根据医学统计数据表明,乳腺癌在世界各地女性的所有癌症类疾病中发病率最高,目前全世界每年约有120万女性患有乳腺癌,其中超过45万女性死于乳腺癌。在过去的25年中,中国女性的乳腺癌发病率增加了52%,在女性所有癌症发病率中由原来的第二位上升到第一位。根据乳腺癌治疗的临床医学统计数据,乳腺癌的早期检测对治疗成效有决定性的作用,乳癌肿瘤检测和治疗得越早,治疗后的存活率越高。微波热致超声成像(microwave induced thermoacoustic tomography, MITAT)作为一种新型检测技术,在生物医学等多个方面都具有极大的应用潜力。在该技术中,通过记录生物组织激发产生的微波热致超声信号,来对生物组织的电磁吸收特性进行图像重构,成像结果能够反应生物组织的生理学和病理学状态,从而作为诊断的依据。将MITAT应用到乳腺癌早期检测上,一方面利用了乳房内不同组织间电参数差异大的特点,另一方面利用了超声波波长小的特点,能够获得兼有高对比度和高分辨率的成像结果。本文专注于微波热致超声成像及其在乳腺癌检测中的应用,主要分成五个部分进行讨论。1.乳腺癌检测的研究背景。首先介绍了常规的乳腺癌检测方法,并分别讨论了常规方法在图像重构上所具有的优点,以及存在的困难和局限性。其次,介绍了微波热致超声成像的基本原理,重点突出“电磁高对比度”和“声波高分辨率”两个特点。最后总结了MITAT的研究历史和现状。2.微波热致超声成像的理论基础。首先从电磁学角度出发,分析了电磁波与生物组织的作用,以及电磁波在生物组织中的传播特点。然后从声学角度出发,分析了超声与生物组织的作用,以及超声在生物组织中的传播特点。最后综合讨论了微波热致超声成像的整个过程,并给出了微波热积累效应的研究结果。3.基于时间反转镜和时域伪谱方法的成像算法。首先介绍了几种常见的医学成像算法。其次,讨论了时间反转镜和时域伪谱方法,并在此基础上给出了微波热致超声成像的成像算子。最后对二维和三维的微波热致超声成像过程进行了仿真。4.微波热致超声成像系统的设计。首先根据微波热致超声成像的需求,分别对成像系统的几个关键部件进行了详细的研究,包括微波发生器、脉冲放大器、超声探头。然后设计和制作了矩圆转换喇叭来提高电磁辐射的性能。最后讨论了系统控制程序的开发。5.在成像系统基础上,进行多种微波热致超声成像实验。首先研究了微波热致超声信号的特性。其次,将微波热致超声成像和纯超声成像进行了对比实验。最后对不同特征的生物组织样品进行了成像实验。本文对微波热致超声成像及其在乳腺癌检测上的应用进行了系统而深入的研究,应用了基于时间反转镜和时域伪谱方法的成像算法,设计搭建了微波热致超声成像系统,通过仿真和实验结果验证了成像算法的优越性,以及该成像方法优于常规医学成像方法的性能。本文的工作表明微波热致超声成像在乳腺癌检测中具有极大的优势和潜力,必将在未来的生物医学工程应用中得到推广。