Разработка метода радиотомографии рака молочной железы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Еремеев Александр Иванович

• Еремеев Александр Иванович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Еремеев Александр Иванович

Введение

1 Обзор радиоволновых методов обнаружения неоднородностей в биологических тканях

1.1 Исследование диэлектрических свойств биологических тканей

1.2 Микроволновая томография биологических тканей

1.3 Методы электроимпедансной маммографии

1.4 Выводы по результатам обзора

2 Постановка задачи томографии биологических объектов и ее решение

2.1 Решение задачи томографии биологических объектов

2.2 Численное моделирование получения радиоизображений неоднородностей

в биологической среде

2.3 Измерение электрофизических свойств материалов

2.4 Выводы по главе

3 Численное моделирование восстановления радиоизображений неоднородностей в тканях молочной железы

3.1 Разработка численной модели молочной железы

3.2 Численное исследование потенциальной возможности обнаружения рака молочной железы с использованием радиоволн

3.3 Исследование влияния структуры молочной железы на распространение радиоволн

3.4 Исследование влияния согласующего слоя

3.5 Выводы по главе

4 Эксперименты по томографии биологических сред

4.1 Эксперименты по томографии биологических сред при сканировании

в декартовой системе координат

4.2 Эксперименты по томографии биологических сред при сканировании

в сферической системе координат

4.3 Разработка фантома молочной железы

4.3.1 Разработка гомогенного (простого) фантома груди

и эксперименты с ним

4.3.2 Разработка гетерогенного (сложного) фантома груди

и эксперименты с ним

4.4 Обоснование выбранного частотного диапазона

4.5 Разработка концепции антенного блока для радиоволнового маммографа

4.6 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность темы исследования. Рак молочной железы -злокачественное новообразование в области груди, которое представляет серьезную медицинскую и социальную проблему, поскольку занимает первое место в структуре онкологической заболеваемости у женщин. Он является самым распространенным раковым заболеванием среди женщин во всем мире - на него приходится 16 % всех случаев заболевания раком среди женщин. Согласно статистике, более 1 500 000 женщин по всему миру страдают от этой патологии, примерно 400 000 случаев заканчиваются трагическим исходом. В последние годы смертность от рака молочной железы в Российской Федерации лидирует среди причин смерти от злокачественных новообразований (17,3 %) и продолжает увеличиваться в абсолютных и относительных показателях (16,5 на 100 тысяч женщин в 2017 году). По статистике, заболеваемость населения России злокачественными новообразованиями молочной железы с 2004 г. увеличилась более чем в 2 раза [1, 2].

Несмотря на то, что с помощью профилактики (отказ от вредных привычек, правильное питание) можно достигнуть некоторого снижения риска заболеваемости, такие стратегии не могут предотвратить большинство случаев заболевания раком молочной железы, если он диагностируется на очень поздних стадиях. Лучшим лечением считается ранняя диагностика. В случае ранней диагностики рака молочной железы вероятность полного выздоровления достигает 94 % (по данным Всемирной организации здравоохранения). Поэтому краеугольным камнем в борьбе против рака молочной железы является его ранняя диагностика при использовании основного стандартизированного метода исследования — маммографии, с целью улучшения результатов лечения и выживаемости. Под ранней диагностикой рака молочной железы подразумевают выявление операбельного рака 1-11 стадии. Наиболее благоприятный прогноз имеют так называемые «малые» формы заболевания.

На сегодняшний день рентгеновская маммография является самым распространенным видом скрининга и рекомендуется для стран с надлежащей инфраструктурой здравоохранения, для которых проведение долгосрочных программ доступно по стоимости. Визуализацию и интерпретацию патологических процессов на маммограммах значительно осложняет наличие у большинства женщин репродуктивного возраста (50-80 %) фиброзно-кистозной болезни. Так, по данным Американской коллегии радиологов, чувствительность маммографии в отношении выявления рака молочной железы в жировой паренхиме (I степень рентгеновской плотности) приближается к 100 %, тогда как при наличии фиброзно-кистозной болезни (Ш-1У степень рентгеновской плотности) она снижается до 6-40 % [3]. В настоящее время для обнаружения новообразований в биологических тканях чаще всего применяются ультразвуковые и рентгеновские методы контроля. При этом каждый из методов имеет свои недостатки. Так, например, при проведении рентгеновской маммографии всегда существует вероятность развития рака вследствие чрезмерного облучения [4]. Поскольку обычная маммография основана на ионизирующем излучении, ее можно проводить не чаще двух раз в год. Кроме того, рентгеновская маммография не рекомендуется для скрининга женщин моложе 40 лет. В США и странах ЕС предлагают проводить маммографию женщинам в возрасте от 50 до 69 лет, поскольку резко снижается разрешающая способность метода у молодых пациенток с плотными молочными железами, из-за чего чувствительность снижается до 40 %. Кроме того, ее нельзя проводить беременным женщинам [5]. Также данный вид диагностики, как сообщают пациентки, является болезненным [6]. В 5-15 % случаев из общего числа проведенных исследований возможны ложно положительные результаты [7, 8].

Ультразвуковое исследование (УЗИ) на ранней стадии часто неэффективно, поскольку плотность злокачественных новообразований почти не отличается от плотности фоновой среды. Наличие мастопатии приводит к формированию так называемого рентгеноплотного фона, который образуется за счет проекционного наслоения тканей молочной железы и создает значительные трудности для

выявления опухолей малых размеров. Выраженная фоновая патология молочных желез не только ухудшает визуализацию патологических процессов и их интерпретацию, но и осложняет получение информативного материала для морфологического исследования. Еще одним недостатком УЗИ является так называемая операторо-зависимость. Молочная железа является одним из наиболее трудных объектов для ультразвуковой диагностики, так как соотношение составляющих ее тканей постоянно меняется в зависимости от возраста, фазы менструального цикла, физиологических периодов жизни, массы тела, наличия патологических процессов. Поэтому специалист, проводящий УЗИ, должен уметь не только правильно идентифицировать различные тканевые компоненты, составляющие молочную железу, но и обладать достаточным опытом, чтобы иметь представление, какой должна быть в норме структура молочной железы у каждой обследуемой пациентки с учетом отмеченных выше факторов. Отсюда следует вывод, что на сегодняшний день необходимы методы обнаружения новообразований, которые улучшат диагностику рака молочной железы и позволят начать лечение как можно раньше, тем самым существенно повысив шансы на выздоровление. Таким образом, возникает необходимость поиска новых методов и технологий, обеспечивающих обнаружение патологий молочных желез еще на ранней стадии развития.

По моему мнению, наиболее перспективным неинвазивным методом поиска новообразований в биологической среде является применение сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля. СВЧ радиоволны достаточно глубоко проникают в биологические ткани, что может быть использовано в целях обнаружения рака молочной железы [9-15]. Преимущества радиоволновых методов состоят в том, что они безвредны для человека и не требуют специальных условий для работы с оборудованием в отличие от рентгеновских установок. Ученые всего мира продемонстрировали многообещающие результаты по созданию микроволнового томографа для диагностики рака молочной железы. Для данного метода диагностики не важен возраст пациентов. Он является неивазивным и безопасным, так как отсутствует

ионизирующее излучение и можно проводить диагностику так часто, как это требуется. Также метод не противопоказан при беременности, безболезнен (отсутствует сжатие молочной железы) и подходит для любого возраста пациентов.

