CN1046274A - 阿基米德螺旋线探头微波诊断仪 - Google Patents

Abstract

一种由热信息提取部分及信息处理系统组成的无源微波诊断仪，具有与人体组织阻抗匹配良好的阿基米德螺旋线探头，在2.25-2.65GHz频率范围可接收圆极化或椭圆极化波，驻波比≤2；薄膜电阻及恒温槽等构成的匹配负载热惯量小，温度控制灵敏；本装置还采用多屏蔽层同轴电缆和电子隔离技术等手段，整个装置具有低噪声、高增益和高稳定性，对人体无损害，经有关单位临床实验，是一种能探测人体深部组织肿瘤的有效的新型诊断仪器。

Description

本发明系一种运用微波技术的医疗诊断系统。

本世纪七十年代，微波辐射计开始应用于生物医学领域，如美国麻省理工学院BarretA.H，P.C.Myers等人将微波辐射计用于诊断乳腺癌，许多国家在进行肿瘤热疗中的微波无损测温研究，美国专利US4346716和欧洲专利EU114094所报道的微波热测量装置是现有乳腺癌诊断设备中较完善的系统。美国专利US4346716的微波探测系统为双模系统，用1.6GH_Z微波局部加热检测部位，并用4.7GH_Z辐射计检测肿瘤。该系统用介质填充的双矩形波导作为探头，发射探头为较大口径矩形波导、检测探头为较小口径矩形波导，两矩形波导宽边共基线。该系统探头工作在C波段，取H₁₀模线性极化波方式，探测深度有限，对入体深部组织的肿瘤如食道癌等无效;有源部分发射微波对人体有害，不能多次使用，既使探头不与人体待查部位接触，浅露的微波也使长期进行操作的人员受到损害;有源系统与辐射计系统之间相互影响，要解决此电磁兼容问题增加电路复杂程度和造价。

鉴于人体深部组织肿瘤的微波热辐射强度很小（约10^-19WM^-2HZ^-1Sr^-2），经多层媒质传输衰减后到达体表甚为微弱，如何探测并提取这种微弱的微波热辐射信息就是微波诊断仪的关键问题。本发明针对现有技术中矩形波导或圆波导探头接收人体组织微波热辐射效率不高，设计出能有效接收深部肿瘤微波热辐射信息的最佳探头，并要设计出低噪声、高增益、高稳定的微波热辐射亮温计量系统，在进行信息处理时，争取尽可能大的可资用信息，以提供一种无损伤、无有害辐射、智能化的深部肿瘤诊断仪器。

本发明的微波诊断仪，由微波热辐射信息提取部分及信息处理系统两大部分组成。微波热辐射信息提取部分包括探头、环行器、Dicke开关、匹配负载、微波放大链、微波检波及固态噪声源等部分。信息处理系统包括平方律检波、交流放大、同步积分、同步检波、直流放大、积分运算放大器、A/D转换器和微处理机、打印机等部分。

在平面分层媒质的微波热辐射传递特性研究中，利用Shell定律，针对某特定频率，由波数圆作出人体肌肉组织中肿瘤的自发电磁热辐射轨迹图，可以定性觉察到皮肤表面会出现正向射线、折线和爬行线，即在皮肤的外侧会呈现复杂的椭球极化波。故可推知用圆极化波探头更有利接收有耗生物分层媒质中的电磁热辐射信息。据此，本发明设计的探头由探头基片和探头基片座构成，探头基片为镀铜介质片，其表面为镀铜层经腐蚀工艺形成的微带线，微带线轨迹为阿基米德螺旋线，满足极坐标方程L＝aφ，式中φ为旋转角度，a为常数，其取值范围为0.5-1.5mm/rad，探头基片介质层厚度为0.125-0.25λe，其中 ${\lambda }_e=\frac{\lambda }{\sqrt{\epsilon }}$

