仙后座天线(图 1)[ 10是传感器用于发射和接收信号。这个天线是用来接触乳房皮肤和经营有损浸液。天线本质上是一个平衡的映维瓦尔第天线(BAVA)董事包括在光圈,类似于[据天线 11]。关键的不同之处在于修改后的饲料结构和高介电常数材料的使用限制字段与天线的浸液传感器相对不敏感。天线和饲料的细节设计,初步模拟和测量结果与仙后座放置在空气和甘油,被发现在 10]。在这项研究中,天线放置在一个2%生理盐水以减弱信号沿着路径以外的乳房。如图 2,2%的盐水展品导电率远高于预期的乳房组织,电导率大大减弱信号沿着这些不必要的旅行路径。

收集传输测量,两个传感器放在两端的坦克(或乳房)(图 3)。下面的传感器放置37毫米罐的顶部,以完全浸泡盐水的传感器。两个传感器是一致的,每个传感器安装在滑动的手臂,如图 3和 4。140毫米之间的分离距离可以手动调整,用滚花轮10毫米;数字卡钳上双方这样精确的分离距离可以被记录下来。这种配置允许天线定位,这样是用乳房皮肤接触。修改分离距离可以很容易地完成高精度;几个测量在不同的分离距离通常收集。天线连接到一个矢量网络分析仪(机构N5242A,安捷伦科技,帕洛阿尔托,CA,美国)。最大化敏感性,测量执行一个中频端口(如果)10赫兹的带宽和功率10 dBm。这些设置产生舒适的120分贝动态范围的天线端口不需要额外的平均。总共401分被记录在一个1到10 GHz带宽。 The total sweep time is 36 seconds.

传感器的性能在盐水和传感器测量信号传输的能力评估。首先,测量和模拟反射系数在一个宽的频率乐队进行检查。模拟也执行评估的完整性乳房组织的辐射场分布。乳房模型研究了由一个2毫米厚的皮肤层充满均匀乳房组织代表脂肪(组织组3代表样本的属性包含0 - 30%的脂肪中值( 4])。乳房模型详细的尺寸( 11]。一个FDTD仿真工具(SEMCAD X, SPEAG苏黎世)是用于执行模拟与参数类似报道( 10]。色散模型参数发表在 4, 12, 13用于模型2%生理盐水,皮肤,分别和组织组3。验证通过测量辐射的领域是具有挑战性的,所以传输测量信号通过乳房模型代表低和高损耗情况。半球形,低损耗乳房模型中描述( 14),如图 5。这个模型有一个直径100毫米,是由固体电介质材料15相对介电常数和损耗角正切应该小于0.002 (Eccostock HiK,爱默生,和和微波产品,兰多夫,妈,美国)。high-loss乳房模型具有相同的尺寸,然而,由一层薄薄的橡胶膜充满1%的生理盐水。1%盐水的电导率大于三个乳房组织组的导率报告( 4),但低于2%的盐水,因此预计非常弱的传播。

图 6显示了用户界面用于工作与人类参与者。它由一个床的志愿者躺在卧姿。乳房的床上包括一个开放延伸到测量罐放在下面。背后的机构坐落在床下直接测量。收集的一些测量每个志愿者(志愿者的研究提供了更多的细节部分 4)。天线放置在接触乳房,和一个收集初始计量。修改天线分离,得到一组新的测量。重复这个过程几次,导致一系列的传输系数收集分离不同天线之间的距离。注意,完整的散射系数矩阵( 年代 11 , 年代 21 , 年代 12 , 年代 22 为每个测量记录)。

一个简单的方法来估计的平均电特性介绍了乳腺组织。方法利用透射系数之间的差异记录在两个不同天线之间的分离,然而,涉及到几个假设。首先,它假定接触皮肤和传感器之间保持不变后重新定位传感器之一。其次,由于电缆运动响应的变化被认为是微不足道的。这些假设被认为是合理的基于反射系数的稳定性( 年代 11 和 年代 22 )之间的观察测量。第三,它假定乳房的内部结构是相同的两个测量收集在不同的分离(即。,两条路径有相同的平均属性)。因此,传输信号之间的差异被认为是完全相关的变化引起的传输长度减少传感器之间的分离。与透射系数的变化的平均电性质乳房组织,我们进一步假设均匀平面波模型来描述传播从发射到接收天线。这个隐式地忽略了任何影响多路径的乳房组织。组织中的电场近似为: (1) E + ( z ) = E 0 ⋅ e - - - - - - α ⋅ z ⋅ e - - - - - - j ⋅ β ⋅ z , 在哪里 α 衰减常数, β 是相位常数。这些常数近似使用一对传输测量和校正径向传播的信号: (2) α ( f ) = - - - - - - 日志 ⁡ ⁡ ( | 年代 21 ( f ) | 1 / | 年代 21 ( f ) | 2 ) ( D 1 / D 2 ) D 1 - - - - - - D 2 , β ( f ) = - - - - - - θ 1 ( f ) - - - - - - θ 2 ( f ) D 1 - - - - - - D 2 , 在哪里 D 我 是分离距离的测量了, | 年代 21 ( f ) | 我 透射系数的大小, θ ( f ) 我 阶段的透射系数。下标1和2指的是两个测量用于计算。请注意, D 1 必须大于 D 2 。