Данная работа посвящена разработке неинвазивного оперативного метода обнаружения и картографирования неоднородностей в тканях молочной железы с использованием радиоволнового метода. При возникновении злокачественных новообразований в биологических тканях, как правило, происходят изменения их электрофизических свойств. Это связано, в том числе, с повышенным притоком крови к данному участку ткани. Диэлектрическая проницаемость таких участков значительно отличается от проницаемости фоновой среды и становится заметной для радиоволн. Для решения данной задачи предлагается использовать метод радиоволнового томосинтеза, который позволяет рассчитать трехмерное распределение диэлектрической проницаемости исследуемого пространства и тем самым обнаружить неоднородности ткани, и определить их местоположение и размеры. Этот метод себя отлично зарекомендовал при томографии объектов в оптически непрозрачных слоистых средах. На кафедре радиофизики Томского государственного университета уже разработаны и апробированы различные модификации данного метода для практических приложений [16-21].

Благодаря своей безвредности для человека радиоволновые методы диагностики подходят для динамического наблюдения изменений размера образования, в отличие от рентгеновских методов, для которых регулярные дозы ионизирующего излучения противопоказаны. Поэтому разработка неинвазивных методов поиска неоднородностей биологических сред на основе радиоволнового зондирования, позволяющих выявлять патологические образования, является в настоящее время весьма актуальной.

Степень разработанности темы исследования

Анализ научных публикаций и разработок научных институтов в мире говорит о том, что тема медицинской радиоволновой томографии очень актуальна и широко обсуждаемая. Хочется отметить, что в настоящее время в данной

области ведутся активные исследования во многих странах, в том числе имеются монографии непосредственно по проблематике обнаружения рака молочной железы, например, «An introduction to microwave imaging for breast cancer detection 2016» [22]. В рамках программы Евросоюза «COST Action» [23] были получены многочисленные результаты в области микроволновой визуализации. За последние 3-5 лет разработаны прототипы радиоволновых маммографов у нескольких зарубежных научных групп, они будут рассмотрены в главе 1. Однако отлаженных технологий или готовых устройств, соответствующих всем необходимым требованиям неинвазивной диагностики, до сих пор не создано. Это объясняется рядом как научных, так и технологических проблем.

Важной проблемой является применяемая физико-математическая модель, описывающая взаимодействие излучения с многослойными биологическими тканями, в которой использование усредненных значений диэлектрической проницаемости фоновой среды является основным фактором ухудшения разрешающей способности полученных томограмм. Недостаточно исследовано влияние структуры молочной железы на распространение радиоволнового излучения. Кроме того, разработанные фантомы молочной железы на основе жидкостей имеют осесимметричную форму и не обладают стабильными во времени электрофизическими характеристиками. Эти и некоторые другие пробелы восполняются в данной диссертации.

Исходя из вышесказанного, целью диссертационной работы является разработка метода радиоволновой томографии неоднородностей в тканях молочной железы.

Для достижения обозначенной цели были поставлены следующие задачи диссертационной работы:

1. Разработка методов и алгоритмов получения трехмерных томограмм неоднородностей в биологических тканях с использованием радиоволнового излучения.

2. Разработка метода определения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ в широкой полосе частот с целью создания материалов с заданными электрофизическими свойствами.

3. Разработка электродинамической численной модели молочной железы по данным МРТ реального человека. Моделирование распространения радиоволнового излучения в тканях молочной железы.

4. Разработка метода повышения качества радиоизображений неоднородностей в тканях молочной железы.

5. Разработка и изготовление фантома молочной железы для тестирования разработанных методов в условиях, приближенных к условиям работы с реальными пациентами.

6. Комплексное тестирование разработанного метода получения радиоизображений неоднородностей в фантоме молочной железы с использованием лабораторного макета радиоволнового томографа.

Методы исследования

При разработке алгоритмов обработки радиолокационных сигналов использовались методы синтезирования большой апертуры на основе многоракурсного зондирования и пространственно-временной фокусировки, а также известные методы статистической радиофизики для приема сигналов в условиях шумов. Численное моделирование, регистрация и обработка данных проводились в среде CST Microwave Studio, MathCad и Matlab. Экспериментальная часть работы основана на использовании сканеров, сверхширокополосных (СШП) антенн и искусственных аналогов биологических тканей, разработанных при активном участии автора диссертации на кафедре радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета. При изготовлении фантома молочной железы для оценки диэлектрической проницаемости разработанных материалов - искусственных аналогов биологических тканей, таких как кожа, жировая и железистая ткани, в рабочем диапазоне частот использованы методы, основанные на измерении параметров четырехполюсников. В качестве инструмента для проведения

экспериментальных исследований использовались электромеханические сканеры, в одном случае сканирование осуществлялось по плоскости, а в другом - по полусферической траектории. В качестве приемопередающего устройства использовался векторный рефлектометр Caban R140 фирмы Planar. Регистрация и обработка принятых данных производилась с применением персонального компьютера с помощью разработанного автором специального программного обеспечения.

На защиту выносятся следующие положения

1. Использование полусферического согласующего слоя с относительной диэлектрической проницаемостью 5-10, расположенного между антеннами и биологической средой, позволяет увеличить не менее чем в 3 раза проникающую способность радиоволн в ткани молочной железы и как следствие улучшить качество радиоизображения неоднородностей в них.

2. Использование смеси в соответствующих пропорциях двухкомпонентного полиуретана, графита и ацетона позволяет реализовать аналоги биологических тканей, которые по своим электрофизическим характеристикам соответствуют тканям молочной железы, с отличиями по диэлектрической проницаемости, не превышающими 10 %. Это позволяет обеспечить верификацию развитого метода построения радиоизображения неоднородностей тканей молочной железы в условиях, приближенных к реальным.

3. Задача восстановления трехмерного распределения неоднородностей с размерами от 2 мм внутри многослойного фантома молочной железы разрешима при использовании многоракурсного радиоволнового зондирования в диапазоне частот от 2 до 8 ГГц путем перемещения приемопередающей антенны по полусфере, окружающей фантом.

Достоверность защищаемых положений

1. Достоверность первого положения подтверждена путем разностороннего численного моделирования. Электродинамическая численная модель молочной

железы была построена с использованием данных магнитно-резонансной томографии реального человека.

2. Достоверность второго положения подтверждена совпадением (отличия не более 10 %) электрофизических характеристик полученных материалов путем смешивания графита, полиуретана и ацетона с данными из статьи [24] в которой приводятся измеренные характеристики биологических тканей человека.

3. Достоверность третьего положения подтверждается численным моделированием и экспериментально. Показано, что однозначно восстанавливаются радиоизображения неоднородностей в фантоме молочной железы. Так, в ходе экспериментов показано, что при зондировании радиоволнами в частотном диапазоне 2-8 ГГц восстанавливаются неоднородности с размерами более 2 мм.

Достоверность результатов подтверждается также тем, что эксперименты проводились с использованием современного сертифицированного оборудования и советующих методик измерений. Электродинамическое моделирование проводилось с использованием программного пакета CST Microwave Studio, который является признанным и проверенным инструментом у специалистов в области СВЧ техники.

Новизна исследования

1. Рассчитаны электрофизические характеристики материала, который применим в качестве согласующего слоя, благодаря которому увеличиваются проникающие свойства радиоволн в ткани молочной железы, что в свою очередь улучшает качество радиоизображений неоднородностей в этих тканях. Также предложено использовать смесь двухкомпонетного полиуретана и графита для создания данного материала.

