文摘
微波断层扫描(MT)测量设置为不同的配置基于胸部压缩相比,经典圆测量设置。配置基于压缩允许测量散射场的损耗分量,导致测量设置紧凑,允许直接图像与一个标准的乳房x光检查系统。比较了不同的配置基于奇异值分解的辐射算子的二维TM。这种分析可以确定在哪些条件下获得的图像质量的重建可以增强。这些发现证实了基于合成的一系列重建乳房幻影数据获得单个操作的频率。
1。介绍
主动微波成像用于乳腺癌的检测一直是一个活跃的研究领域在过去的年1]。两种不同的方法被认为是,即到雷达的方法(2)和微波断层扫描(MT) (3]。太是用来估计被测对象内部的复介电常数分布(出),通过求解一个逆散射问题当物体照在几个不同的条件下,测量散射场在不同的位置。在MT,详细信息为代价获得的是解决非线性和不适定逆散射问题[4]。
太通常包括一系列的测量设置接收(Rx)和传输(Tx)天线测量所需的散射场重建算法。天线可以安排在平面、圆柱或半球形的表面。在临床可用的原型,病人容易与乳房垂饰表在于液体(3,5]。这个配置已经提出了最大限度地提高病人的舒适度。在这种情况下,圆柱形或半球形配置是首选,因为天线可以保形乳房的形状,可以准确的样品分散字段。然而,压缩的乳房可能存在几个优势这个经典配置(6,7]。Tx和Rx天线可以放置非常接近,允许损耗分布的测量领域。同时,这个过程会导致重建算法的简化自厚度压缩乳房恰恰是已知的。最后,因为太和x射线乳房x光检查可以使用相同的压缩配置相结合的方法将利用这两种技术的好处,即高分辨率的x射线和提供的定量信息。这种方法已被用于其他技术相结合,也就是说,乳房x光检查和光学成像正电子发射断层扫描和计算机断层扫描(8]。在配置使用胸部压缩的情况下,一个平面配置Tx / Rx数组将更好的适应。
损耗分布领域已经利用了很长一段时间在微波近场显微镜(9,10]。这种方法是常用的无损评价的材料允许纳米的空间分辨率的顺序。损耗分散开发领域提出了MT (11,12]。作者表明,获得的重建图像的增强太获得通过使用近距离设置;然而,这种增强仅限于该地区附近的边缘成像领域。
在本文中,我们将分析如何改善重建图像的质量通过乳房压缩。首先,我们将讨论不同的可能性的实现平面MT测量使用胸部压缩设置。接下来,我们将简单介绍分析技术用于比较不同的配置。这将包括评估乳腺癌和一个简单的力学性能分析压缩下的变形的乳房组织。最后分析结果将显示在哪些条件下可以提高图像质量利用损耗分布的测量领域。
2。不同的配置太设置基于乳房压缩
平面测量设置微波成像已经被研究的文献,包括平面微波相机(13,14)或提出的光栅扫描(15)使用乳房压缩。但是,没有乳房压缩效应的分析获得的图像的质量进行了探讨。
本文考虑的配置如图所示1。图1(一)显示了一个经典的圆太设置Tx和Rx探测器放置在周围的一圈。通常,Tx探针,Rx探测器,都沉浸在一个正确选择最大化匹配介质场之间的耦合探测器和感兴趣的地区。不同的可能性可实现平面太设置。第一,更直接的想法可以实现Tx和Rx的平面阵列天线,可以看出图1 (b)。的阵列天线可以沉浸在匹配的媒体,或者它可以放置在空气中地区如果使用一个密封的容器。这个配置的缺点,天线,被散射的近距离,将扰乱现场测量。这个问题可能的解决方案是包括配方的天线问题的考虑他们的存在[太系统的离散化的16,17]。另一种可能性是使用一个数组的小近场探头在测量领域减少扰动(18]。两个配置基于这种类型的近场探测数据所示1 (c)和1 (d)。第一个,称为相机配置,设置是由一系列Tx天线从一边,照亮了一个数组的近场测量探针在另一边。这个设置安排可能创建一个非常紧凑的系统可以与标准的乳房x光检查设备集成。这个配置的一个缺点是事实,我们只能通过对象,传播信息转化为一个有限的观点。