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电磁波传播的生物工程应用

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体积 2020 |文章的ID 5780243 | https://doi.org/10.1155/2020/5780243

桑德拉·科斯坦佐,朱塞佩·洛佩兹 无相微波断层扫描乳房成像评估:初步结果",国际天线与传播杂志 卷。2020 文章的ID5780243 6 页面 2020 https://doi.org/10.1155/2020/5780243

无相微波断层扫描乳房成像评估:初步结果

学术编辑器:萍李
收到了 2019年7月19日
接受 2020年1月23日
发表 22 Feb 2020

摘要

在目前的工作中,提出了一种微波成像应用的无相方法。本文提出的求解策略是基于对比源散射现象的公式,数值过程中不涉及相位恢复阶段,从而提供了一种无相的单步求解方法。数值验证了所讨论方法的图像恢复潜力,成功地区分了乳房切片模型的不同组织,其中肿瘤所在。上述初步评估鼓励在生物医学成像框架中采用拟议的解决方案。

1.简介

生物医学成像的最新趋势引起了人们对成像设备的安全性以及整个系统成本的担忧。必威2490微波断层扫描(MWT)可以被视为一种安全、经济、无创的补充广泛采用的成像技术。然而,有限的穿透深度和相对较低的分辨率限制了MWT的大规模应用。向微波光谱发展的一个主要原因是,有可能根据生物组织的含水量来确定其可能的病理变化。此外,与计算机断层扫描(CT)和正电子发射断层扫描(PET)相比,MWT技术中非电离辐射的使用代表了主要优势之一。在这项工作中,根据[1],成功地将无相对比度源反演(P-CSI)方法应用于乳腺组织重建。具体地说,从[23.],反散射问题无需线性化处理,而是将其重化为迭代优化问题,其中对比度源和介电对比度这两个未知数根据共轭梯度格式交替更新。反演过程通过利用测量总场的仅幅数据来执行,局部定义为入射场和散射场的和,前者是在没有被测物体(OUT)的情况下获得的基线测量,后者是由于入射场与OUT的相互作用。在重建过程中还需要从基线测量开始,通过波展开获得成像域内入射场的完整数据信息。

2.无相逆散射公式

让我们考虑一个二维层析成像问题,旨在获取一般OUT(记为b)的形状、位置和介电特性。假设一个tm偏振入射场,并研究圆柱形目标。在整个场景中,假设磁介电常数等于自由空间,例如在典型的生物医学场景中,由于生物组织的非磁性。因此,电磁特性可以用介电常数值来描述。考虑采用圆形采集设置,测点在采集曲线S上移位,如图总方案所示1.它描述了一种多静态和多视图设置,其中发射机位置可以交替改变,从而确定NTX入射角,从而形成若干NR·NTX测量。成像域,表示为D,完全包含未知OUT。

逆散射问题由电场积分方程(EFIEs)控制,在文献中称为数据方程而且状态方程,得到应用于上述设置的亥姆霍兹方程的解[4]:

在上述表达式中, 表示散场,而 分别给出总场和入射场; 为背景介质的格林函数,而参数 给出对比函数,对背景介质的介电常数进行归一化:

所考虑的方法在数学上被安排成一个局部优化问题,其中需要定义一个适当的代价函数。散射问题的解是由方程(1)及(2),由以下成本函数表示:

在上面的表达式中,参数α重瓣表示适当的归一化因子。式(5)表示S中实测总场的差值,表示为 并根据模型定义的相对值为式(1),而方程(6)考虑方程(2).因此,代价函数F结合每个照明场景的分析数据和测量场之间的累积差值 OUT中的入射场由沿采集曲线S进行的入射电场测量开始,通过将入射场表示为有限数量N个第二类汉克尔函数[56],因此,下列关系成立: 在哪里ρ而且ϑ表示极坐标。

截断数N是通过评估Hankel函数关于N的变化来确定的,对于一个固定的参数ρ等于半径R,如图所示2.计算出的cν系数随后在OUT内部的入射场评估中实现[7- - - - - -9].