2. Для восстановления радиоизображений неоднородностей в биологических тканях с использованием радиоволнового излучения был адаптирован метод миграций волн для зондирования по полусфере. За счет использования предложенной процедуры фильтрации постоянных составляющих

сигнала удалось в два раза повысить отношение сигнал / шум в результирующем радиоизображении по сравнению со стандартным алгоритмом фильтрации помех.

Теоретическая значимость работы

Исследование дополняет представления о механизмах взаимодействия сверхширокополосного электромагнитного излучения с биологическими тканями. Эти результаты вскрывают потенциальные возможности радиоволновой томографии для восстановления радиоизображения опухолей молочной железы. Исследован процесс улучшения согласования сверхширокополосной излучающей системы с сильнополгощающими тканями. Рассчитаны диэлектрические и геометрические характеристики материала, за счет применения которого происходит уменьшение доли отраженного радиоволнового излучения от сильнополгощающих тканей. Что в свою очередь приводит к улучшению качества радиоизображений неоднородностей в тканях молочной железы.

Исследовано влияние помех на качество результирующего радиоизображения при сверхширокополосном зондировании тканей молочной железы с полусферической поверхности в направлении ее центра. Разработана процедура фильтрации аддитивных помех.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработанные подходы улучшения качества радиоизображения неоднородностей в тканях молочной железы позволяют улучшить технические характеристики как существующих, так и создаваемых систем радиоволновой диагностики.

2. Предложены пропорции для смешивания смеси графита, полиуретана и ацетона для изготовления составных частей фантома молочной железы (кожа, жир, железистая ткань). Разработанные материалы, из которых изготовлен фантом молочной железы, подобны по своим электрофизическим характеристикам к свойствам реальных тканей молочной железы (отличия не более 10 %), а также эти характеристики обладают постоянством во времени. Это позволяет обеспечивать проверку радиоволновых методов построения радиоизображений

неоднородностей в условиях, приближенных к условиям работы с реальными пациентами.

3. Реализован на практике радиоволновой томограф в виде программно-аппаратного лабораторного макета, позволяющий оценить работоспособность предложенного метода и разработанной технологии на фантоме молочной железы. Это важно для экспериментального подтверждения возможностей предложенного подхода и созданию задела для создания высокоскоростного радиоволнового маммографа, обеспечивающего безопасное для здоровья пациенток обнаружение и локализацию опухолей на ранней стадии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода радиотомографии рака молочной железы»

Апробация работы

Основные положения и результаты докладывались на следующих конференциях:

8-я Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием (Томск, 2017);

15-я Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2018);

всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2018);

11-я Всероссийская научно-техническая конференция Метрология в радиоэлектронике (Менделеево, 2018).

14-я Международная конференция «НБМв-2018» (Томск, 2018).

16-я Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2019);

5-я Международная конференция «Инновации в неразрушающем контроле» БШТеБ! (Екатеринбург, 2019);

17-я Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2020).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 83 наименования. Общий объем диссертации - 108 страниц. Работа содержит 2 таблицы и 80 рисунков.

Содержание работы

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и задачи исследования; сформулированы защищаемые положения; отражена научная новизна; представлена теоретическая и практическая значимость и дана общая характеристика диссертационной работы.

В главе 1 описывается исследование принципа обнаружения опухолей в молочной железе. Проводится анализ радиоволновых методов, диагностики рака молочной железы.

В главе 2 описан метод решения обратной задачи - получения радиоизображения неоднородностей в биологических тканях. Разработанный метод является адаптацией метода миграций волн для случая полусферического зондирования. Для данного метода разработан алгоритм фильтрации аддитивных помех. Для создания материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками разработан метод измерения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих материалов. Разработана численная электродинамическая модель молочной железы на основе данных реального человека. Предложен подход для улучшения качества радиоизображений неоднородностей в тканях молочной железы.

В главе 3 описывается алгоритм разработки точной электродинамической модели молочной железы для проведения численного моделирования. Кроме того, предложен метод улучшения качества радиоизображения неоднородностей в тканях молочной железы, который отражен в первом защищаемом положении.

Глава 4 посвящена исследованиям по созданию фантомов молочной железы и экспериментам с ними. Для проведения экспериментов был разработан лабораторный макет радиоволнового томографа на основе сферического сканера. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования подтвердили правильность предложенных идей. Полученные результаты сформулированы во втором и третьем защищаемых положениях.

1 Обзор радиоволновых методов обнаружения неоднородностей

в биологических тканях 1.1 Исследование диэлектрических свойств биологических тканей

За счет разрастания кровеносных сосудов, обеспечивающих приток крови к новым клеткам опухоли в данной области пространства, меняется диэлектрическая проницаемость. Такое изменение электрофизических характеристик можно зарегистрировать при радиоволновом зондировании. Для реализации радиоволновых методов необходимо знание электрофизических свойств биологической среды. Ученые из университетов Калгари и Висконсина провели масштабное исследование диэлектрических свойств здоровых и злокачественных тканей молочной железы в диапазоне частот 0,5-20 ГГц, которое показало значительное различие их электрофизических свойств. (рисунок 1.1).

5.51-■-■-■--1

5 10 15 20 5 10 15 20

Frequency (GHz) Frequency (GHz)

(с) (d)

(а, Ь) - здоровая ткань, (с, ё) - опухоль Рисунок 1.1 - Электрофизические свойства [24]

Измерение электрофизических свойств осуществлялось с помощью открытого коаксиального зонда. Было проведено 319 измерений на реальных образцах. В качестве образцов использовались иссеченные оперативным путем ткани молочной железы у 196 пациентов. Измерения здоровой ткани были проведены вблизи краев вырезанных образцов, вдали от места новообразования. Эти исследования показали, что диэлектрические свойства здоровой жировой ткани и злокачественного образования в этой ткани отличаются примерно в 10 раз.

Однако различия диэлектрических свойств между здоровой тканью и опухолью не превышают 10 %, когда образование находится в фиброзно-железистой ткани. Кроме того, было обнаружено, что вторичные факторы, такие как, время между измерением и иссечением, температурами образцов (в пределах диапазона температур, наблюдаемых в данном исследовании), а также возраст пациентов незначительно влияют на диэлектрических свойства тканей молочной железы [24-29].

В [24] не сравнивались диэлектрические характеристики злокачественных и доброкачественных образований. В работе [30] сравниваются диэлектрические характеристики здоровой ткани, доброкачественного образования и рака. Измерения проводились на иссеченных образцах ткани от 98 пациентов. Измерения проводились в диапазоне частот 0,5-8 ГГц с использование метода коаксиального пробника. На рисунке 1.2 приведены результаты измерений.

Frequency (GHz) Frequency (GHz)

a, b - злокачественное образование; с, d - здоровая ткань; e,f - доброкачественная опухоль Рисунок 1.2 - Диэлектрическая проницаемость и проводимость [30]

Полученные результаты, показали, что диэлектрическая проницаемость и проводимость во всем частотном диапазоне злокачественного образования больше по сравнению с доброкачественными опухолями, у которых, в свою очередь диэлектрические характеристики больше, чем у здоровых тканей груди. На основе этих различий может быть достигнута хорошая дифференциальная диагностика рака молочной железы с использованием микроволнового излучения. Таким образом, можно определенно говорить о потенциальной возможности радиоволнового обнаружения опухолей по скачку диэлектрической проницаемости в фоновых тканях.