第二个配置如图1 (d)将被称为波导配置。浸介质形成的复合结构和外壳介质板和周围的空气形成的区域可以被视为一个多层介质波导。的结构能够指导不同的TE ()或TM (和)模式取决于操作的频率,浸媒体和电介质的介电性能盘子,和不同层的厚度。不同的组合模式可以使用数组发起传输天线和改变它们之间的相移19]。这个配置的优点是分散的字段可以测量两个顶部和底部的结构,因此加倍相比相机配置的信息。这个配置还允许开发空间和模态的多样性来创建所需的数量的独立的灯饰。在二维情况下这个事实可能是一个限制,因为独立灯饰的数量是有限数量的两倍可能波导中的模式。在三维情况下这不再是一个限制的事实自额外维度给出了自由空间多样性来创建所需的数量的独立的灯饰。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。数值模型
在本节中使用的不同的数值幻影重建将会呈现。因为我们比较测量设置和没有压缩,这是很重要的,为了一个公平的比较之间的配置,模型,考虑,至少约,产生的变形的各种乳房区域压缩。为此,我们进行了一个简单的机械分析的压缩乳房组织和结果将简要讨论。然后,使用的数值幻影将呈现不同的重建。这些数字乳房模型启发从解剖学上现实的数字乳腺幻影在20.]。
3.1。机械变形的乳房组织
人体组织的力学性能在不同的医学应用一直是一个活跃的研究课题。乳房组织变形也研究了图像对比乳房x光检查和CT或MRI等其他noncompressing技术的乳房21)或图像引导手术(22]。在所有这些应用中,乳房组织通常近似地模拟线性弹性材料。这些材料的特点是:由两个参数,杨氏模量和泊松比。为了使一个现实的比较不同的配置,我们已经分析了变形的乳房一样对象由脂肪和腺体组织使用两种不同的机械动力学、中科多重物理量和ANSYS机械解算器。力学性能的模拟对象被分配在21)和报告在表1。这些属性得到不同的编译结果从出版在活的有机体内和在体外测量人体组织。然而,乳房组织很异类,这些值可以不同的患者或部分乳房之间的差异很大。
分析结果表明,力学性能见表1,脂肪会大部分变形而腺体组织仍然或多或少不变。另一方面,其他的研究表明,这两种类型的组织类似的现值的杨氏模量23]。这些后来的研究框架中执行的小变形弹性成像中使用。这不是在压缩用于乳房x光检查的水平,因此机械造型能够处理大变形和预期的非线性力学行为应该用于未来的研究。
3.2。数字乳腺幻影
数值幻影将用于不同重建中执行部分5如图2。他们不同fibroglandular组织的内容,他们将确定在续集主要是脂肪,分散fibroglandular,非常密集。所有这些幻影包括脂肪和腺体组织的混合物,其电特性在2.45 GHz的频率表1(24]。未压缩的幻影,脂肪部分是一个圆的半径和29毫米腺部分不同的幻影其他反映腺组织每个类别对应的百分比。在前一节中,讨论了如何在脂肪组织遭受压缩下的变形比腺组织由于其较低的刚度。考虑到这一点,假设脂肪部分畸形成扁平的椭圆保持乳房的体积不变,而腺部分保持不变。同样的体积也保持解决方案域。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4所示。分析技术
在本节中,反演算法用于重建不久将解释以及一种有效的方式来解决非齐次逆散射问题的乳房压缩基础配置。最后,辐射的奇异值分析运营商也将推出。
4.1。反问题
一般太问题被放置在一个解决方案域它是使用一系列顺序照亮不同的发射天线。对于每个照明散射场的测量点。所有的配置如图1,一个二维TM是;也就是说,对象被认为是无限的的电场方向和假定只有一个组件。两个积分方程的系统定义了散射问题。(后发展25),我们可以使离散方程组使用矩量法(MOM)与脉冲基函数和点匹配和获得下列矩阵方程组: 我们有。域是离散的像素()。向量的大小包含了由于测量散射场照明。是入射场向量的长度在域当不存在。和绿色的观察和耦合矩阵的尺寸吗和,分别。这些矩阵计算的离散二维格林函数(GF)的领域。
