根据美国食品和药物管理局（FOA）的建议，合格的医用微波照射器应该能在人体肌肉组织中产生235W/kg的比吸收率，而同时在离照射器口径与人体组织接触的界面5cm处，其微波泄漏功率不得超过10mW/cm2；同时在微波照射范围内近场分布均匀，亦即SAR分布均匀，人体感觉舒适；照射器与人体接触时应该与微波源有良好匹配。

国内有一些医用微波照射器方面的报道，如圆环形微带照射器［28］，椭圆环微带照射器［29］和很多用于妇科病检测的内置式的微波照射器［30］，而用于乳腺癌治疗方面的报道寥寥无几；国外有此方面的报道，如用相控阵激励电磁信号达到稳态温度场对病变乳腺进行微波热疗［31～32］等。

5　发展方向

综上所述，我们有理由相信，乳腺癌的微波检测与微波热疗是很有前途的一种方法，尤其是随着电磁场数值计算方法的发展及高速度的计算机的问世，将为完善该系统铺平道路。但也应看到，乳腺癌的微波检测与微波热疗还有很多工作要做，比如在美国Dartmouth大学和加拿大Victoria大学的研究中必须将患者的乳房浸在匹配液体中，这必将给患者带来不便；有关的医学专家也对此提出疑问：这样的一套系统，每次检查完患者后都需要对匹配液体进行更换，对病床进行消毒，需要很长的附加时间，增加工作量，医院和病人都很难接受，只能用于实验室开展研究工作，不适合乳腺癌普查；WisconsinMadison大学的研究中使用的天线较大，不适合临床应用；文献［31］、［32］也需要匹配液体，且现阶段也只停留在实验室内能够完成。

从上面的分析可以看到，单纯的红外成像检测乳腺癌有其弊端，一方面成像质量很难保证，另一方面受医生的主观影响较大。单纯的用微波对乳腺癌进行检测和热疗的设备复杂，难于临床实现，难于完成乳腺癌的普查任务。看来，综合的方法可能是具有潜力的一种方法，除微波和超声波的结合外，将微波和红外结合也不失为一种好方法。可以通过适当的天线或天线阵发射一定剂量的微波直接照射乳房，正常乳房组织和肿瘤组织在电磁波的照射下，吸收的程度不同，从而温升不同。肿瘤组织含水高，吸收的能量多于正常的乳房组织，相对温升高。在此基础上进行红外测量，得到的图像相对容易识别，能够达到高效、简单、易行、方便、廉价的目的，适合乳腺癌的普查。在具体设计系统计算电磁场的逆散射方程时，由于其非线性和病态的本质，可以考虑用遗传算法［33，34］或神经网络［35，36］等方法更为方便。

我国乳腺癌的微波检测和微波热疗方面的研究才刚刚开始，可能会遇到很多的问题。但随着妇女地位的提高，以及国家的妇女政策，加之科研工作者的努力，这项有意的工作必将蓬勃发展。结合我国国情，这一项低风险低成本的检测手段必将造福于广大妇女，尤其对老少边穷地区的医疗保健事业有重大意义。

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作者：田雨波　钱　鉴