1.2 Микроволновая томография биологических тканей

Для создания микроволнового сканера молочной железы необходима сверхширокополосная антенна, которая была бы согласованна с биологической средой, в которой осуществляется поиск опухолей. Для разработки такой антенны требуется подход, при котором бы уменьшалось влияние границы раздела воздух-среда на излучающую способность антенны. Уменьшение влияния можно добиться за счет размещения антенны в некотором согласующем диэлектрическом слое, с величиной диэлектрической проницаемости, близкой к проницаемости зондируемой среды. Это позволяет повысить глубину зондирования среды за счет увеличения энергии излучения, прошедшей в биологическую среду. При этом увеличивается отношение сигнал / шум отраженного от неоднородности сигнала.

При анализе литературы были выделены несколько вариантов сверхширокополосных антенн для создания микроволнового маммографа [31-36]. В работе D. Gibbins и др. [31] представлена сверхширокополосная антенна для использования в системе обнаружения, разрабатываемой в Университете Бристоля. Система основана на принципе синхронно сфокусированного СШП-радара. Результаты этого исследования показывают, что сверхширокополосная антенна имеет отличную производительность во всем требуемом диапазоне частот. За счет компактных размеров антенны можно создать антенную решетку с плотным расположением элементов. Дополнительно эта антенна обеспечивает лучшее облучение груди. Измерения обратных потерь показали, что антенна имеет полосу пропускания, подходящую для использования при обнаружении рака. Было получено хорошее совпадение между численным моделированием и измеренными экспериментальными результатами для сверхширокополосной антенны. Сверхширокополосная антенна хорошо работала по всему угловому и частотному диапазону. Это было подтверждено результатами простого эксперимента по обнаружению неоднородностей. Кроме того, форма импульса

сохранялась диапазоне углов ± 60 На рисунке 1.3 представлено изображение данной антенны.

Рисунок 1.3 - СШП антенна для системы обнаружения рака молочной железы [31]

На рисунке 1.4 представлены коэффициенты отражения и прохождения данной антенны.

Рисунок 1.4 - Коэффициенты отражения и прохождения для антенны из [31]

В работе E. Porter и др. [36] представлена СШП антенна с диапазоном рабочих частот 2-4 ГГц. Она реализована на гибкой печатной плате и оптимизирована для работы в контакте с кожей. Экспериментальные результаты, полученные фантомами молочной железы, демонстрируют возвратные потери

ниже -10 дБ в требуемой полосе частот. Также результаты показали, что продольная кривизна такой микрополоской антенны не увеличивает потери в линии передач. На рисунке 1.5 представлено изображение этой антенны.

Рисунок 1.5 - Гибкая микрополосковая антенна [36]

Рисунок 1.6 показывает коэффициенты отражения и передачи для плоской и изогнутой антенны при различных положениях вокруг фантома груди.

Рисунок 1.6 - Характеристики гибкой микрополосковой антенны [36]

Таким образом, в этой работе продемонстрирована возможность использования антенн на гибких микрополосках, пригодных для более

комплексного подхода к обнаружению рака молочной железы. Проверена работоспособность этих элементов на фантоме груди.

При разработке микроволновых систем по обнаружению рака молочной железы необходимо проводить многократные тестовые эксперименты для верификации методов обработки сигналов и отработки программно-аппаратной части микроволнового маммографа. Поэтому нужны соответствующие фантомы груди, повторяющие реальные ткани груди с электрофизической точки зрения.

Данная задача часто решается с привлечением теории композиционных смесей, обеспечивающей возможность создания аналогов биологических материалов с заданной диэлектрической проницаемостью. Кроме того, с использованием данного подхода разрабатывают смеси для согласующего слоя между СШП антенной и биологической тканью (аналог геля для ультразвукового исследования). По данной тематике опубликован ряд статей [37-46].

В статье E. Porter и др. [39] представлена методика изготовления реалистичных фантомов груди для использования в микроволновой диагностике рака молочной железы. Искусственные аналоги жира, кожи, железы и опухолей сделаны из сочетания материалов, которые применяются в повседневной жизни. Диэлектрическая проницаемость и проводимость фантомов измерялись на сверхвысоких частотах. В статье описана процедура, объединения фантомов четырех типов тканей в единый фантом молочной железы, который является достаточно реалистичным, как с точки зрения диэлектрических свойств, так и по физиологической структуре. Эксперименты с фантомами предназначены для оценки эффективности микроволновых методов обнаружения рака молочной железы. На рисунке 1.7 представлена фотография фантома молочной железы, состоящий из 4 материалов с разной диэлектрической проницаемостью. Также на данных графиках приводится сравнение с электрофизическими характеристиками реальных тканей.

Рисунок 1.7 - Фотография фантома молочной железы, диэлектрическая проницаемость тканей и частей фантома [39]

В работе M.H. Bah и др. [37] также исследуются диэлектрические свойства основных тканей молочной железы в СВЧ диапазоне. Были разработаны и измерены фантомы, содержащие аналоги основных тканей. Полученные результаты показали хорошее совпадение для здоровых и злокачественных тканей молочной железы. Ткани фантома изготовлены путем смешивания обычных материалов, сочетающих в себе такие характеристики, как отсутствие токсичности, дешевизну и легкодоступность. На рисунке 1.8 показана диэлектрическая проницаемость составляющих тканей фантома молочной железы.

60 -,

___ 55 ™ 50 5 45 « 40

V

« 35

| 30 1 25 3 20

й 15 10 5

Он-,-,-■-,-.-,-I-г-

2 4 б 8 10

Рге^иепсу(ОНг)

Рисунок 1.8 - Диэлектрическая проницаемость составляющих тканей фантома молочной железы полученные в работе [37]

Об актуальности микроволновой диагностики рака молочной железы говорит то, что в Великобритании в последние годы активно финансируются исследования по практической реализации радиоволновой маммографии. Так, например, британская фирма «Micrima» представила в своих публикациях радиоволновой маммограф «Maria», в котором используется сверхширокополосная антенная решетка, состоящая из 60 элементов (рисунок 1.9) [47].

rSkin

Calibration

Рисунок 1.9 - Радиоволновой маммограф "Maria" и схема получения изображения с используя механические повороты антенной решетки [47]

В данном подходе реализована трансмиссионная схема зондирования, когда приемник и передатчик пространственно разнесены. Частотный диапазон зондирования 3-8 ГГц. В устройстве используется стандартный ступенчатый непрерывный волновой режим. Система собирает данные сигналов со всей решетки посредством последовательной активации каждой антенны с измерением рассеянных сигналов на множестве частот. Этот подход позволяет получить набор данных для каждого из путей бистатического луча. Исходя из теоремы взаимности антенн, можно уменьшить количество бистатических собранных сигналов, до половины 3540/2 или 1770. Это уменьшает общее время

сканирования. Каждый зондирующий сигнал проходит через внешнюю соединительную оболочку и проникает в ткань. Различные типы тканей груди имеют различные диэлектрические постоянные что приводит к различному отражению и ослаблению отраженных сигналов. Эти сигналы очень малы по сравнению с сигналами, отраженными от оборудования / кожи, которые также присутствуют в виде помех в конечном сигнале. Каждое полное сканирование груди является результатом двух отдельных сканов, смещенных друг от друга на фиксированный угол. Помехи, создаваемые аппаратными средствами и отражениями от кожи почти идентичны и появляются в одно и то же время в каждом сканировании; поэтому они могут быть устранены путем фильтрации. Напротив, сигналы, отраженные от опухоли, появятся в разных временных положениях в этих двух измерениях (за исключением, когда опухоль находится на оси вращения). Во время генерации изображения одиночные сканы вычитаются из друг друга. Это оставляет «нестационарные» сигналы без изменения их уровня и значительно уменьшает уровень «стационарных» сигналов.

