测量和分析的微波频率信号通过乳房传播

抽象

微波接近乳房成像包括通过发送和从乳房的反射信号进行测量。原型系统通常特征传感器从乳房分离，从而导致测量包括环境和系统的影响。通过乳房洞察微波信号的传输，即在与所述乳房的直接接触的地方的传感器，提出了一种系统。该系统还包括一个有损耗的沉浸介质，其使得信号通过测量穿过乳房而显著衰减沿着其它路径传播信号。在传感器之间不同的分离收集测量还提供以估计乳房组织的平均电性能的机会。通过仿真和测量验证后，进行的10名志愿者进行了研究。结果表明，该右和左乳房之间的对称性和证明衰减可靠的测量的最大频率差，以及其可能涉及在乳房组成的变化平均性质。

1.简介

微波的方法已被提出作为用于乳房成像互补的方法，提供了与在乳房组织的电磁特性的图像。在健康组织的性质的变化显著预计，导致微波信号和有意义的图像的创建的两个测量挑战。最近的一项研究分析了健康的乳腺组织的354个样本已被手术切除[测量1]。结果表明，介电常数和电导率随样品中的脂肪组织的比例增加。具体而言，脂肪组织，预计在微波频率为呈现低介电常数和电导率，而腺组织的性质预期是大几倍。第二项研究分析恶性组织的性质，比较恶性和腺体组织属性时[相比脂肪组织时和少得多的显着差异（10％的量级上），这表明在这些组织中的属性显著差异2]。乳房的构成也因人而异。例如，女性的乳房可能主要是脂肪组织，或者是由腺组织组成的致密乳房。乳房成分和乳房组织电磁特性的结合表明，微波成像涉及到检测复杂环境中的微小变化。此外，与微波成像和测量相关的挑战也会随着乳房成分的不同而变化，因为低衰减的信号和高对比度的健康和恶性组织之间的预期脂肪乳房。

为了深入了解相关的测量和成像的挑战，依据患者乳腺MR扫描仿真模型已经被开发[3]。这些模型提供逼真的乳房形态和组织的空间分布。在尝试精确地表示组织的特性，是基于测量研究的介电性能的模型并入[4]。为了提高模拟和测量数据之间的匹配，该系统的天线和方面的模型（例如，浸没液体）也包括在内。乳房模型和数值技术进行传感器，诸如有限差分时域（FDTD）方法的模拟提供的洞察预期在测量反射和发送的信号。例如，最近的一项研究比较了志愿者和患者的具体型号的模拟测量，显示主导的思考[较好的一致性五]。然而，模拟和稍后时间反射测量之间的差异是明显的，并且发射的信号没有测定。发送的信号是特别感兴趣的近另一个乳房组织的性质的研究，这表明之间的差异的光在活的有机体内和离体测量 [6]。如果存在报告的测量和实际组织特性之间的差异，然后仿真模型可能不能准确地预测通过乳房发送的信号。此信息是用于确定用于测量的系统，如动态范围和频带要求的有价值的工具。

几个原型系统已被设计为微波乳房成像和包括传输信号的集合。例如，对于微波断层摄影一个系统具有定位于距乳房距离并放置在有损浸没液体天线阵列[7]。该系统的设计工作频率为500mhz到3ghz。第二个例子是多基地雷达系统，它的天线被布置在一个半球上[8]。介电插入件和浸没液体的层被用于将天线从乳房分离。The bandwidth for this system is in the range from 4 to 10 GHz [9]。虽然这两个系统都收集传输的数据，但信号预计会受到外部环境的影响，而不是主要受乳房的影响。不同的浸泡液对与液体电磁特性有关的发射信号的影响也不同。此外，这两种系统都是为特定的工作频带设计的，不允许评估包括低频在内的非常宽的频带上的传输。

因此，有必要评估通过乳房传输的信号可以可靠测量的频率上限，并深入了解在这个最大频率上患者内部和患者之间的差异。在本文中，我们报告了一个设计用来测量在1-10 GHz频率范围内通过乳房传输的信号的系统。传感器与乳房直接接触，并使用损耗浸泡液体衰减信号可能传播的替代路径。测量传感器之间已知的分离和耦合介质中不存在明显路径的传输信号也为评估乳腺组织的平均特性提供了机会。基于反射的测量包含太多的模糊性，使得评估的平均属性实际(使用有限数量的传感器位置)。我们进一步注意到，这个系统并不是专门为成像设计的，尽管估计乳房组织的平均属性将有助于微波成像算法。系统验证后，对10名志愿者进行研究，以了解不同患者和同一患者内发生的衰减和最大手术频率的变化。我们报告一个简单的技术来估计平均介电常数和电导率的组织从传输测量和应用该技术的测量收集的病人。

