CN104698231B - 基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针 - Google Patents

基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针，包括一介质谐振器和金属底板，所述介质谐振器放置于金属底板上，所述金属底板上还设有一耦合输入针和耦合输出针，所述耦合输入针和耦合输出针分别置于介质谐振器的相对侧，耦合输入针和耦合输出针与介质谐振器之间均设有间距，耦合输入针和耦合输出针与金属底板之间设有同轴绝缘块隔离,利用介质谐振器的谐振特性在近区场对乳腺组织的微波特性进行测量，从介质谐振器的频率响应曲线对乳腺组织进行定性评估。介质谐振器工作在辐射性强、电磁场开放式的模式，如方形的TEy 11d模和圆形的HE11d 模,介质谐振器的谐振特性由它的频率响应曲线描述,主要特征包括谐振频率、峰值损耗值和品质因数,这些特征值由相应微波测量硬件测出。

Description

基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针
技术领域
本发明涉及一种测量探针，特别涉及一种基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针。
背景技术
在微波波段，乳腺组织的电特性可以用介电常数e和电导率s来表征。在一个给定的频率f下，其电特性也可以复介电常数e*来描述， 而且：
，
其中e为复介电常数的实部，s/（2pf）为虚部。为了方便，复介电常数e*可继续用为复相对介电常数er*来表示， 即：
其中e0=8.854´10-12 F/m为真空介电常数。复相对介电常数er*有实部和虚部， 即：
；
其中er‘称为相对介电常数，er”为相对损耗因子。
在微波频率，正常的乳腺组织与病变的乳腺组织尤其是癌症组织的电特性有着很高的对比度，其相对介电常数（er‘）的对比度可以达到1：10， 甚至1：15，电导率（s）的对比度可以达到1：15， 甚至1：20。比如在2.5千兆赫兹，正常乳腺组织的相对介电常数和电导率分别为4和0.1，而癌症乳腺组织的正常乳腺组织的相对介电常数和电导率分别为60和2（参考文献Phys. Med. Biol. ,Vol.52，2007，p6093–6115，以及IEEE Microwave andWireless Components Letters, Vol. 17, 2007，p822-824），正常与癌症组织的相对介电常数对比度和电导率对比度分别为1：15和1：20，所以有效的微波检测可以定性地确定乳腺组织的特性。
乳腺组织的微波特性可以采用不同的方法测量，比如微带，波导，共面波导等，但最普遍的方法是采用同轴探针（参考文献IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques, Vol. 51， 2003，pp1194-1205，以及US5227730, 1993）。
同轴探针是非谐振式的测量方式，一般在利用2至3种具有已知特性的物质校正之后方可使用，可测物质的介电常数范围在1至80之间。但是，由于这种探针的精确度对校正物质参数极其敏感，每次使用之前需要校正， 对实际使用带来不便。
同轴探针由内导体，绝缘体和外导体组成。其特性阻抗为：
。
其中a为内导体的外半径，b为外导体的内半径，erc为绝缘体的相对介电常数。一般来说，同轴探针的特性阻抗设计为50欧姆，相同于微波源的内阻。同轴探针便于制作，但是它的检测深度只局限同轴探针开口孔径的一半范围内，由于开口孔径一般为小于5毫米，所以它的检测深度小于2.5毫米， 不能满足原位测量的要求。
