基于FDTD的早期乳腺肿瘤UWB成像方法的研究

论文摘要

乳腺癌是危害女性健康的主要恶性肿瘤之一,死亡率居恶性肿瘤死亡率的第二位,其发病率正在逐年上升,其早期诊断对降低乳腺癌患者的死亡率具有重大意义。目前乳腺癌常规的成像技术如乳房x光钼钯成像,核磁共振成像等均存在各种缺陷性。为了克服现有成像技术的不足,人们提出了超宽带微波成像检测技术。微波检测乳腺肿瘤的物理基础是在微波频段下正常乳房组织和恶性肿瘤组织的介电常数和电导率存在很大的差异。以UWB脉冲为基础的微波近场检测乳腺肿瘤具有电磁信号辐射能量低、携载目标信息量大等优点,能提供毫米波、高分辨率的目标定位精度,为安全、快速、准确地检测早期乳腺肿瘤提供了技术上的可能。本文前三章主要是理论知识的介绍,为后面的研究奠定基础。第一章,首先给出了乳腺癌的早期诊断对女性的重大意义,并介绍了目前常用的几种乳腺肿瘤检测方法,基于现有检测方法的缺陷,提出了微波检测技术,介绍了其国内外发展过程。第二章,介绍了乳房组织的结构和乳房组织的电磁特性,给出了超宽带检测乳腺肿瘤的理论基础,即在微波频段下正常乳房组织和恶性肿瘤组织的介电常数和电导率存在很大的差异,并阐述了微波检测的可行性。第三章,主要介绍了FDTD的理论基础,并建立了二维半圆形的乳房模型,提出了早期乳腺癌检测的超宽带微波成像方案,给出了合适的超宽带检测信号。文中第四章和第五章的内容为本文的研究重点。第四章,首先对共焦成像算法的原理和成像流程进行了介绍,给出了基于FDTD仿真基础上的UWB近场下肿瘤的共焦成像效果,证实了超宽带微波技术对早期乳腺癌的检测是可行的。第五章,对影响成像效果的具体问题进行了讨论,分别研究了信号的中心频率、肿瘤位置和发射源的位置对成像效果的影响,并提出了改进方案,改善了共焦成像的效果,为临床上的医学研究提供了理论根据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 早期乳腺癌检测的重要意义
• 1.2 目前常用的早期乳腺癌检测方法
• 1.3 UWB微波近场检测技术的提出及研究现状
• 1.3.1 UWB微波近场检测技术的提出
• 1.3.2 UWB乳腺癌检测技术的发展现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 UWB微波近场检测乳腺肿瘤的理论基础
• 2.1 UWB信号的有关理论
• 2.1.1 UWB信号的定义
• 2.1.2 UWB脉冲检测在生物医学领域的优势
• 2.2 UWB微波检测获取乳房组织中信号的原理
• 2.2.1 乳房组织的结构
• 2.2.2 乳房组织的电磁特性
• 2.3 UWB检测早期肿瘤组织的可行性
• 第三章 FDTD仿真和早期乳腺癌的检测方案
• 3.1 FDTD算法的基本理论
• 3.1.1 麦克斯韦旋度方程
• 3.1.2 Yee元胞和麦克斯韦旋度方程的差分形式
• 3.1.3 FDTD的数值稳定性
• 3.1.4 完全匹配层（PML）吸收边界条件
• 3.2 二维乳房模型中早期肿瘤的检测方案
• 3.2.1 半圆形乳房模型
• 3.2.2 天线位置的设置
• 3.2.3 激励源的选择
• 第四章 UWB近场检测早期乳腺癌的成像算法
• 4.1 共焦成像算法的原理
• 4.2 共焦成像算法流程图
• 4.3 乳腺肿瘤散射信号的获取
• 4.4 信号的积分
• 4.5 信号的时延补偿
• 4.5.1 UWB传播速度的计算
• 4.5.2 折射点的计算
• 4.5.3 时延的计算
• 4.5.4 成像区域各成像点的时延补偿
• 4.6 聚焦成像
• 第五章 超宽带微波乳腺肿瘤成像中相关问题的讨论
• 5.1 信号中心频率的选择
• 5.2 肿瘤位置对成像效果的影响
• 5.3 发射源位置对成像结果的影响
• 5.4 改善发射天线提高成像效果
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