Как описывалось ранее для уменьшения влияния отражения от кожи применяется второе сканирование со сдвинутой массивом антенн на несколько градусов. В дальнейшем результаты вычитаются. Сдвиг массива осуществляется механическим образом. Как отмечают исследователи, основными проблемами здесь является адекватность физико-математической модели, описывающей взаимодействие излучения с многослойными биологическими средами. В частности, использование усредненных значений диэлектрической проницаемости фоновой среды является основным фактором ухудшения разрешающей способности полученных изображений. Другой проблемой является уменьшение времени зондирования. В настоящее время процесс диагностики занимает несколько минут, при этом пациенту необходимо это время оставаться неподвижным. Возникающие при этом в ходе дыхания перемещения грудной клетки существенно ухудшают качество полученного изображения неоднородности.

Существующие на данный момент радиоволновые лабораторные устройства для обнаружения опухоли в молочной железе принципиально очень похожи [4761]. Они состоят из сверхширокополосной антенной решетки, элементы которой расположены в виде полусферы, в которую помещается биологическая ткань. Разработаны различные сверхширокополосные антенны для исследования биологических тканей [36, 48].

Группа ученых из Дартмутского колледжа (США) в 2000 году разработала клинический прототип микроволнового маммографа, работающий в диапазоне частот 0,5-3 ГГц. Был проведен клинический осмотр 5 женщин, 10-15 минут было затрачено на каждого пациента, при этом изображение обрабатывалось еще 20 минут (рисунок 1.10). Также подобные методы могут применяться как альтернатива рентгеновской денситометрии для мониторинга изменения плотности кости (с возрастом кости ослабевают, и вовремя начатая терапия позволяет не доводить заболевание до тяжелых стадий, когда оно станет неизлечимым) [49].

Рисунок 1.10 - Устройство Дартмутского колледжа [49]

В Корее в институте электроники и коммуникаций (ЕТЫ) в 2007 представили свою технологию, но результаты получились неудовлетворительными по разрешению [50].

Университет Калгари также разработал прототип лабораторного радиоволнового маммографа диапазон рабочих частот от 50 МГц до 15 ГГц. Примялась одна СШП антенна которая сканировала цилиндрическую область пространства (рисунок 1.11) [51]. Для оценки расстояния от антенны до молочной железы использовался лазерный луч, который перемещался вместе с антенной. Однократное сканирование занимает 30 минут. Для согласования антенны с грудью применяется иммерсионная жидкость.

Рисунок 1.11 - Микроволновый маммограф из университета Калгари [51]

Ученые из Канадского университета Макгилла создали 16-элементную антенную решетку (рисунок 1.12) для диагностики рака молочной железы и провели клинические испытания. Целью испытаний было изучение повторяемости результатов при ежемесячном мониторинге здорового человека. Однако быстродействие системы было неудовлетворительным из-за аппаратной части. Диапазон рабочих частот составлял 2-4 ГГц. Использовались СШП импульсы, в качестве зондирующего сигнала. Данная разработка не позволяла построить полную карту диэлектрических свойств исследуемого объекта, что затрудняло принятие решение о наличии в груди злокачественной опухоли [52].

Рисунок 1.12 - Устройство обнаружения рака молочной железы университета Макгилла [52]

Японские ученые из университета Хиросимы ведут работы по повышению быстродействия подобных систем. Они предлагают вместо СШП генератора импульсов использовать передатчики гаусовского моноимпульса построенные по КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологии [53].

Недавно появился новый микроволновый аппарат «Mammowave» [54] разработанный в Италии (рисунке 1.13).

Рисунок 1.13 - Микроволновый аппарат «Mammowave» [54]

Прибор содержит 2 антенны (приемная и передающая). Обе антенны работают в частотном диапазоне 1-9 ГГц. В аппарате имеется чаша, в которую помещается грудь, вокруг этой чаши расположены антенны, которые расположены в воздухе. Антенны вращаются в азимутальной плоскости, чтобы

принимать отраженный сигнал со всех направлений. В качестве приемопередатчика используется векторный анализатор цепей с выходной мощностью 1 мВт, частотный диапазон разбивается на 1601 точку. Количество точек сканирования 1200. Для получения карты интенсивности (радиоизображения) использовался метод на основе принципа Гюйгенса. Данный аппарат проходил клинические испытания на 12 добровольцах. Чувствительность получилась 91 % (обнаружено 11 из 12 возможных случаев).

Основным ограничением всех этих устройств является то что, процесс скрининга занимает длительное время, порядка нескольких минут. В тоже время человеку трудно долгое время оставаться неподвижным, а ложные артефакты могут появиться из-за движения пациента.

1.3 Методы электроимпедансной маммографии

Методы электроимпедансной маммографии активно разрабатывались в 1980-е - 2000-е годы. Это было связано с отсутствием быстрых, компактных, высокочастотных устройств, которые бы позволяли бы работать в режиме реального времени. Вычислительная техника не справлялась с обработкой больших объемов информации. Поэтому электроимпедансная томография в то время получила значительное развитие.

Однако данная технология обладает значительными недостатками, о подробно изложено в статье по электроимпедансной томографии [55]. Среди основных недостатков электроимпедансной маммографии можно отметить следующие.

Низкое пространственное разрешение, которое происходит из-за изменения импеданса контакта электрода с кожей и плохого отношения сигнал / шум. Также на разрешение влияет количество электродов. При этом простое увеличение количества электродов не только увеличивает сложность аппаратного и программного обеспечения, но также требует решения проблем, связанных с позиционированием и локализацией электродов. В ограниченном пространстве,

таком как грудь человека, количество применимых электродов ограничено, поскольку токовый электрод должен иметь достаточный размер для создания достаточной плотности тока под кожей.

Недостаточно хорошо задокументированы различия электрических свойств здоровых и паталогических тканей молочных желез.

Использование только низких частот, поскольку паразитные емкости, системная задержка или нежелательная частотная характеристика в измерительном оборудовании ограничивают точность расчетов полного сопротивления на высоких частотах.

Сложная интерпретация результатов (нужен высококвалифицированный, опытный врач), нет постобработки результатов (рисунок 1.14).

Мало данных об устойчивости клинического применения.

Рак молочной железы

щ-йы т* -ётк шшШШШк

ЭИМ. 66 лет. Рак правой молочной железы на 14 часах диаметром |15х15 х10[мм на 1, 2 и 3 уровнях сканирования. 50 кГц.

Рисунок 1.14 - Обнаружение рака молочной железы методом электроимпедансной маммографии [56]

Начиная с 2010 года активно развивается радиоволновая маммография, которая обладает такими же преимуществами, что и электроимпедансная маммография: неинвазивность, многократность применения, любой возраст пациентов, отсутствие противопоказаний при беременности и кормлении, отсутствие ионизирующего излучения.

Однако в сравнении с электроимпедансной маммографией радиоволновая маммография имеет дополнительные преимущества: разрешающая способность,

трехмерная визуализация, легкая иинтерпритация результатов, высокая чувствительность, возможность обнаружить мелкие неоднородности.

Эти преимущества подтверждаются, тем что в настоящее время более 20 научных групп занимаются разработками в этом направлении, а электроимпедансная томография исчерпала свои возможности.