另外，对于乳腺组织病变与正常性质的断定，只需宽频带测量，在一个选择的频率点上或一个小的频率段内测量便可对乳腺组织特性进行确认、性质评估。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种利用介质谐振器的谐振特性在近区场对乳腺组织的微波特性进行测量，实现微波乳腺组织探针的功能，对乳腺组织特性进行定量定性评估。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针，包括一介质谐振器和金属底板，所述介质谐振器放置于金属底板上，所述金属底板上还设有一耦合输入针和耦合输出针，所述耦合输入针和耦合输出针分别置于介质谐振器的相对侧，耦合输入针和耦合输出针与介质谐振器之间均设有间距，耦合输入针和耦合输出针与金属底板之间设有同轴绝缘块隔离。
作为本发明的进一步改进，所述介质谐振器为方形或圆形柱体结构，其介电常数在20至100之间,也可为其他介质柱体结构。
作为本发明的进一步改进，所述介质谐振、耦合输入针以及耦合输出针用低介电常数的树脂类材料封装固定。
本发明的有益效果是：本发明的探针利用微波介质谐振器具有强辐射的现在模式对乳腺组织进行近区场测量，对病变乳腺组织的探测深度可以达到20毫米以上，远超于传统同轴探针的探测深度；
微波介质谐振器探针可以对乳腺组织进行原位或采样测量，与同轴探针不同，微波介质谐振器探针制作之后一般不需要对探针进行校正；
微波介质谐振器探针根据乳腺组织在微波频率的介电常数和电导率测量数值，对乳腺组织进行定性和定量评估，判断是否有病变状况。
附图说明
图1为本发明的探针方形结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明的探针圆柱形结构的俯视图；
图4为本发明的工作原理图；
图5为无载和加载时介质谐振器探针的频率响应图；
图6为实施例1中介质谐振器探针的模拟结果；
图中标示：1-介质谐振器；2-金属底板；3-耦合输入针；4-耦合输出针；5-同轴绝缘块；6-封装块；7-乳腺组织；8-微波信号发生器；9-微波信号接收机；10-系统操作控制信号处理和显示。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本发明提出的微波乳腺组织特性的探针结构如图1所示，介质谐振器1的形状一般采用圆形柱体或正方形柱体，但是其它形状的柱体也可使用，图1和图2分别为正方形柱体的结构示意图和俯视图，介质谐振器的长度和宽度为d，高度为h，图3为圆形形柱体的结构俯视图，介质谐振器的直径为D，高度为h。介质谐振器1放置在一个小金属底板2上，金属底板2的厚度为t，微波信号从安装在金属底板2上的一个耦合输入针3输入，另一个耦合输出针4输出，耦合输入针3和耦合输出针4的高度为p，耦合输入针3、耦合输出针4与介质谐振器1的相应边缘的距离为g，耦合输入针3和耦合输出针4与金属底板2用同同轴绝缘块5隔离，介质谐振器1和耦合输入针3和耦合输出针4由低介电常数的树脂类材料制成的封装块6封装固定，封装块6材料的长宽度或直径为D， 高度为H。
介质谐振器1的材料为微波陶瓷或其它低损耗材料，其介电常数一般在20至100之间，介电常数的数值为37的陶瓷是一个典型的介质谐振器的材料。
为了增大检测深度和灵敏度，介质谐振器的工作模式采用具有辐射性强、 电磁场开放式的模式， 所以圆形柱体介质谐振器的工作模式选择HE11d 模，而方形柱体介质谐振器选择工作模式选择TEy 11d模，这些模式在参考文献中已有明确的定义（参考文献ISBN 0-86380-263-X）。采用这两个模式，介质谐振器1可以放置在金属平板上，以减少介质谐振器的尺寸，介质谐振器1的耦合与测量可以用两个小金属针来实现。
使用时，乳腺组织放置在介质谐振器探针的上面，如图4所示。乳腺组织7放置对介质谐振器探针进行加载， 从而进行微波扫频测量， 即可测出介质谐振器探针的频率响应或介质谐振器探针在不同频率下的传输损耗。不同频率下的传输损耗的测量由频率可调微波信号发生器8、微波信号接收机9、系统操作控制信号处理和显示10来实现，介质谐振器探针的频率响应可以图像方式在系统操作控制信号处理和显示10显示。