衰减和相位常数检索后,相应的介电常数和电导率计算使用( 3): (3) ε r ( f ) = β ( f ) 2 - - - - - - α ( f ) 2 ( 2 π f ) 2 μ 0 ε 0 , σ ( f ) = 2 α ( f ) β ( f ) 2 π f μ 0 , 在哪里 ε 0 和 μ 0 是真空的介电常数和磁导率。

图 7介绍了反射系数( 年代 11 )为每个传感器测量的2%生理盐水。为了完整性,模拟结果也显示。的价值 年代 11 低于−10 dB在感兴趣的频率范围内,表明大部分的权力由天线辐射或吸收而不是反射回源。差异两个传感器的响应以及模拟和测量。这些差异可以主要归因于仙后座的敏感的施工过程。如[ 10),这个传感器是由一些金属和塑料部分需要加工和组装。此外,水泥材料涌入的传感器孔径需要填补狭小空间。加工之间变化的塑料材料和水泥充填过程,控制困难的建筑差异传感器是可以预料的。我们还注意到差异模拟和测量响应增加第二频带的一半,这是由于不精确的材料属性用于模拟。具体来说,传感器利用Eccostock HiK材料的介电性能的模型在整个频段的兴趣并不可用。

图 7结果表明,按提出( 10),导电介质的仙后座可以合理地运作。然而在high-permittivity液体,如2%的盐水,开始像漏波天线结构,特别是在较低的频率(低于3 GHz)。这是见图 8,介绍了模拟辐射行为时天线接触乳房模型,如( 9)组成的一层皮肤充满代表低损耗的材料组织。在2 GHz,结构在垂直方向上的辐射和辐射强度在乳房组织相当低,考虑到乳房组织比浸介质损耗要小得多。这种行为是由于high-permittivity成为漏波天线结构的媒体。在更高的频率(4 6 8 GHz)、漏波效应显著降低的字段是在天线结构。在此基础上模拟结果,大大降低传输测量低频带料。

图 9介绍了测量和模拟透射系数与低损耗乳房模型获得的。在较低的频率,一个非常低的传输大小是指出,像预期的那样从图 8。然而,传输似乎稳定4 GHz以上水平。我们注意到,在更高的频率,模拟数据预测更强的传播比在实践中观察到。再一次,差异Eccostock HiK材料特性的测量和模拟之间的主要来源这一分歧,尤其是电导率,在实践中,与频率显著增加。然而,主要的观察是测量系统测量传输信号的能力感兴趣的频段。

传输系数测量通过high-loss乳房模型图 10并展示我们的测量系统来测量的能力很弱的信号传输。更准确地说,一个可能观察到透射系数测量,虽然乳房模型提出了很容易区别的测量在同一传感器分离没有乳房出现直到两个信号到达噪声地板上。换句话说,这个结果表明,这些微弱的记录信号传播到乳房模型而不是在浸介质或水箱结构。

为了验证房地产评估技术,测量水箱只包含1%盐水浸泡介质。这种lower-loss媒介选择而不是2%的盐水为了测量信号在wider-frequency带宽。传输测量几个距离如图 (11日),而计算介电常数和电导率,使用两个最短的距离和分离( 2)和( 3),如图 11 (b)和 11 (c)。可以观察到下面的估计不是很准确3 GHz。在这些频率,天线的辐射行为差,翻译在耦合效率很低,导致错误的结果。然而,3 GHz以上,非常接近理论的计算值,证实了简化的假设估计的平均属性为这个简单的例子中是有效的。

总之,在这一节中给出的结果表明,仙后座天线,沉浸在2%的盐水,展品低 年代 11 在很宽的频带,辐射场的行为改善与频率相关(漏波行为较低频率)。两个传感器的工作表明,该系统能够检测信号通过较低的对象和高传播损失特性在整个频率范围的兴趣。的方法估算平均属性是一个简单的场景验证,表明合理估计得到从3到10 GHz。