λ为工作波波长，ε为介质介电常数，上述探头基片置于探头基片座上，探头基片座为杯状体，横截面是圆形，为防止爬行热辐射噪声波干扰，还可以采用带有抗流槽的探头基片座。

除设计专门的探头外，本发明为保证系统的低噪声和高稳定性，还采取下述一些措施：设计专门的薄膜电阻用作匹配负载，该薄膜电阻经镀膜沉积于陶瓷基片上，其阻值范围为45-55Ω，使得驻波比≤1.08，陶瓷基片上还附有热敏电阻，上述元件置于由云母片、加热电阻丝、石棉带等组成的恒温槽内。

为减小同轴电缆连线及一系列接头带来的插入损耗，探头直接与热信息提取部分前端元件构成一个组件。某些情况下为使用方便，探头必须通过电缆连线与热信息提取部分前端元件连接时，则采用多屏蔽层同轴电缆，该多屏蔽层同轴电缆具有两层或三层铜网屏蔽层，两端通过阻抗过渡段与同轴电缆插头（座）连结。为使此段多屏蔽层同轴电缆耐弯折，其最外层为橡胶绝缘层，再套入金属软管内。

为避免大电流方波激励源在Dicke开关内导体上产生感应方波成为虚假信号，本发明可以采用平头接头同轴电缆连接器连接Dicke开关和前置RF放大器，该平头接头同轴电缆连接器可采用市售标准器件。

本发明还可以在Dicke开关二输入臂之间采用电子隔离技术，防止有用噪声信号和零平衡注入噪声一起串到匹配负载一端，即在固态噪声源的恒流源电路上加中断电路，使得Dicke开关接通匹配负载时，断开固态噪声源;在断开匹配负载时，接通固态噪声源。

由于人体内异常组织温度通常高于正常组织而人体的微波热辐射又与体温有关，本发明依据患有肿瘤病人身体相应部位温差和正常人身体相应部位温差，分别设计适用于判断鼻咽癌、食道癌、乳腺癌和肝癌的人体病变部位亮温谱图判据软件，本发明的微波诊断仪从被测人体提取微波热辐射信息后，经信息处理系统，利用上述判据软件，即可判断为正常、良性肿瘤或恶性肿瘤。

本发明的探头与人体组织阻抗匹配良好，在2.25-2.65GH_Z频率范围内，可接收园极化或椭园极化波，驻波比≤2;薄膜电阻等构成的匹配负载及恒温槽，其热惯量比同轴匹配负载恒温槽小得多，起跳控制信号小，温度控制灵敏、易于达到恒温精度;采用多屏蔽层同轴电缆及平头接头同轴电缆连接器，可免受外部微波辐射干扰、避免虚假信号;采用电子隔离技术避免注入噪声串到匹配负载一端，保证了参考温度的准确度。上述措施使得本发明的微波诊断仪具有低噪声、高增益和高稳定性，探测人体深度可达食道、鼻咽、肝、胰等部位，超过国际上目前报导的2cm深度的水平。根据本发明所试制的诊断仪经过有关省、市肿瘤医院近1100例临床诊断实验，食道癌阳性符合率达86%，阴性符合率81%;鼻咽癌阳性符合率达86%，阴性符合率均达67-75%，肝癌的阳性符合率和阴性符合率均达76%，诊断肝硬化的符合率达86%，诊断乳腺肿瘤符合率达92%，除了乳腺疾病以外，本发明的以上效果是前所未见的。本发明完全为无源系统，对人体无损害，还具有数字显示和打印等手段，与目前我国进口的NMR-CT的X-CT等诊断设备相比、造价低、效果好，便于进行早期普查，是一种新型的诊断手段。

结合附图说明本发明的具体实施方案，图1为微带线轨迹为单阿基米德螺旋线的探头基片，图2为微带线轨迹为双阿基米德螺旋线的探头基片，图3是图1和图2的侧面图;图4为两片介质片组成的探头基片，其中一片介质片正反两面具有逆向阿基米德螺旋线的微带线，图中右面是其侧面图;上述诸图中，〔1〕是微带线，由探头基片表面镀铜层经腐蚀形成，〔2〕是介质层，〔3〕是镀铜层。图5为探头基片安置在探头基片座上的情况，其中〔4〕为匹配丝织品，与微带线〔1〕相连，探头与人体的接触面可用聚乙烯薄膜复盖，〔5〕为探头基片座，探头基片镀铜层〔3〕与探头基片座〔5〕以聚乙烯缩