和问题的都是未知数。是一个对角矩阵(),是一个向量的长度包含离散版本的对比函数被定义为。是未知的复杂的离散区域的介电常数和是一个复杂的背景介质的介电常数。最后,是一个向量包含的激发极化电流(),域总电场。未知的和发现通过一个著名的CSI的修改版本技术提出了(26]。重建图像的质量会比较的均方误差(MSE)感兴趣的数量后的固定数量的迭代算法。MSE的定义是,在这是已知的对比。
太提出的配置图1和基于胸部压缩需要一些修改太反问题的解决方案。在这些配置我们不得不考虑电介质的压缩板。通用配方后,我们应该用空气的均匀GF地区和整个地区的对比函数定义包含盘子和浸介质,这是导致相当大的计算开销。然而,由于我们只是感兴趣的成像包括压缩板之间,将非常有利于减少离散化区域的大小。这是很有可能的,因为板块的几何和电特性是众所周知的。为此修改后的GF和事件字段需要计算考虑非均匀背景的存在。
计算非齐次GF在文献中被广泛接受,尤其是无限多层介质的情况下(27- - - - - -29日]。然而,图中给出的几何图形1横向关闭包含匹配的液体,允许一个紧凑的测量设置;在这种情况下我们的非齐次媒体不能被视为无限多层媒体。另一种可能是这个女朋友数值计算。根据(27),非齐次离散为2 d版本的女朋友TM标量情况下,可以表示为 在哪里均匀情况下对应的女朋友,吗的贡献是不均匀结构的一部分。可以结合方程(1)和(1 b)。作为一个例子,离散GF可以表示为: 在哪里和定义在较小的区域相应的成像领域中定义的数据1 (c)和1 (d)。另一方面,和是自由空间离散GF和非齐次之下,他们是定义在一个区域包含整个结构包括介质板。因为这个原因的学期我们只需要考虑中包含的像素更小的区域。已经定义了非齐次的对比对地区的空气;因此一个常数项用于获得女朋友相对于新背景介电常数,。同样的程序可以计算获得和。
这个过程的一个例子所示,模拟结果相比,利用CST微波工作室。在图所示的几何3(一个)由一块甘油(,),轮廓plexyglass (,)。甘油板的大小是240年由38毫米和plexyglass轮廓的厚度是6毫米。散射对象是一个矩形的12 10毫米,与电动对比2指的是甘油介电常数,位于;和。对象被4输配电线路位于来源和和散射场的测量在80个职位方向(40位于和40)之间的2毫米间距测量探针。获得的结果(1),(1 b),(2),(3)和(3 b)在MATLAB中实现和CST微波工作室的时域有限体积公式如图所示3 (b)对散射场的振幅和相位。这里80年测量的四组序列,以缓解可视化所示。CST微波工作室是一个3 d解决所以适当的边界条件用于模拟表示2 d几何。网格大小妈妈仿真(),分配给在中科2.45 GHz的频率。从图可以看出,结果这两个非常不同的技术同意对振幅和相位。这个事实验证的方法用于从一个非均匀散射的计算对象使用一个非齐次格林函数。这个配方大幅减少格林矩阵的大小和和入射电场矢量。例如,在给定的例子中,大小的减少了从3150年到3150年到1026年的1026元素,考虑一个成像区域54岁的19像素。这有相当大的影响将在部分进行的重建5,因为CSI类型算法涉及大量的矩阵和向量的数量前面提到的产品。
(一)
(b)
4.2。计算分析
有几个工具可以在文献中先天的分析太系统的能力来重建一个给定对象的分散实地测量。在这些技术我们可以把辐射的计算分析算子(30.,31日)或最近费舍尔信息分析(32),雅可比矩阵的奇异值分析(33),和散射矩阵分解(34]。在这个工作我们将限制的计算分析定性,这是一个有用的工具来比较不同的行为太配置Tx和Rx。这种技术已经被用于研究不同的测量配置的行为太对地球物理勘查12,35)或通用成像系统(36]。
