基于FDTD方法的早期乳腺癌微波检测方案研究

论文摘要

乳腺癌是危害女性健康的常见恶性肿瘤疾病,其发病率居女性恶性肿瘤的第一位,早期检测被认为是降低其死亡率的重要途径,乳腺癌成像技术已成为当前国内外医学影像学研究的一个焦点。目前乳腺癌常规成像技术如X线成像,超声成像等均存在各种局限性,而微波频段下正常乳房组织和恶性肿瘤组织的电磁特性差异明显（远大于现有成像技术所利用的特性差异）,这种差异为微波近场检测乳腺癌提供了物理基础。乳腺癌微波成像技术研究主要集中在有源微波成像方法,根据微波照射物体得到的散射场解决逆散射问题来进行成像。本文介绍了常用的乳腺癌检测方法并分析了它们的优缺点,详细分析了正常乳房组织和癌变组织的电磁特性差异,在微波频段,它们的介电常数和电导率差异均在5倍以上,正常乳房组织比癌变组织更加“透明”,这就是微波检测乳腺癌的物理基础。微波成像方法有有源,无源及微波超声混合方法,本文分别做了介绍,并针对有源微波成像中的微波断层成像方法和共焦微波成像方法做了详细探讨,分析了其算法、仿真及实际系统。本文主要利用时域有限差分方法（FDTD）进行微波乳腺癌成像方法的研究,首先利用FDTD算法及一种非分裂场的完全匹配层（PML）吸收边界条件进行了一些基础的电磁仿真,然后建立了两种数字乳房模型,长方体乳房模型及基于核磁共振成像（MRI）数据的半椭球乳房模型,仿真分析了两种模型在微波照射下的电磁特性,分析了微波探测乳腺癌的可行性。针对逆散射成像中为解决病态及非线性问题造成计算量大计算时间长的问题,本文提出了一种可用于初步定位肿瘤位置的方案。此方案是将网格粗分,逐个试验肿瘤可能存在的位置,通过FDTD计算与测量值相比较,找出肿瘤的大致位置。本文验证了此方案的可行性,并在各种实际情况下研究其稳定程度,结果表明,通过优化天线阵列,该方案在-10dB高频或随机干扰等情况下能较为准确定位肿瘤位置。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 缩略名词索引
• 第一章 绪论
• 1.1 早期乳腺癌检测的重要意义
• 1.2 目前乳腺癌检测的方法
• 1.3 微波近场成像技术
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 乳腺癌微波检测的物理基础及检测方法
• 2.1 乳腺肿瘤的位置特点
• 2.2 乳房组织及肿瘤的电磁特性
• 2.3 乳腺癌的微波检测
• 2.3.1 无源微波成像方法
• 2.3.2 微波与超声混合成像方法
• 2.3.3 有源微波成像方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 乳房模型的FDTD仿真分析
• 3.1 FDTD算法原理
• 3.1.1 Yee元胞和麦克斯韦方程的差分求解
• 3.1.2 数值稳定性
• 3.1.3 FDTD中的激励源
• 3.1.4 吸收边界条件
• 3.1.5 FDTD及 PML的运用
• 3.2 建立模型及仿真
• 3.2.1 简易长方体模型
• 3.2.2 基于MRI数据的半椭球状模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 微波检测乳腺癌初步定位算法
• 4.1 初步定位算法
• 4.2 初步定位方案的仿真实现
• 4.3 初步定位方案的稳定性验证
• 4.3.1 有干扰存在时的定位
• 4.3.2 参数稳定性
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表