2.方法

在这一节中，描述了测量微波信号通过人体乳房传输的系统和平均性能估计的方法。乳房组织的导电性在不同的病人之间会有很大的差异，这就意味着信号衰减的差异。在衰减非常高的情况下(例如，主要是腺组织)，由于传输信号极其微弱，预计会导致测量困难。这些挑战必须通过仔细设计测量系统的两个方面来解决。首先，总体动态范围需要尽可能高。其次，信号可能有多种路径;穿过乳房的信号是有趣的，而环绕乳房的信号则不是。因此，该系统必须能够方便地检测仅通过乳房的信号。本节将描述为实现这些目标而实现的传感器设计和系统配置2.1。该系统还提供了一个机会，以获得额外的信息，通过估计平均性质的乳房组织。一种粗略估计平均性能的简单方法将在本节中讨论2.2。

2.1。传感器及系统

仙后座天线(图1）10是用来发射和接收信号的传感器。这种天线的设计是为了与乳房皮肤接触，并在有损浸泡液体中工作。天线本质上是一个平衡的对映维瓦尔第天线(BAVA)，天线孔中包括一个导向器，类似于[11]。主要的差异是经修饰的馈电结构和使用更高介电常数的材料以限制字段到所述天线，使得传感器是相对不敏感的浸没液体。天线和馈电设计的细节，与初始模拟，并与仙后座测量结果一起放置在空气中和甘油，在被发现[10]。在这项研究中，天线被放置在2%的盐水溶液中，以减弱在乳房外传播的信号。如图所示2中，2％盐表现出导电性大大高于乳房组织的预期电导率，这显著衰减沿着这些不需要的路径传播的信号。

收集透射测量，两个传感器被放置在罐（或乳房）（图的相对侧3）。The sensors are placed 37 mm below the top of the tank in order to completely immerse the sensors in the saline. The two sensors are aligned, and each sensor is mounted on a sliding arm, as shown in Figures3和4。The separation distance can be manually adjusted between 140 mm and 10 mm using a knurled wheel; digital callipers are attached to both sides so that precise separation distances can be recorded. This configuration permits the antennas to be positioned such that contact is made with the breast skin. Modifying the separation distance may easily be accomplished with high accuracy; several measurements at different separation distances are typically collected. The antennas are connected to a vector network analyzer (PNA N5242A, Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA). To maximize sensitivity, measurements are performed with an intermediate frequency (IF) bandwidth of 10 Hz and a port power level of 10 dBm. These settings produce a comfortable 120 dB dynamic range at the antenna ports without need for additional averaging. A total of 401 points are recorded over a 1-to-10 GHz bandwidth. The total sweep time is 36 seconds.

在盐水中的传感器和传感器来测量发射的信号的能力的性能进行评估。首先，测量并在很宽的频带的模拟反射系数被检查。模拟还执行以评估乳腺组织的辐射场分布的完整性。The breast model examined consists of a 2 mm thick skin layer filled with homogeneous breast tissue representing fat (tissue group 3 which represents median properties of samples containing 0–30% fat in [4]）。乳房模型的尺寸在[详述11]。的FDTD仿真工具（SEMCAD X，SPEAG，苏黎世）用于与类似于在报告的参数执行仿真[10]。发表在色散模型参数[4，12，13]用于将2％的盐水，皮肤和组织组3，分别建模。通过测量辐射场的验证是具有挑战性的，因此发送的信号通过代表低和高损耗场景乳房模型测量。半球形，低损耗乳房模型中描述[14]，如图所示五。This model has a diameter of 100 mm and is made of a solid dielectric material with relative permittivity of 15 and loss tangent supposedly less than 0.002 (Eccostock HiK, Emerson, and Cuming Microwave Products, Randolph, MA, USA). The high-loss breast model has the same dimensions, however, consists of a thin rubber membrane filled with a 1% saline solution. The conductivity of 1% saline is greater than the conductivities reported for the three breast tissue groups in [4]但是2％盐水的下方，因而非常弱的传输的预期。

数字6显示了用于与人类参与的工作的用户界面。它由在其上志愿者处于俯卧位置的床。所述床包括其中乳房延伸到下方放置在计量罐的开口。巴勒斯坦民族权力机构位于床后面直接计量罐下。几个测量结果是从每个志愿者采集（以节提供了关于志愿者的研究更多的细节4）。天线被放置成与乳房接触，并且初始测量被收集。天线间隔被修改，并获得一组新的测量。这个过程被重复几次，从而产生一组与所述天线之间不同的分隔距离收集的传输系数。注意，完整的散射系数矩阵（，，和）被记录为每个测量。

