生物组织微波测量方法分析与应用

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1、硕l：论文生物约l织微波测量方法研究及J通用1绪论本章首先对论文的研究背景和微波测量实际应用的价值进行简单的介绍；然后对微波测量涉及到的一些概念以及微波测量的发展现状进行简单的描述，最后简单介绍论文的结构。1．1本论文的研究背景肝癌，乳癌等各种常见的恶性实体肿瘤组织的发病率每年都在不断增长，如果可以对肿瘤组织进行早期检测和确诊就能够有效地实施相应的治疗。因此如何准确，尽早地检测肿瘤组织一直以来受到有关研究人员的广泛关注IIJ。微波成像，X光成像，活检等检测技术都得到了实际应用，其中微波成像具有很好的发展前剥2

2、。使用微波成像技术检测肿瘤组织具有以下优点：采用对人体危害非常小的微波，相对X光

3、成像和活检对人体的危害小得多。肿瘤组织扫描过程中，微波成像曝光持续的时问更短，频率更低。使用超短脉冲的穿透雷达微波成像技术对人体肿瘤组织定位成像，所成图像是一个能够翻转变化的被测肿瘤组织的三维图像，这种三维透视图像的对比度较高，易于发现早期肿瘤组织。使用计算机仿真和信号处理后，能够帮助有效区分良性和恶性肿瘤。与X光成像比较，微波成像的方法是使用平放于被测组织的一组微型平板天线，每一根天线依次传送低能量的非致电离辐射的超短脉冲，搜集超短脉冲进入人体的散射信号。检测时不用挤压被测组织，因此病人不会产生不舒适的感觉。采样时间足够短，方便临床应用；微波成像不需要检测微型钙的堆积，肿瘤的响应主要是来

4、自于整个被测组织的横截面，三维的图像精度高，可以更大范围地检测早期的肿瘤组织，因此大大降低了死亡率。同时，减少一定数量的不必要的外科活检，降低病人的痛苦。另外，这种技术性价比较高，费用比较低，适合于肿瘤组织的定期检查和普型引。研究表明，正常组织与肿瘤组织的介电常数差别较大。J下常组织显示的特性类似于脂肪组织，而肿瘤组织的特性类似于肌肉组织，相当宽的频率范围内癌细胞与正常细胞的介电常数和电导率差异可达lO倍，其中水的成分是决定相对介电常数和电导率的主要因素。恶性肿瘤中水的含量比J下常细胞要高得多，因此肿瘤的相对介电常数和电导率比正常组织高10％到20％f31。而微波成像技术正是利用了这种介电

5、常数的差异来检测肿瘤组织。因此，微波测量技术不但支持了微波成像技术，而且从某种意义上讲也提高了肿瘤组织检测的成功率。在肿瘤组织的治疗方法中，植入式微波治疗是一种微创手术，具有创伤小，病人复原较快，而且其热效率高，凝固范围稳定可靠、疗效确实，受影n向因素少，副作用小等优点，其在临床的应用已闩益普及。其作用机制是，微波加热后，局部组织的温度每升l绪论硕lj论义高1”C，新陈代谢率就会升高10％一15％，正常组织有良好的血液循环系统，加热后血管扩张，血流加快带走热量，所以散热良好，温度升高不明显。而肿瘤组织的血管结构异常，血流量低，血流缓慢，仅为正常组织的10％，微波加热后散热不良，产生热积聚，

6、可导致肿瘤组织微血管内的皮细胞损伤，对肿瘤细胞起到直接杀伤作用IlJ。在实际的治疗当中，随着不断的加热，肿瘤组织的凝664区域也将不断增大，这个过程需要实时的监测，否则如果加热过长，会损害-F常的组织。因此，使用微波测量来实时观察加热过程中整个组织的介电常数的变化，可以对加热时I'日J的选择起到一定的指导作用。1．2介电常数的基本概念【4】【5】介电常数是衡量不同电介质及其性质的表征，是分析和研究电磁场与介质相互作用和常量变化的基本概念。众所周知，电场中放入一种介质会使电场发生变化，这足因为介质的分子发生的极化现象，介质中产生了偶极矩，偶极矩与原有的电场发生矢量叠加，从而改变原有的场。在静

7、电场中，电通量密度D可写为：D=goE+P=goE(1+么F)2￡o￡，E(1．2．1)／uou其中尸为介质的极化强度，￡。为真空中的介电常数，￡，为介质的相对介电常数，它表示电解质中的场强使电通量发生变化的强度。实际生活中，很多介质都是有耗的，其介电常数是一个复数，即￡+=￡’，￡”。介电常数的实部与虚部都是频率，温度等的函数，并且实部与虚部都足大于0的。这时的麦克斯韦方程可以写为：V×H=oE4-腼￡’E=腼￡’E+∞￡”+6)E(1．2．2)其中。为介质的电导率。由上式可以看出，极化损耗∞￡”和导电损耗13"是不同的。fog”+o可以看作是总的有效电导率。则相应的损耗角正切定义为：t

8、an8=旧￡’’+％￡．~￡么。(1．2．3)在微波频段，我#i'3N量的所有介质的电导率a<<∞￡”，因此式子(1．2．3)进行了简化。虽然生物组织的内部结构非常复杂，但是也可以当作一种介质来处理，在特定的环境和频率下也可以用具有一定数值的￡’和tan6来表示。生物组织的电特性决定了其对于微波能量的反射和吸收，并且影响到微波能量在不同组织分界面上的反射和透射。因此生物组织的电特性研究对于微波生物效应的进一步研究起着非常