1.4 Выводы по результатам обзора

За счет разрастания кровеносных сосудов, обеспечивающих приток крови к новым клеткам опухоли в данной области пространства, меняется диэлектрическая проницаемость. Такое изменение электрофизических характеристик можно зарегистрировать при радиоволновом зондировании. Диэлектрические свойства здоровых и злокачественных тканей отличаются примерно в 10 раз в жировой ткани. Однако различия диэлектрических свойств между здоровой тканью и опухолью составляют не более чем 10 %, когда образование находится в фиброзно-железистой ткани. Кроме того, было обнаружено, что вторичные факторы, такие как, время между измерением и иссечением, температурами образцов (в пределах диапазона температур, наблюдаемых в данном исследовании), а также возраст пациентов незначительно влияют на диэлектрических свойства тканей молочной железы. Также были получены результаты, которые показали, что диэлектрическая проницаемость и проводимость злокачественного образования выше по сравнению с доброкачественными опухолями, которые, в свою очередь, были значительно выше, чем у здоровой ткани груди.

В сравнении с электроимпедансной маммографией радиоволновая маммография имеет преимущества: разрешающая способность, трехмерная визуализация, легкая иинтерпритация результатов, высокая чувствительность, возможность обнаружить мелкие неоднородности.

Анализ научных публикаций и разработок научных институтов в мире говорит о том, что тема очень актуальна и широко обсуждаема. Хочется отметить

что в настоящее время в данной области ведутся активные исследования по всему миру, в том числе имеются монографии непосредственно по данной проблематике, например, «An introduction to microwave imaging for breast cancer detection» [22]. В рамках программы Евросоюза «COST Action» [23] были получены многочисленные результаты в области микроволновой визуализации. За последние 3-5 лет разработаны прототипы радиоволновых маммографов у нескольких зарубежных научных групп [44-54; 57-63]. Однако, отлаженных технологий или готовых устройств, соответствующих всем необходимым требованиям неинвазивной диагностики, до сих пор не создано. Это объясняется рядом как научных, так и технологических проблем. Одно из основных ограничений рассмотренных устройств связанно с тем что, процесс снятия данных занимает длительное время, порядка нескольких минут. В тоже время человеку трудно долгое время оставаться неподвижным, а ложные артефакты могут появиться из-за движения пациента. Существующие на данный момент радиоволновые лабораторные устройства для обнаружения опухоли в молочной железе принципиально очень похожи. Они состоят из сверхширокополосной антенной решетки, элементы которой расположены в виде полусферы, в которую помещается биологическая ткань. Разработаны различные сверхширокополосные антенны для исследования биологических тканей. В то же время слабым звеном в таких системах является возможность обнаружения и визуализации малых неоднородностей, размеры которых не превышают 1 см. Именно такие размеры соответствуют размерам опухолей на ранних стадиях развития рака. Обнаружение таких опухолей позволит с высокой вероятностью провести своевременное лечение пациента с возможностью полного излечения. Таким образом, решение данной задачи является особо актуальной в области радиоволновой томографии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Еремеев Александр Иванович, 2021 год

Список литературы

1. Cancer: Facts and Figures 2017-2018. [Electronic resource] // American Cancer Society. Atlanta. - 2018. URL: https://www.cancer.org/research/cancer-facts-statistics/all-cancer-facts-figures/cancer-facts-figures-2017.html (access date:

10.06.2019).

2. Cancer: Facts and Figures 2019-2020. [Electronic resource] // American Cancer Society. Atlanta. - 2020. URL: https://www.cancer.org/research/cancer-facts-statistics/all-cancer-facts-figures/cancer-facts-figures-2020.html (access date:

11.09.2020).

3. Cancer statistics / A. Jemal [et al.] // CA: a cancer journal for clinicians. -2009. - Vol. 59, № 4. - P. 225-249.

4. Radiation-induced breast cancer incidence and mortality from digital mammography screening: a modeling study / D. L. Miglioretti [et al.] // Annals of internal medicine. - 2016. - Vol. 164, № 4. - P. 205-214.

5. Mammography: an update of the EUSOBI recommendations on information for women / F. Sardanelli [et al.] // Insights into imaging. - 2017. - Vol. 8, № 1. - P. 11-18.

6. Fuller M. S. Breast cancer screening: an evidence-based update / M. S. Fuller, C. I. Lee, J. G. Elmore // The medical clinics of North America. - 2015. - Vol. 99, № 3.

- P. 451-468.

7. Mammography and beyond: developing technologies for the early detection of breast cancer / M. Patlak [et al.]. - Washington (DC): National Academies Press, 2001.

- 30 p.

8. Electromagnetic performances analysis of an ultra-wideband and flexible material antenna in microwave breast imaging: to implement a wearable medical bra [Electronic resource] / A. Rahman [et al.] // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6. - URL: https://doi.org/10.1038/srep38906 (access date: 12.03.2020).

9. Use of multi-angle ultra-wide band microwave sounding for high resolution breast imaging / S. Shipilov [et al.] // Medical Physics. - 2020. - Vol. 47, № 10. - P. 5147-5157.

10. Radio-wave tomography of inhomogeneities in biological media with multi-frequency sounding in the range 2-8 GHz [Electronic resource] / S. Shipilov [et al.] // MATEC web of conferences. - 2018. - Vol. 155. - URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/201815501025 (access date: 12.11.2019).

11. Eremeev A. I. Detection of inhomogeneities in biological tissues using radio wave tomography [Electronic resource] / A. I. Eremeev, S. E. Shipilov // Journal of physics: Conference series. - 2019. - Vol. 1327. - URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1327/1/012035 (access date: 12.10.2020).

12. Васин В. В. Ускорение расчета радиоизображения на основе метода дифракционных гипербол / В. В. Васин, И. С. Федянин, А. И. Еремеев // Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов : труды XVII Всероссийской конференции. Томск, 11-15 мая 2020 г.

- Томск, 2020. - С. 25-29.

13. Васин В. В. Разработка подхода СШП томографии при сферическом сканировании / В. В. Васин, А. И. Еремеев, М. А. Васильева // Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов : сборник трудов XVI Всероссийской конференции. Томск, 13-15 мая 2019 г. - Томск, 2019.

- С. 23-25.

14. Еремеев А. И. Обнаружение неоднородностей в биологических тканях с помощью радиоволновой томографии / А. И. Еремеев, М. А. Васильева, В. В. Васин // Инновациям в неразрушающем контроле : сборник тезисов докладов V Международной конференции. Екатеринбург, 26-28 июня 2019 г. - Томск, 2019. -С. 97-98.

15. Радиоволновая томография биологических сред при многочастотном зондировании в диапазоне 2-8 ГГц / А. И. Еремеев [и др.] // Информационно-измерительная техника и технологии : материалы VIII Научно-практической

конференции с международным участием. Томск, 22-25 ноября 2017 г. - Томск, 2017. - С. 103-104.

16. Subsurface radiolocation tomography of cables under dual-polarization probing / S. E. Shipilov [et al.] // Russian journal of nondestructive testing. - 2018. -Vol. 54, is. 6. - P. 443-447.

17. Shipilov S. E. Reflective array with controlled focusing for radiotomographic application [Electronic resource] / S. E. Shipilov, A. I. Eremeev, V. P. Yakubov // Journal of physics: Conference series. - 2016. - Vol. 671. - URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/671/1/012052 (access date: 15.04.2020).