2.2。性能估计

被引入以估计乳房组织的平均电特性的简单方法。该方法利用了记录在天线之间的两个不同的分离的透射系数之间的差异，但是，涉及到几个假设。首先，假定在皮肤和传感器之间的接触保持重新定位传感器中的一个后保持不变。其次，在响应由于电缆移动的变化可以忽略不计。这些假设被认为是基于反射系数的稳定性（是合理的和测量之间）进行观察。第三，假设乳房的内部结构是在不同的分离收集两次测量相同（即，这两个路径具有相同的平均属性）。因此，假定所传送的信号之间的差来单独地涉及通过降低传感器之间的分离诱导的传输长度的变化。为涉及在透射系数到乳房组织的平均电性质的变化，我们进一步假设一个均匀的平面波模型来描述从发送传播到接收天线。这隐含忽略多在乳腺组织的任何影响。在组织中的电场被近似为： 哪里衰减常数是多少是相位常数。然后这些常数使用一对传输测量的与径向的信号的扩频的校正沿着近似： 哪里是在已经进行的测量的分隔距离，是传输系数的大小，并且是透射系数的相位。下标1和2指用于计算所述两个测量值。注意必须大于。

的衰减和相位常数被检索后，将相应的介电常数和电导率使用计算（3）： 哪里和是介电常数和真空的磁导率。

3.验证

该测量系统首先检测单个传感器的行为，然后通过收集传输数据进行验证。更具体地说，研究了在感兴趣的整个频带上充分测量传输信号的能力和属性估计方法的可行性。

3.1。传感器和系统性能

数字7表示反射系数(）对于每个在2％盐水溶液所测量的传感器。为了完整起见，模拟结果也表示。的价值在感兴趣的频率范围内小于- 10 dB，表明大部分功率被天线辐射或吸收，但没有反射回源。观察到两个传感器的响应以及模拟和测量结果之间的差异。这些差异主要可以归因于仙后座的敏感施工过程。如[10，这个传感器是由几个金属和塑料件组成的，必须进行加工和组装。此外，水泥材料被注入传感器孔，需要填补紧张的空间。塑料材料的加工变化和水泥灌浆过程的控制难度，传感器之间的施工差异是可以预见的。我们还注意到，在频带的后半部分，模拟和测量的响应之间的差异增加了，这是由于模拟中使用的材料属性不准确造成的。具体地说，该传感器使用的是Eccostock HiK材料，该材料的介电性能模型在整个感兴趣的频段是不可用的。

数字7建议，根据[10，仙后座可在导电介质中合理运行。然而，在高介电常数的液体中，例如2%的盐水，天线开始表现为一个漏波结构，特别是在较低的频率(低于3千兆赫)。如图所示8，其中介绍了模拟辐射行为，当所述天线触点乳房模型，如在[9]，其由填充有材料代表低损耗组织的表皮层的。At 2 GHz, the structure radiates in the vertical direction and the intensity of radiation in the breast tissues is quite low, considering that the breast tissues are considerably less lossy than the immersion medium. This behaviour is the result of the antenna becoming a leaky wave structure in high-permittivity media. At higher frequencies (4, 6, 8 GHz), the leaky wave effect is significantly reduced as the field is more confined in the antenna structure. Based on this simulated result, significantly lower transmission measurements are expected in the lower-frequency band.

数字9呈现与低损耗乳房模型得到的测量和模拟的发射系数。在较低的频率下，非常低的传输大小注意，如从图预期8。However, the transmission level appears to stabilize at 4 GHz and above. We note that, at the higher frequencies, the simulated data predict a stronger transmission than observed in practice. Again, differences in the Eccostock HiK material properties between measurements and simulations are the main source of this disagreement, especially the conductivity which, in practice, significantly increases with frequency. Nevertheless, the main observation is that the measurement system demonstrates the ability to measure transmitted signals over the frequency band of interest.

通过高损耗乳房模型测得的透射系数显示在图10并展示我们的测量系统的测量非常微弱的传输信号的能力。更精确地，可以观察到透射系数测量，而乳房模型呈现的容易从没有现有乳房直到两个信号达到本底噪声在相同的传感器分离进行的测量来区分。换句话说，这样的结果表明，这些弱记录的信号实际上传播到乳房模型而不是在液浸介质或罐结构。

3.2。性能估计

为了验证的属性估计技术，使用具有仅含有1％盐水浸没介质的罐的测量。这种较低的损耗介质被选择，而不是2％的生理盐水中，以测量在更宽的频率带宽的信号。数距离处的透射测量显示在图图11（a），而所计算的电容率和电导率，使用两个最短的间隔距离沿（2）和（3)，以数字表示11 (b)和11 (c)。One can observe that the estimation is not very accurate below 3 GHz. At these frequencies, the poor radiation behaviour of the antenna, translated in a very low coupling efficiency, contributes to the error in results. However, above 3 GHz, the calculated values are very close to the theoretical ones, confirming that the assumptions made to simplify estimation of average properties are valid for this simple case.