本研究已通过联合卫生研究伦理委员会(CHREB)卡尔加里大学的,23244年(ID)。志愿者招募通过广告牌海报和口碑。确保良好的接触传感器,乳房必须远远足够的测量槽。因此,参与这项研究的标准之一是最小“C”杯大小。志愿者的年龄被记录;然而,没有额外的信息在乳房组织成分可用(例如,x射线的乳房x光片或其他乳房成像结果)。志愿者们被他们的年龄。

测量发生在研究实验室和注册护士帮助志愿者被放置在机器。研究工程师控制数据采集(隐私屏幕),而护士调整之间的分离距离传感器。左边和右边的乳房检查,总共四个测量每个乳房。首先,传感器将乳房皮肤接触和初始测量记录。然后,其中一个传感器是移动5毫米对乳腺癌和第二个测量记录。第三次测量记录后第二个传感器5毫米接近乳房。最后,第一个传感器是拉近了另一个5毫米前第四测量记录。因此,总共4测量(每个不同的分离距离)为每个乳房了。这个过程是成功地实现我们所有的志愿者没有任何不适。

21岁到65岁之间的志愿者参加了我们的研究。正如预期的那样,我们已经观察到相当大的信号衰减的变化由于乳房组织个体间的变异。例如,对于一个个体(图35岁 12),为整个频带信号进行了记录。而对于一位55岁的志愿者(图 13),传输较弱,没有明显的信号被记录后4 GHz。我们注意,结果为每个病人通常表现出类似的特征,即增加传输与减少传感器之间的分离以及减少传输频率。

为了比较衰减水平之间的每种情况下,最后一个频率点的传输信号达到20 dB信噪比(信噪比)作为指标。对于这个特定的测量系统,20 dB信噪比转换成透射系数的−100分贝。这里被称为“最大频率”,和观测值绘制在图 (14日)。最短的最大频率决定分离距离传感器,允许这个测量收集。给出相应的分离距离图 14 (b)。图 14 (c)调查分离和最大频率之间的关系,没有相关性。这证实最大频率的变化与乳腺组织成分的差异在我们的志愿者。

图 (14日)表明,病人的最大频率变化之间的3.5到10 GHz(测量限制),某种对称个别病人的左和右乳房。只有21岁,55岁的志愿者展示乳房较大的差异。然而,在55岁的个人的情况下,分离距离(图 14 (b))有很大的不同。当最大频率相似距离进行比较,更好的对称是观察。这表明变化的最大频率为55岁志愿者将分离距离的差异。也观察到分离距离我们62岁的志愿者在左右乳房之间明显不同;然而,良好的对称性最大频率仍指出。这个志愿者以前手术在她的左胸,所以也许组织属性的变化(例如,疤痕组织)导致类似的最大频率在不同的分离距离。

生成统计不够时,测量建议使用信号的可能性10 GHz形象乳房组织,根据乳房组成。同时,测量传输特定于我们的系统水平。获得较高的传感器和测量设备有更好的动态范围会增加总体敏感性。另一方面,它实际上是观察到轻微下降的传输路径长度可以显著增加信号强度,使温和的乳房压缩一个很有吸引力的选择。例如,在图 13,超过10 dB在传输得到10毫米减少传感器之间的分离。

对于每一个病人,房地产评估技术应用于6组合4测量数据的传输系数;结果平均产生单一的评估。这个平均执行限制可能的测量数据中的异常值的影响。结果的准确性难以评估,因为地面真理仍然未知。然而,根据观察到的衰减,初步估计的组织属性和/或乳房成分可以提出。

例如,志愿者35岁,36岁,43 (a),和65岁的最大频率传输达到10 GHz之间重要的分离距离传感器。这表明这些病人主要是乳房脂肪组织(组织组3)。这些志愿者的乳房的估计性能图所示 15,汇聚成3模型假设。

乳房,可能更重要的腺体组织成分(即。,lower maximum frequencies), the average property estimation is unfortunately not as successful. For example, the permittivity estimates show significant variations with frequency, and the permittivity curve usually does not follow the expected Cole-Cole model shape. The conductivity usually behaves close to expected; however, some results show unexpectedly high conductivities or conductivity that decreases with frequency. To illustrate these observations, estimated properties for our 30-year-old volunteer are shown in Figure 16。几个因素可能是这些行为的来源。首先,异构的乳房很可能产生多路径,信号可以通过脂肪组织旅游或腺体组织,因此传感器在不同的时间到达。这种多路径使我们简单的传播模型的不足。其次,我们的估计技术假定乳房组织变形均匀。这意味着透射系数的变化与整个乳房,而不是本地卷。众所周知,弹性模量的值是不一致的跨不同组织类型( 15),这意味着不同的组织有不同的变形。因此,传播的变化可以从当地的变形产生,而不是假定均匀变形。因此,替代技术来估计平均所需的属性是乳房不主要是脂肪。