微波成像和新兴的应用

用于生物医学有源微波成像已经提出，研究，并受全球机构过多的过去30年中实现了不同程度的。研究的兴趣主要是基于一个事实，即组织的介电性能体现有关的生理状态和功能的重要信息。早期的努力集中在涉及经典的技术，如衍射成像和Born和Rytov近似最后证明太有限的高度涉及电磁场场散射的技术。在快速增长的计算能力和速度的时候，电磁学领域迅速采取了这些功能，向前发展改善和逆建模工具。这是在硬件实现更加方便，可以迅速模拟和验证没有大量的时间和制造和测试的费用。数值能力的发展已具有相当的地方全3D软件包，都定制和商业，可与精致的分辨率合理的时间框架表示复杂几何形状的点。

微波成像将永远是一个混合的数值建模和硬件。目前的两种主要方法包括某种形式的断层摄影或三维反演和基于雷达的技术。前者主要利用传输数据，结合逆算法，产生询问介电性质的地图。该算法属于经典参数估计问题的范畴，源于一个基本的数学声明，以尽量减少测量和计算领域之间的差异。广泛的优化问题已经实现，包括但不限于，高斯-牛顿迭代方案，遗传算法和反投影技术。这些通常是2D和3D实现，涉及单频和多频模式。虽然这一学科一直被模拟实验所主导，但一些努力已经扩展到至少幻影验证研究的水平，甚至更先进的乳腺癌成像临床实施。与任何技术一样，这些实现涉及到重要的设计权衡，包括信号衰减和探测强度、工作频率、分辨率、天线选择、机械与电子阵列扫描以及许多其他方面。早期的结果是令人鼓舞的，在一项重要的进展中，很明显，这项技术可以恢复精确的属性图，就像之前假设的那样，可以在远低于λ/ 2，瑞利准则。

雷达方法也稳步推进，在过去十年或二十年。虽然许多早期的工作仍然在模拟领域，最近的努力包括可信的翻译实验和临床甚至实现。不同的方法已经涉及正向或反向散射测量数据和已经探索了空气耦合，液体耦合和接触天线技术。这个概念已初步应用于检测的高对比度目标，如乳腺癌与最近的努力探索办法，以更广泛地表征异常。在这种情况下，传统的挑战涉及设计宽带天线，整个目标的波束覆盖，并产生足够的测量信号强度。关于乳腺癌成像更具体的问题涉及高度在皮肤散射。早期临床努力产生了细化和有趣的乳腺图像，尤其是对于密度较低的乳房。

微波成像在乳腺癌检测问题上的应用激发了世界范围内对这项技术的广泛努力。乳腺癌是一个重要的世界性健康问题，主要困扰妇女。癌症越早发现，治疗效果越好。虽然x光乳房x线照相术和MR等传统技术在检测和表征肿瘤方面做得很好，但它们对高密度乳房的效果尤其有限。这刺激了对替代方法的研究。正如前面所提到的，组织介电特性可以涵盖范围很广的介电常数和电导率值，从非常低的脂肪组织的值到高含水量组织的高得多的值，以及一系列的中间值，这取决于组成。最初，人们对微波乳腺成像的兴奋是基于这样的假设:肿瘤和正常乳腺组织之间具有非常高的特性对比，而这些特性差异将使在亚厘米范围内进行检测成为可能。最近的研究表明，造影剂的造影率不一定很高，而且根据内部纤维腺结构的不同，造影剂的性质变化要复杂得多。然而，这种对组织特性更细致的理解为乳腺成像领域提供了真正的机会，因为该技术扩展到乳腺癌诊断和治疗监测领域。事实上，这开启了将最近的数据与早期Ken Foster关于自由水和结合水之间组织特性关系的广泛研究联系起来的机会。 These complex mechanisms have been hypothesized as prognostic indicators for cancer and may pave the way for dielectric properties becoming important biological markers.

正如前面提到的，在这个舞台上最早的努力受到数值建模工作为主。但是，在社会上认识到这项技术继续是相关的，这里需要共同努力来的各种概念转化为诊所。这个特殊的问题是在这方向迈出的一步，并演示了一个成熟的领域。虽然有此集合内的一些模拟研究，相当多的人直接处理的执行挑战。几个在雷达区域直接处理在人类乳腺癌的体内测量获取。另一个从所述断层摄影技术评估表面波的多路径的贡献，其可以是任何雷达，影像，或通信系统中的特别是令人生畏的问题的影响。这些是健康的标志，该集团了解到，为它继续是相关的，它需要这些想法稳步推入诊所现实世界的验证。模拟将始终在这一领域发挥重要作用，但随着硬件实现的协同作用，必须更加着重强调。

除了这些经典的动机，这个问题还突出重点的领域，因为它向前移动。举例来说，总有空间来探索新的成像技术，例如其可以被特别好地相适应的乳房成像情况全息方法。也有明确的方法来提高整体的方法，特别是当这些方法可以用这样的现有的技术建议，由纸交易与使用乳腺X线摄影结合雷达方法相结合。最后，虽然乳腺癌成像已经支配微波成像的景观了十多年，我们不应该受到其他重要的健康和商业机会蒙蔽。相对于矿物密度对骨介电特性的变化的研究设置了阶段为骨质疏松症的检测，并且正在成为一个主要的健康问题与我们的人口迅速老化骨健康监测的区域施加微波成像。这只是一系列重要的健康问题，其中微波成像可以做出很大的影响之一。

Meaney Paul m .

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