综上所述，本节给出的结果表明，在2%盐水中浸泡的仙鹤天线显示出较低的辐射在非常宽的频带，且辐射场行为随频率提高（在较低的频率相关的漏波的行为）。具有两个传感器的工作表明，该系统能够检测通过与在感兴趣的整个频率范围内的低和高损耗特性的物体发射的信号。The approach to estimating average properties is verified for a simple scenario, showing that reasonable estimates are obtained from 3 to 10 GHz.

4.志愿者的研究

为了深入了解在该通过乳房发送的信号可以被检测到的最大频率，在已经执行的10名志愿者进行研究。该研究的描述之后是测量数据的呈现。最后，平均属性估计施加于所测量的数据，提供混合的结果。

4.1。招聘和协议

这项研究已获得加拿大卡尔加里大学的交合健康研究伦理委员会（CHREB），（ID 23244）。这些志愿者是通过广告牌和海报的口碑招募。为了确保与传感器接触良好，乳房必须延伸得足够远的计量罐。因此，用于在参与研究的标准之一是一个最小的“C”的罩杯尺寸。志愿者的年龄记录;然而，在乳房组织构成没有附加信息是可用的（例如，X射线乳房X线照片或其它乳房成像的结果）。志愿者通过他们的年龄提到。

测量发生在一个研究实验室，注册护士帮助志愿者被放置在机器上。甲研究工程师控制的数据采集（从后面隐私屏），而护士调整传感器之间的间隔距离。检查左，右乳房和共四个测量是对每个乳房。首先，传感器被定位成接触乳房皮肤的初始测量被记录。Then, one of the sensors was moved 5 mm toward the breast and a second measurement was recorded. The third measurement was recorded after moving the second sensor 5 mm closer to the breast. Finally, the first sensor was brought another 5 mm closer before the fourth measurement was recorded. Therefore, a total of 4 measurements (each at a different separation distance) was taken for each breast. This procedure was successfully realized for all of our volunteers without any discomfort reported.

4.2。测量结果

21至65岁之间的志愿者参加了我们的研究。正如预期的那样，我们已经观察到的信号衰减相当大的变化归因于个人之间的乳腺组织变化。例如，在一个35岁的人的情况下（图12），信号被记录为所关注的整个频带。而对于55岁的志愿者（图13), the transmission is weaker, and no significant signals are recorded after 4 GHz. We note that results for each patient typically exhibit similar characteristics, namely, increased transmission with decreased separation between sensors as well as decreased transmission with frequency.

为了比较每种情况之间的衰减水平，我们使用传输信号达到20 dB信噪比(SNR)的最后一个频率点作为度量。对于这种特殊的测量系统，20分贝的信噪比意味着传输系数水平为- 100分贝。这一点被称为“最大频率”，观测值被绘制在图中图14（a）。的最大频率被用于传感器之间的最短间隔距离，其允许该测量被收集来确定。对应的间隔距离在图还给出图14（b）。数字图14（c）调查分离和最大频率之间的关系，呈现出无相关性。这证实了在最大频率的变化涉及到我们的志愿者中在乳房组织的组合物差异。

数字图14（a）shows that, while the maximum frequency for the patients varies between 3.5 to 10 GHz (measurement limit), a certain symmetry between the left and right breasts for individual patients is observed. Only the 21-and 55-year-old volunteers show larger differences between breasts. However, in the case of the 55-year-old individual, the separation distances (Figure图14（b））有很大的不同。当类似的距离最大的频率进行比较，更好的对称性是观察。这表明，在用于55岁的志愿者的最大频率观察到的变化是由于在分离距离差。它也指出，对于我们的62岁志愿者的间隔距离左，右乳房之间显著不同;然而，在最高频率对称性好还是注意。该志愿者对她的左乳房前的手术，因此，或许改变组织特性（例如，疤痕组织）结果在不同的间隔距离最大相似频率。

While not sufficient for generating statistics, the measurements do suggest the possibilities of using signals up to 10 GHz to image breast tissues, depending on breast composition. At the same time, the measured transmission levels are specific to our system. Sensors with higher gain and measurement equipment with better dynamic range would increase the overall sensitivity. On the other hand, it was practically observed that a slight decrease of the transmission path length can significantly increase the signal intensity, which makes moderate breast compression an appealing option. For example, in Figure13，more than 10 dB in transmission is gained with a 10 mm decrease of separation between sensors.