一对典型的无载和加载时介质谐振器探针的频率响应如图5所示， 其中横轴为频率， 纵轴为传输特性， 以分贝（dB）表示（如0dB到-XdB）。介质谐振器探针的频率响应的特征由中心频率， 峰值传输损耗和3分贝的带宽确定。无载时的中心频率为f0， 峰值传输损耗为T分贝，3分贝的带宽为BW。加载时的中心频率为f0¢，峰值传输损耗为T¢分贝，3分贝的带宽为BW ¢。
在无乳腺组织加载情况下，介质谐振器的中心频率f0一般设计在2.45千兆赫兹、5.8千兆赫兹或10.6千兆赫兹左右，其3分贝的带宽为或品质因数由介质谐振器的工作模式而定，无载时的介质谐振器品质因数Q0称为无载品质因数。Q0可以由如下公式计算：
。
在乳腺组织加载的情况下，介质谐振器的中心频率产生偏移，从f0偏移到f0¢，峰值传输损耗从T分贝变成为T¢分贝，3分贝的带宽也产生变化，从BW变成为BW¢，介质谐振器的品质因数也从Q0变成为Q0¢，即：
。
加载时介质谐振器中心频率从f0到f0¢的偏移程度与乳腺组织的介质常数成正性相关，所以通过介质谐振器中心频率偏移的测量可以确定乳腺组织的介电常数。而加载介质谐振器的品质因数比无载品质因数偏低（Q0¢<Q0），加载时谐振频率响应的3分贝带宽（BW¢）比无载时的数值（BW）偏高， 而且加载时介质谐振器的3分贝带宽与乳腺组织的电导率成正比。从而通过加载时和无载时介质谐振器品质因数的测量或者3分贝带宽的测量，可以确定乳腺组织的电导率。
在测量时，测量量f0¢、Q0¢、 f0 、Q0与乳腺组织的相对介电常数er’和电导率s之间的关系如下：
；
所以，乳腺组织的相对介电常数er’和电导率s可以由以下方程获得：
；
实施例1：本专利描述的微波介质谐振器探针可以采用如图1和图2所示的方形设计或图3所示的圆形设计。
比如，在一个方形设计特例的情况下， 选择如下设计参数D=24mm、 H=10mm、 d=16mm、 h=7.4mm、 t=2mm、 p=2mm、 g=0.27mm、金属针直径0.46mm，以上方程中的Ae和As 分别为Ae =5.6x10-3和As =3.5x10-2。所以在测量f0¢、Q0¢、 f0 、Q0之后，乳腺组织的相对介电常数er’和电导率s可以由如下公式获得
和
又如测量值f0 =2.5189千兆赫兹、Q0=36.4、f0¢=2.3309千兆赫兹和Q0¢=16.1，乳腺组织的相对介电常数er为30，而电导率s为1西门子/米。这些数值远超于乳腺的正常电特性值，所以该乳腺组织定为病变或癌症组织。
图6显示了以上介质谐振器探针的模拟结果。曲线1为无载时的频率响应，曲线2为正常乳腺组织加载时的频率响应，曲线3为病变乳腺组织加载时的频率响应。除了乳腺组织的相对介电常数和电导率的定量计算外，这些频率响应曲线的特征可以直观地定性判断乳腺组织的正常性或病变程度。

Claims (3)

1.一种基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针，其特征在于：包括一介质谐振器(1)和金属底板(2)，所述介质谐振器(1)放置于金属底板(2)上，所述金属底板(2)上还设有一耦合输入针(3)和耦合输出针(4)，所述耦合输入针(3)和耦合输出针(4)分别置于介质谐振器(1)的相对侧，耦合输入针(3)和耦合输出针(4)与介质谐振器(1)之间均设有间距，耦合输入针(3)和耦合输出针(4)与金属底板(2)之间设有同轴绝缘块(5)隔离。
2.根据权利要求1所述的基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针，其特征在于：所述介质谐振器(1)为方形或圆形柱体结构，其介电常数在20至100之间。
3.根据权利要求1所述的基于微波介质谐振器的乳腺组织特性探针，其特征在于：所述介质谐振器(1)、耦合输入针(3)以及耦合输出针(4)用封装块(6)封装固定，所述封装块为低介电常数的树脂类材料。
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