18. Eremeev A. I. The radiation focusing by the array of waveguide based elements with controllable reflection [Electronic resource] / A. I. Eremeev, V. B. Antipov // Matec Web of Conferences. - 2016. - Vol. 79. - URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/20167901070 (access date: 17.05.2020).

19. Radiotomographic system construction on the basis of multielemental reflective array [Electronic resource] / A. I. Eremeev [et al.] // Journal of physics: Conference series. - 2017. - Vol. 881. - URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/881/1/012016 (access date: 10.08.2019).

20. Non-contact detection of hidden objects under clothes [Electronic resource] / A. I. Eremeev [et al.] // IOP Conference series: Materials science and engineering -2019. - Vol. 516, № 1. - URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/516/1/012014 (access date: 11.07.2020).

21. Wave Tomography / V. P. Yakubov [et al.]. - Tomsk: Scientific Technology Publishing House, 2017. - 248 p.

22. An introduction to microwave imaging for breast cancer detection / R. C. Concei?ao [et al.]. (ed.). - Basel: Springer International Publishing, 2016. - 144 p.

23. TD1301: Development of a European-based collaborative network to accelerate technological, clinical and commercialisation progress in the area of medical microwave imaging [Electronic resource] // The COST Academy. - URL: https://www.cost.eu/cost-action/development-of-a-european-based-collaborative-

network-to-accelerate-technological-clinical-and-commercialisation-progress-in-the-area-of-medical-microwave-imaging/ (access date: 15.01.2019).

24. A large-scale study of the ultrawideband microwave dielectric properties of normal, benign and malignant breast tissues obtained from cancer surgeries / M. Lazebnik [et al.] // Physics in medicine & biology. - 2007. - Vol. 52, № 20. - P. 60936115.

25. Gabriel S. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues / S. Gabriel, R. W. Lau, C. Gabriel // Physics in medicine and biology. - 1996. - Vol. 41, № 11. - P. 2271-2293.

26. Gabriel S. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz / S. Gabriel, R. W. Lau, C. Gabriel // Physics in medicine & biology. - 1996. - Vol. 41, № 11. - P. 2251-2269.

27. Dielectric properties of normal and malignant human breast tissues at radiowave and microwave frequencies / S. S. Chaudhary [et al.] // Indian journal of biochemistry and biophysics. - 1984. - Vol. 21, № 1. P. 76-79.

28. Surowiec A. J. Dielectric properties of breast carcinoma and the surrounding tissues // IEEE Transactions on biomedical engineering. - 1988. - Vol. 35, № 4. - P. 257-263.

29. The measured electrical properties of normal and malignant human tissues from 50 to 900 MHz / W. T. Joines [et al.] // Medical physics. - 1994. - Vol. 21, № 4. -P. 547-550.

30. Cheng Y. Dielectric properties for non-invasive detection of normal, benign, and malignant breast tissues using microwave theories / Y. Cheng, M. Fu // Thoracic cancer. - 2018. - Vol. 9, № 4. - P. 459-465.

31. A comparison of a wide-slot and a stacked patch antenna for the purpose of breast cancer detection / D. Gibbins [et al.] // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 2009. - Vol. 58, № 3. - P. 665-674.

32. Ultra-wideband antennas and propagation: for communications, radar and imaging / B. Allen [et al.]. - John Wiley and Sons, 2006. - 471 p.

33. Hagness S. C. Two-dimensional FDTD analysis of a pulsed microwave confocal system for breast cancer detection: Fixed-focus and antenna-array sensors / S. C. Hagness, A. Taflove, J. E. Bridges // IEEE Transactions on biomedical engineering. - 1998. - Vol. 45, № 12. - P. 1470-1479.

34. Shannon C. J. Dielectric-filled slotline bowtie antenna for breast cancer detection / C. J. Shannon, E. C. Fear, M. Okoniewski // Electronics letters. - 2005. -Vol. 41, № 7. - P. 388-390.

35. Numerical and experimental investigation of an ultrawideband ridged pyramidal horn antenna with curved launching plane for pulse radiation / X. Li [et al.] // IEEE Antennas and wireless propagation letters. - 2003. - Vol. 2. - P. 259-262.

36. A flexible broadband antenna and transmission line network for a wearable microwave breast cancer detection system / E. Porter [et al.] // Progress in electromagnetics research letters. - 2014. - Vol. 49. - P. 111-118.

37. Bah M. H. Study of breast tissues dielectric properties in UWB range for microwave breast cancer imaging / M. H. Bah, J. S. Hong, D. A. Jamro // Computer information systems and industrial applications : materials of the International conference, Bangkok, 28-29 June 2015. - Zhengzhou, 2015. - P. 473-475.

38. Homogeneous and heterogeneous breast phantoms for ultra-wideband microwave imaging applications / J. C. Y. Lai [et al.] // Progress in electromagnetics research. - 2010. - Vol. 100. - P. 397-415.

39. Improved tissue phantoms for experimental validation of microwave breast cancer detection [Electronic resource] / E. Porter [et al.] // European conference on antennas and propagation : proceedings of the fourth International conference, Barcelona, 12-16 April 2010. - Piscataway, 2010. - URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/5505472 (access date: 18.03.2019).

40. Improved Debye model for experimental approximation of human breast tissue properties at 6 GHz ultra-wideband centre frequency / I. Khuda [et al.] // International journal of engineering and technology. - 2013. - Vol. 5, № 6. - P. 47084717.

41. Pethig R. Dielectric properties of body tissues // Clinical physics and physiological measurement. - 1987. - Vol. 8, № 4A. - P. 5-12.

42. Mobashsher A. T. Artificial human phantoms: Human proxy in testing microwave apparatuses that have electromagnetic interaction with the human body / A. T. Mobashsher, A. M. Abbosh // IEEE Microwave magazine. - 2015. - Vol. 16, № 6. -P. 42-62.

43. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications / M. Lazebnik [et al.] // Physics in medicine & biology. - 2005. - Vol. 50, № 18. - P. 4245-4258.

44. Experimental study of breast cancer detection using UWB imaging / S. A. Alshehri [et al.] // International journal on advanced science, engineering and information technology. - Vol. 1, № 1. - P. 83-87.

45. Experimental approximation of breast tissue permittivity and conductivity using nn-based UWB imaging / S. Alshehri [et al.] // Conference on software engineering and computer systems : proceedings of the International conference, Pahang, 27-29 June 2011. - Berlin, 2011. - P. 332-341.

46. Experimental breast tumor detection using NN-based UWB imaging / S. A. Alshehri [et al.] // Progress in electromagnetics research. - 2011. - Vol. 111. - P. 447465.

47. Radar imaging of breast lesions-a clinical evaluation and comparison [Electronic resource] / M. Shere [et al.] // European congress of radiology. - 2016. -URL: https://epos.myesr.org/poster/esr/ecr2016/C-0521 (access date: 06.08.2019).

48. Патент US20110263961A1 США МПК А61В 5/05 Antenna for investigating structure of human or animal / Craddock I. J., Klemm M. B., Gibbins D. R.; заявитель и патентообладатель Micrima Limited. - опубл. 27.10.2011. - 9 p.

49. A clinical prototype for active microwave imaging of the breast / P. M. Meaney [et al.] // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2000. -Vol. 48, № 11. - P. 1841-1853.

50. Preclinical prototype development of a microwave tomography system for breast cancer detection / S. H. Son [et al.] // ETRI journal. - 2010. - Vol. 32, № 6. - P. 901-910.