4.3。性质估值

对于每一个病人，该属性估计技术被应用到可从4测量传输系数的数据的6种组合;的结果求平均，以产生一个单一的估计。这种平均被执行以限制所测量的数据可能的异常值的影响。结果的准确性很难评估，因为地面真相仍然不明。然而，基于所观察到的衰减，组织性质和/或乳房组合物的初步估计可以假设的。

For example, volunteers 35, 36, 43(a), and 65 years of age have maximum frequency for transmission reaching 10 GHz with a significant separation distance between sensors. This suggests that these patients have predominantly fatty breast tissues (tissue group 3). The estimated properties for these volunteers’ breasts are shown in Figure15朝向第3组模型会聚为假设。

对于可能具有更多显著腺体组织的组合物（即，较低的最大频率）的乳房，所述平均属性估计是不幸的是没有成功。例如，介电常数的估计表明随频率变化显著，和介电常数曲线通常不会按照预期的科尔 - 科尔模型形状。电导率通常表现接近预期;然而，一些研究结果表明出乎意料的高电导率或电导率随频率降低。为了说明这些观察，我们30岁的志愿者估计特性示于图16。几个因素可能是这些行为的来源。首先，异构乳房很可能的多径产生作为信号可以通过脂肪组织或腺体组织行进，因此在不同时间到达在传感器。这种多让我们简单的传播模型不足。其次，我们的估计技术假定乳腺组织均匀变形。这意味着，在透射系数的变化与整个乳房，而不是本地卷。已知的是，弹性模量的值是不能区分不同的组织类型一致的[15]，这意味着，不同的组织变形不同。其结果是，在传输中的变化可以从局部变形产生，而不是假定均匀的变形。因此，替代技术来估计平均属性是必需的对于不是主要脂肪酸的乳房。

五，结论

在本文报道的原型系统是专门设计来通过乳房测量发送的信号。设计微波测量期间接触乳房天线适于测量发射的信号。两个天线被放置在乳房的相对侧，而浸在盐水中。通过在有损介质的操作，沿交替的路径传播的信号被衰减，使得直接通过乳房行进的信号被预期对测量中的主要作用。As the system is aimed at determining appropriate frequencies of operation, it operates over a wide band (1–10 GHz). Therefore, the bandwidth and approach to measurement differ from previously reported prototype systems aimed at microwave imaging (e.g., [7，8]）。In particular, the system is designed to enable transmission measurements through the entire breast over a frequency range from 1 to 10 GHz. We note that microwave tomography systems also involve measurement of signals transmitted through the breast (as well as a lossy immersion liquid); however, a maximum measurement frequency of 3 GHz has been used in work with patients. Therefore, the system reported in this paper permits exploration of transmitted signals over a higher-frequency band.

该系统被部署在10名志愿者与未知乳房组合物进行了研究。对于每名志愿者，四次测量的每乳房收集，用调节对于每个测量传感器之间的分离。在该发送的信号被可靠地测量的最大频率被指出的那样，并且在此频率显著变化观察到10名志愿者。然而，有，对于右和左乳房观察到的最大频率之间的相似性。In addition, the results of our measurements suggest that the use of frequencies up to 10 GHz is realistic. However, for denser breasts, this upper limit is likely considerably reduced. In such cases, the image reconstruction scheme (whether tomographic or radar-based) could be adapted to use only the relevant frequency band. As a result, the image resolution would likely be patient-dependant in the same way as image contrast depends on breast density with X-ray mammography. It was also practically observed that the use of moderate compression and sensors that contact the breast significantly improves SNR. Therefore, results of this study suggest that the data collected with this system provide unique insights into microwave measurements of the breast.

最后，介绍了一种估计乳房组织平均性质的方法，得到了主要怀疑为乳房脂肪的志愿者的合理结果。这种方法是建立在几个假设的基础上的，这些假设对于那些被怀疑有更大的腺体组织含量的志愿者似乎并不适用。因此，未来的工作包括开发平均属性估计技术，这对更大范围的乳房组成是有效的。此外，一种新的波导，如超宽频传感器，正在开发中，以避免泄漏到周围的盐水介质，并提高耦合效率与乳房组织，特别是在低频率。为了进一步的研究，计划进行第二项研究，其中也包括临床乳房成像，以便深入了解乳房的构成，并有助于解释结果。

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