胶等粘结剂薄层粘结，〔11〕为同轴电缆插头（座）外导体，〔12〕为该插头（座）内导体，〔11〕与〔5〕可用螺钉连接，〔12〕与〔1〕用锡焊接。图6为带有抗流槽的探头基片座，为便于加工，该探头基片座由基片座外壳〔6〕和带有抗流槽的基片座〔7〕构成，〔8〕为抗流槽，当基片座内填充介质时，抗流槽〔8〕槽底至探头与人体接触面距离为λe/4，未填充介质时，该距离为λ/4，以此决定抗流槽深度。〔9〕为吸嘴孔，〔10〕为气囊，〔9〕和〔10〕是为便于将探头吸附于人体表面而设立的，同样也可用于图5的探头基片座上。图7为匹配负载恒温槽截面图，图8为其顶视截面图，其中〔13〕为薄膜电阻，经镀膜沉积于陶瓷基片〔14〕上，〔15〕为陶瓷基片的镀铜层，粘结于电阻基片座〔18〕上，电阻基片座〔18〕可为聚四氟乙烯镀铜材料构成，与同辐电缆插头（座）外导体〔11〕用螺钉固定，〔16〕为电阻引线，与同轴电缆插头（座）内导体〔12〕焊接，陶瓷基片〔14〕上放置有热敏电阻〔17〕，上述元件外包云母片〔19〕，然后绕上加热电阻丝〔20〕，其外层绕以石棉带〔21〕，再加以封壳〔22〕构成恒温槽，封壳〔22〕可由绝热介质材料，如聚四氟乙烯板加铝外壳构成。〔23〕为联结螺母，用其将匹配负载恒温槽与Dicke开关联结，将220伏50HZ的电源电压调至70伏后，经全波整流供给匹配负载恒温槽的加热电阻丝〔20〕，热敏电阻〔17〕作为温度传感器，闭环控制加热电流的通断，以达到恒温的目的。图9为本发明系统方框图，探头〔25〕摄取人体组织微波热辐射信息，经环行器〔26〕到达Dicke开关〔27〕，〔28〕为匹配负载，〔29〕为微波放大链，〔30〕是平方律检波器，在交流放大1〔31〕和交流放大2〔33〕之间插入同步积分电路〔32〕，〔33〕的输出经同步检波〔34〕转换为直流误差信号，送入直流放大器〔35〕，再输送到积分运算放大器〔36〕，其输出到RC积分器〔41〕作为整机的输出指示，经过A/D转换器〔42〕后，由微处理机及打印机〔43〕输出显示结果。同时，积分运算放大器〔36〕的输出又送到压控振荡器〔38〕，完成V-f变换，输出脉冲信号去通截噪声源的恒流源〔39〕开关，达到调制固态噪声源〔40〕的噪声功率的目的。同步积分〔32〕、同步检波〔34〕和Dicke开关〔27〕均由方波发生器〔37〕馈电输送方波。图10为探头〔25〕直接与热信息提取部分前端元件环行器〔26〕构成一个组件的情况，图中给出微波放大链〔29〕的各个元件，〔29-1〕为平头接头电缆连接器，〔29-2〕为前置RF放大器，〔29-3〕为低损耗隔离器，〔29-4〕为微波放大器，〔29-5〕为微波功率放大器。图11中省去上述元件，给出探头〔25〕通过多屏蔽层同轴电缆〔44〕与环行器〔26〕连接的情况。图12为多屏蔽层同轴电缆〔44〕的剖面图，其中〔45〕为电缆内导体，其外为聚四氟乙烯绝缘介质层〔46〕，外为第一铜网屏蔽层〔47〕，〔47〕外为聚四氟乙烯管套〔48〕，外为第二铜网屏蔽层〔49〕，其外为橡胶管〔50〕，该多屏蔽层同轴电缆两端为铜管套〔51〕，该铜管套〔51〕与同轴电缆插头〔座〕的联结套〔54〕紧配合并用焊锡固定，电缆内导体与同轴电缆插头〔座〕外导体〔11〕之间插入指数型阻抗过渡段〔52〕，〔52〕可由铜件镀银而成，〔53〕为电缆内导体〔45〕和同轴电缆插头（座）内导体〔12〕的锡焊焊点。图13为指数型阻抗过渡段〔52〕的两种类型，〔52-1〕为指数型曲线截面形状，〔52-2〕为切比雪夫多项式构成的折线截面形状，两种情况下，曲线或者折线的参数选择应使得阻抗过渡段〔52〕的驻波比≤1.1。为进一步增强屏蔽性能，必要时，除第一铜网屏蔽层〔47〕和第二铜网屏蔽层〔49〕外，还可增加第三层铜网屏蔽层和相应的介质层。