51. Bourqui J. A prototype system for measuring microwave frequency reflections from the breast [Electronic resource] / J. Bourqui, J. M. Sill, E. C. Fear // International journal of biomedical imaging. - 2012. - Vol. 2012. - URL: https://doi.org/10.1155/2012/851234 (access date: 12.05.2018).

52. Time-domain multistatic radar system for microwave breast screening / E. Porter [et al.] // IEEE Antennas and wireless propagation letters. - 2013. - Vol. 12. - P. 229-232.

53. A breast cancer detection system using 198 ps Gaussian monocycle pulse CMOS transmitter and UWB antenna array / T. Sugitani [et al.] // Electromagnetic theory : proceedings of the International symposium, Hiroshima, 20-24 May 2013. -Tokyo, 2013. - P. 372-375.

54. Sensitivity assessment of a microwave apparatus for breast cancer detection [Electronic resource] / G. Tiberi [et al.] // European congress of radiology. - 2018. -URL: https://epos.myesr.org/poster/esr/ecr2018/C-1390 (access date: 06.02.2019).

55. Zou Y. A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection / Y. Zou, Z. Guo // Medical engineering & physics. - 2003. - Vol. 25, № 2. -P. 79-90.

56. Possibilities of electrical impedance tomography in gynecology [Electronic resource] / O. V. Trokhanova [et al.] // Journal of physics: Conference series. - 2013. -Vol. 434. - URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/434/1Z012038 (access date: 06.08.2019)

57. Sill J. M. Tissue sensing adaptive radar for breast cancer detection-Experimental investigation of simple tumor models / J. M. Sill, E. C. Fear // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2005. - Vol. 53, № 11. - P. 33123319.

58. Microwave imaging for breast cancer detection and therapy monitoring / A. H. Golnabi [et al.] // biomedical wireless technologies, networks, and sensing systems :

proceedings of the International topical conference, Phoenix, 16-19 January 2011. -Piscataway, 2011. - P. 59-62.

59. Investigation of classifiers for tumor detection with an experimental timedomain breast screening system / A. Santorelli [et al.] // Progress in electromagnetics research. - 2014. - Vol. 144. - P. 45-57.

60. Confocal microwave imaging for breast cancer detection: Localization of tumors in three dimensions / E. C. Fear [et al.] // IEEE Transactions on biomedical engineering. - 2002. - Vol. 49, № 8. - P. 812-822.

61. Microwave breast screening in the time-domain: Identification and compensation of measurement-induced uncertainties / E. Porter [et al.] // Progress in electromagnetics research. - 2013. - Vol. 55. - P. 115-130.

62. Microwave radar imaging of heterogeneous breast tissue integrating a priori information [Electronic resource] / J. Moll [et al.] // International journal of biomedical imaging. - 2014. - Vol. 2014. - URL: https://doi.org/10.1155/2014/943549 (access date: 12.11.2017).

63. Porter E. Time-domain microwave radar applied to breast imaging: measurement reliability in a clinical setting / E. Porter, A. Santorelli, M. Popovic // Progress in electromagnetics research. - 2014. - Vol. 149. - P. 119-132.

64. Yakubov V. P. Ultra-wideband sensing behind dielectric barriers / V. P. Yakubov, S. E. Shipilov, R. N. Satarov // Russian physics journal. - 2011. - Vol. 53, № 9. - P. 887-894.

65. Improved delay-and-sum beamforming algorithm for breast cancer detection / M. Klemm [et al.] // International journal of antennas and propagation. - 2008. - Vol. 2008. - P. 1-9.

66. Wang Z. Time-delay-and time-reversal-based robust capon beamformers for ultrasound imaging / Z. Wang, J. Li, R. Wu // IEEE Transactions on medical imaging. -2005. - Vol. 24, № 10. - P. 1308-1322.

67. An experimental system for time-domain microwave breast imaging / E. Porter [et al.] // Proceedings of the 5th European conference on antennas and propagation (EUCAP). Rome, 11-15 April 2011. - IEEE, 2011. - P. 2906-2910.

68. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах / Л. М. Бреховских. - М.: Наука, 1973. - 331 с.

69. Васильева М. А. Измерение показателя преломления жидких и сыпучих диэлектриков в диапазоне до 8 ГГц / М. А. Васильева, А. И. Еремеев // Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов : сборник трудов XV Всероссийской конференции. Томск, 17-19 мая 2018 г. - Томск, 2018. - С. 144-146.

70. Numerical breast phantom repository [Electronic resource] // University of Wisconsin cross-disciplinary electromagnetics laboratory: official site. - URL: http://uwcem.ece.wisc.edu. (access date: 20.10.2018).

71. Обзор моделей комплексной диэлектрической проницаемости водной среды, применяемых в практике дистанционного зондирования / И. Н. Садовский [и др.] // Исследование Земли из космоса. - 2014. - №. 6. - С. 79-79.

72. Lee C. I. Breast imaging / C. I. Lee, C. D. Lehman, L. W. Bassett - New York: Oxford university press, 2018. - 528 p.

73. Методические рекомендации по использованию международной системы BI-RADS при маммографическом обследовании: [методические рекомендации] / О. О. Мануйлова - М.: ФГБОУ ВО «Академия акварели и изящных искусств Сергея Андрияки», 2017. - 23 с.

74. Characterization of mesoscopic dielectric cuboid antenna at millimeter-wave band / Y. Samura [et al.] // IEEE Antennas and wireless propagation letters. - 2019. -Vol. 18, № 9. - P. 1828-1832.

75. Tissue-mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications / M. Lazebnik [et al.] // Physics in medicine & biology. - 2005. - Vol. 50, № 18. - P. 4245-4258.

76. Homogeneous and heterogeneous breast phantoms for ultra-wideband microwave imaging applications / J. C. Y. Lai [et al.] // Progress in electromagnetics research. - 2010. - Vol. 100. - P. 397-415.

77. UWB microwave imaging of heterogeneous breast phantoms / M. Helbig [et al.] // Biomedical engineering / Biomedizinische technik. - 2012. - Vol. 57, № SI-1 Track-B. - P. 486-489.

78. Hahn C. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models / C. Hahn, S. Noghanian // International journal of biomedical imaging. - 2012. - Vol. 2012. - P. 1 -12.

79. MRI-derived 3-D-printed breast phantom for microwave breast imaging validation / M. J. Burfeindt [et al.] // IEEE Antennas and wireless propagation letters. -2012. - Vol. 11. - P. 1610-1613.

80. Mashal A. Heterogeneous anthropomorphic phantoms with realistic dielectric properties for microwave breast imaging experiments / A. Mashal, F. Gao, S. C. Hagness // Microwave and optical technology letters. - 2011. - Vol. 53, № 8. - P. 1896-1902.

81. Garrett J. A new breast phantom with a durable skin layer for microwave breast imaging / J. Garrett, E. Fear // IEEE Transactions on antennas and propagation. -2015. - Vol. 63, № 4. - P. 1693-1700.

82. Garrett J. Stable and flexible materials to mimic the dielectric properties of human soft tissues / J. Garrett, E. Fear // IEEE Antennas and wireless propagation letters. - 2014. - Vol. 13. - P. 599-602.

83. Microwave breast imaging: experimental tumor phantoms for the evaluation of new breast cancer diagnosis systems [Electronic resource] / B. L. Oliveira [et al.] // Biomedical physics & engineering express. - 2018. - Vol. 4, № 2. - URL: https://doi.org/10.1088/2057-1976/aaaaff (access date: 17.05.2020).