迭代过程从更新对比源开始 通过采用非线性共轭梯度格式[1011],而对比功能 在第n步求出总字段的当前值后, 作为状态函数的最小值,表示为 由于涉及到迭代局部优化问题,对对比源的初始猜测 发生。因此,要考虑对比源的适当初值,以便能够利用测量步骤提供的所有可用信息。将最陡下降法应用于方程(5),从而得到以下表达式: 在哪里β是步长,而符号(*)表示伴随算子。根据式(8),在对比源初始化时充分利用所有可用数据,不对总场的未知相位进行任意假设,而是在[1011].此外,内部的电介质对比度没有先验信息必威2490D是必需的,与[12].

3.人类乳房模型和成像结果

为了对所提出的逆策略进行数值验证,在COMSOL Multiphysics®上模拟了适当的微波成像设置[13],根据提出的重构方法。模拟设置如图所示3..它由一个多静态测量装置组成,其中NTX点电流源均匀地呈圆形布置,由OUT环绕而成。考虑到工作频率为2-GHz,这是微波乳腺成像最合适的频率,因为它在空间分辨率和人体乳腺组织穿透深度之间提供了相当大的权衡[14].假设背景介质周围存在一个完美匹配层(PML)作为边界条件。前向数据计算是通过对发射天线固定位置的总场和入射场进行交替计算来实现的。为了加快仿真过程,采用了面外线电流作为TM源。

乳房的介电剖面构造类似于[14].特别地,我们考虑了一个简化的3组织乳房模型,其介电特性如表所示1.所实现的人体乳房模型包括一个半径为45.5毫米的圆柱体,一个半径为20毫米的纤维腺区域;假定肿瘤半径为5mm。探头和发射机位置放置在距离乳房15毫米处,呈圆形。一种无损的匹配介质εr= 12。


组织 相对介电常数 电导率(S / m)

脂肪 5 5.0E−02
腺/ fibroconnective组织 43 0.7
恶性组织 35 0.7

4.结果与讨论

首先,癌变部分被放置在脂肪组织内(图4),这样电介质的对比度会比较高。然后考虑第二个病例,肿瘤位于纤维腺组织内(图5),从而导致较低的介电对比度。如图对比函数图所示6而且7,对于这两种情况,肿瘤都是适当的定位。

5.结论

本文提出了一种用于生物医学成像的单步无相微波层析成像方法。首先,通过引入一种新的初始化算法,讨论了逆散射过程的解析公式。其次,给出了切片乳房模型的重建结果,验证了所提方法的重建能力。讨论的结果代表了MWT作为一种潜在的低成本工具在乳腺癌检测和乳腺成像应用领域的初步评估。目前正在进行进一步的开发,以实现测试场景下介电特性的定量重建。

数据可用性

用于支持本研究结果的模拟数据包含在文章中。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

参考文献

  1. S. Costanzo和G. Lopez,无相对比源逆散射的单步方法,施普林格,Cham,瑞士,2019。
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  4. S. Costanzo, G. Di Massa, M. Pastorino, A. Randazzo,和A. Borgia,“介质散射体的非侵入性微波表征”,在微波材料表征, InTech,伦敦,英国,2012。视图:谷歌学者
  5. D.科尔顿和R.克雷斯,“亥姆霍兹方程”,在逆声学与电磁散射理论,第13-38页,施普林格,柏林,德国,2013。视图:谷歌学者
  6. T. Tsuburaya, Z.孟,和T. Takenaka,“从总电场和磁场测量数据中通过圆柱波展开进行逆散射分析,”电子产品,第8卷,no。4,第417页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学者
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  14. G. Bellizzi, O. M. Bucci和I. Catapano,“利用磁性纳米颗粒作为造影剂的微波癌症成像”,IEEE生物医学工程汇刊,第58卷,no。9, pp. 2528-2536, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
  15. “人体组织的介电特性”,2019年,http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/#appl视图:谷歌学者

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