这个分析是基于奇异值的行为的辐射算子。它已被证明在12)对于一个给定的值的信噪比(信噪比)或测量精度,高数量的显著的奇异值将增加“信息内容”中包含一组测量散射场。在某些情况下可以获得奇异值的解析表达式;然而,本文数值程序将使用自辐射算子计算数值的情况下波导和相机配置。辐射操作符的大小承认的圣言会分解形式,在那里和平方矩阵的大小吗和分别为,是一个对角矩阵的对角线包含一个向量与矩阵的奇异值。
5。结果
5.1。圣言的分析配置
这里计算的结果分析,提出了配置。这三个配置考虑在本节中,圆形,相机,和波导,共享相同的浸泡中之前定义。介质板具有相同的材料和厚度如前面例子中提出了部分4。不同情况下的结果如图所示4。奇异值绘制不同半径的圆周Rx天线放置在圆形的配置和波导和相机配置。在这两种情况下,乳房被压缩的价值38毫米代表一定程度的压缩测试(类似于一个标准的乳房x光检查37]。在圆形的配置中,使用均匀的女朋友,而波导和相机配置一个非齐次的女朋友。
一些有趣的言论可以基于图4。圆形的光谱奇异值配置提出了衰减的速度变得不那么突然的探针放置接近成像区域(11]。波导和相机配置的情况下,奇异值的衰减速度非常流畅,拟线性趋势。这种效果是由于不同媒体之间的不连续和Rx之间的近距离探测和成像区域35]。相机配置另一个重要的影响是有许多重要的奇异值低于波导配置,自Rx探针放置两岸的成像区域。最大数量的显著的奇异值的情况下获得与波导配置,从而提高重建图像的质量预期从这个配置。另一个有趣的事实是,衰变率的变化的光谱奇异值使得配置更加敏感的信噪比测量。这意味着当一个高信噪比测量系统是可用的,有一个优势探测散射场更接近成像区域。另一方面,当信噪比降低时,额外的“信息”,可以从分散字段将被隐藏的噪声中提取或测量误差。
5.2。影响压缩板的重建能力
在本节中,压缩板的效果进行分析。除了乳房组织,有三个媒体现在在相机和波导配置:浸介质,压缩板,和周围空气的测量。通常,有一个大的介电常数差异之间的空气和浸介质,这中专门选择乳房内的最大能量。原则上它有可能增强散射场在空气传播地区的数量由一个适当的选择的压缩板的厚度和电气性能。为此圣言会分解将执行不同的压缩板厚度和介电常数的值。
波导的计算分析配置如图5。图5(一个)展示了奇异值的光谱对不同厚度的压缩板介电材料制成的和对应的属性在2.45 GHz丙烯酸塑料。图5 (b)显示不同的值的奇异值的变化为一个常数6毫米的厚度。接收器的位置总是保持在5毫米的距离顶部和底部的盘子。从这些数据可以看出,板的厚度中起着重要作用的重建功能配置,而板块产生本质上的介电常数在奇异值的配置没有变化。从这个结果我们可以得出这样的结论:盘子应该尽可能保持薄为了把接收器尽可能接近。
(一)
(b)
5.3。重建的数值幻影
为了证实这个结果的计算分析运营商,本节显示重建的三个提议幻影,不压缩和不同级别的信噪比。综合测量数据使用一个母亲代码生成和高斯噪声添加到代表实验条件。CSI算法(26使用和结果2000次迭代后的重建图像进行比较。这确保算法的迭代次数已经达到收敛。在所有的情况下,算法的起点是零之下,也没有先天的使用物体的形状信息。所有的细节关于反演算法的实现可以在引用参考。