Claims (9)

1、一种由热信息提取部分及信息处理系统组成的微波诊断仪，其热信息提取部分包括探头、环形器、Dicke开关、匹配负载、微波放大链、微波检波及固态噪声源等部分；信息处理系统包括平方律检波、交流放大、同步积分、同步检波、直流放大、积分运算放大器、A/D转换器和微型处理机等部分，其特征在于：

--探头由探头基片和探头基片座构成，探头基片为镀铜介质片，表面为镀铜层经腐蚀形成的微带线，微带线轨迹为阿基米德螺旋线，探头基片置于探头基片座上；

--匹配负载由薄膜电阻和恒温槽构成，薄膜电阻经镀膜沉积于陶瓷基片上，其阻值范围为45-55Ω，陶瓷基片粘结于电阻基片座，上述元件置于由云母片、加热电阻丝、石棉带等组成的恒温槽内。

2、如权利要求1所述的一种微波诊断仪，其特征在于：

-所述探头微带线轨迹可以是单阿基米德螺旋线，也可以是双阿基米德螺旋线，或探头基片两面形成正、反逆向的阿基米德螺旋线，上述螺旋线极坐标方程为L＝aφ，a的取值范围0.5-1.5mm/rad;

-探头基片介质层厚度为0.125-0.25λe;

-探头基片座可带有抗流槽，所述基片座内填充介质时，抗流槽底至探头与人体接触面距离为λe/4，未填充介质时，上述距离为λ/4;

-所述探头基片座还可开设连通外界的吸嘴孔，与气囊配合使用。

3、如权利要求1或2所述的一种微波诊断仪，其特征在于：

-所述探头直接与热信息提取部分前端元件构成一个组件，免去同轴电缆及一系列接头或

-探头通过多屏蔽层同轴电缆与热信息提取部分前端元件连接，该多屏蔽层同轴电缆具有两层或三层铜网屏蔽层，所述多屏蔽层同轴电缆两端通过阻抗过渡段与同轴电缆接头连接，该阻抗过渡段截面形状为指数型曲线，或由切比雪夫多项式构成的折线，上述曲线或折线的参数选择应使得阻抗过渡段的驻波比≤1.1。

4、如权利要求1或2所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关和前置RF放大器之间，采用平头接头同轴电缆连接器连接。

5、如权利要求3所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关和前置RF放大器之间，采用平头接头同轴电缆连接器连接。

6、如权利要求1或2所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关二输入臂之间采用电子隔离技术，即在固态噪声源的恒流源电路上加中断电路，使得Dicke开关接通匹配负载时，断开固态噪声源;Dicke开关断开匹配负载时，接通固态噪声源。

7、如权利要求3所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关二输入臂之间采用电子隔离技术，即在固态噪声源的恒流源电路上加中断电路，使得Dicke开关接通匹配负载时，断开固态噪声源;Dicke开关断开匹配负载时，接通固态噪声源。

8、如权利要求4所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关二输入臂之间采用电子隔离技术，即在固态噪声源的恒流源电路上加中断电路，使得Dicke开关接通匹配负载时，断掉固态噪声源;Dicke开关断开匹配负载时，接通固态噪声源。

9、如权利要求5所述的一种微波诊断仪，其特征为在Dicke开关二输入臂之间采用电子隔离技术，即在固态噪声源的恒流源电路上加中断电路，使得Dicke开关接通匹配负载时，断掉固态噪声源;Dicke开关断开匹配负载时，接通固态噪声源。

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