就像前面提到的2,可以生成独立的灯饰,与波导配置的数量是有限的独立模式,可以传播结构。模式的数量可以使用传输矩阵法计算中描述(38]。波传播被认为是沿与电场的方向方向(即。,TE modes in the formulation of the cited reference). For a multilayer structure composed of a slab of the immersion medium described in Table138毫米,厚度压缩板plexyglass (和)的厚度6毫米,外部空气区域,总共有三个独立模式传播(即。,操作的频率高于截止),2.45 GHz。从这个结果发射器的数量是固定的(即。,three modes can be launched on each side of the structure) and the number of receivers is fixed to,其中一半位于而另一半为波导结构。这些接收器位于压缩板上下5毫米。为圆形结构,发射器和接收器的数量都是一样的;然而,在这种情况下他们是等距的在不同的圆周半径。
的重构进行了三种不同的幻影和不同级别的信噪比。不同的重建的MSE信噪比的函数图所示6三是幻影。这些结果同意前面的结论获得的光谱奇异值。从这些数据可以看出,重建的质量是极大地增强了成像的探针放置在靠近的地区。主要是脂肪的情况下,波导显然比所有的循环设置。对于分散fibroglandular非常致密的乳房模型中,波导设置有一个更好的性能对信噪比的值大,同时性能会迅速降低噪音水平增加。一般来说,可以得出结论,一个信噪比约40 dB的价值需要看到一个显著提高重建图像的质量。这个值的信噪比以前取得了在先进的测量系统14,39)的近距离的现场测量完成。当信噪比降低,散射场的损耗分量是蒙面的噪音,和重建图像的质量开始下降。作为一个例子,图中所示的幻影的重建2,有或没有得到压缩,数据所示7和8。增强数据清晰可见7 (c)和7 (d)3腺地区,在后一种情况下可以明显区分而在前者不可能本地化腺的边缘地区。
(一)
(b)
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6。结论
在本文中,我们分析了不同的配置太问题基于乳房压缩。这些配置设计的上下文中创建一个测量设置紧凑,使用相同的压缩几何作为标准乳房x光检查装置。不同的配置比较基于奇异值分解的辐射运营商和通过几个乳房一样的重建对象,没有压缩使用综合生成测量不同级别的信噪比。(我)已经表明,定量和定性的增强重建图像可以获得使用胸部压缩相比,一个经典的圆形MT测量系统(即相同的测量条件。相同,相同数量的Tx和Rx天线和信噪比水平)。此增强功能依赖于信噪比水平。在我们的例子中,人们发现需要40 dB或更好的信噪比的提高重建的质量。然而由于非线性的逆散射问题,这个值可能依赖的几何配置,操作频率和特定算法用于逆散射问题的解决方案。(2)重建的波导配置显示更高的潜力比相机配置因为后者只能提供信息传输通过,导致有限的散射场。(3)一个有效的方法来治疗乳腺癌的非均匀背景压缩基础配置基于非齐次格林函数的计算提出了。执行这个格林函数的计算数值及其大小允许更小的成本降低的内存和速度逆散射问题的解决方案的。(iv)执行简单的乳房一样的重建模型与不压缩,只有乳房的脂肪部分变形,考虑的结果的简化机械仿真乳房组织变形。一项有趣的研究可以使用实际的数值由文献中出现的幻影和非线性配方申请机械变形,允许大的变形。
没有痛苦的胸部压缩通常被视为基于雷达和太技术的优势。决定是否获得的图像增强与压缩和相关的潜力更好的肿瘤检测克服病人的舒适的好处而言当然是超出了本文的范围,因为它需要详细的临床研究。但结果却表明,压缩不应被忽视的未来太发展,作为一个潜在的更好的诊断。
确认
作者要感谢Mohamed Aissiou戴尔芬Pernie-Curier教授和教授马丁几何从理工机械工程部门的有用的讨论乳房组织的机械变形。这项工作进行的金融支持FQRNT CRSNG。