CN115568840A - 一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统，该探头包括电磁波收发组件和探头组件；所述探头组件包括连接部、外导体和设于所述外导体内的内导体；所述外导体和所述内导体之间设有填充介质；所述填充介质为聚四氟乙烯；所述外导体和所述内导体的一端设有所述连接部；所述电磁波收发组件的一端与所述连接部连接。本发明能够通过检测待测组织的介电常数，从而根据待测组织的介电常数进行恶性肿瘤检测，检测效率高，检测时间短。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统。
背景技术
恶性肿瘤已成为严重威胁我国人群健康的主要公共卫生问题之一，目前治疗恶性肿瘤通常采用手术切除方法，而恶性肿瘤切除手术时常面临切除范围的问题，切除不彻底将造成肿瘤复发，后续需要进行二次手术，切除过多将引起患者组织器官的正常功能受损。
为了确定恶性肿瘤切除手术的切除范围，通常需要检测待切除组织是否为恶性肿瘤，现有技术通常在术中将待检测组织制作成冰冻病理切片进行观察、判断，但该方法的检测效率低，使得对待检测组织进行恶性肿瘤检测的时间较长。
发明内容
本发明提供一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统，以解决现有技术对待检测组织进行恶性肿瘤检测的效率低且时间较长的技术问题，通过探头组件的外导体和内导体之间设有聚四氟乙烯，由于待测组织与聚四氟乙烯是两种不相同的介质，而电磁信号从一种介质进入另一种介质时，因介质的折射率不同而发生反射和穿透的情况，因此使得输出电磁信号与接收到的反射电磁信号具有差异，由输出电磁信号与反射电磁信号的差异能够获得待测组织的介电常数，从而能够根据待测组织的介电常数进行恶性肿瘤检测，检测效率较高，检测时间较短。
为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供一种开端同轴探头，包括电磁波收发组件和探头组件；
所述探头组件包括连接部、外导体和设于所述外导体内的内导体；
所述外导体和所述内导体之间设有填充介质；
所述填充介质为聚四氟乙烯；
所述外导体和所述内导体的一端设有所述连接部；
所述电磁波收发组件的一端与所述连接部连接。
作为优选方案，所述外导体和所述内导体位于同一轴线上。
作为优选方案，所述外导体和所述内导体均由铜组成。
作为优选方案，所述电磁波收发组件包括同轴天线、柔性轴线和连接头；
所述同轴天线的一端与所述连接部连接；
所述同轴天线的另一端与所述柔性轴线的一端连接；
所述柔性轴线的另一端与所述连接头连接。
作为优选方案，所述同轴天线包括同轴设置的第一导体、第二导体和第三导体；
所述第一导体的一侧与所述连接部连接；
所述第一导体的另一侧与所述第二导体的一侧连接；
所述第二导体的另一侧与所述第三导体的一侧连接；
所述第三导体的另一侧与所述柔性轴线的一端连接。
作为优选方案，所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体均为圆柱体结构；
所述第一导体的横截面面积小于所述第二导体的横截面面积；
所述第二导体的横截面面积小于所述第三导体的横截面面积。
本发明实施例第二方面提供一种肿瘤组织介电常数测量系统，包括网络分析仪和如第一方面任一项所述的开端同轴探头；
所述网络分析仪用于将预设输出功率的输出电磁信号通过所述开端同轴探头的连接头传输至所述开端同轴探头；
所述开端同轴探头用于将所述输出电磁信号发射至待测组织，并接收由所述待测组织反射的反射电磁信号，将所述反射电磁信号传输至所述网络分析仪；
所述网络分析仪还用于根据所述开端同轴探头的预设阻抗、预设特征阻抗及预设的参考电磁信号、所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、预设开路反射系数、预设短路反射系数和预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
作为优选方案，所述网络分析仪包括信号发生模块、功率分配模块、定向耦合模块和幅度相位处理模块；
所述信号发生模块用于产生频率处于射频频段的电磁信号，并将所述电磁信号传输至所述功率分配模块；
所述功率分配模块用于根据所述预设输出功率，将所述电磁信号分为所述参考电磁信号和所述输出电磁信号，并将所述参考电磁信号传输至所述幅度相位处理模块，将所述输出电磁信号传输至所述定向耦合模块；
所述定向耦合模块用于将所述输出电磁信号通过所述连接头传输至所述开端同轴探头；还用于接收所述开端同轴探头发送的所述反射电磁信号，并将所述反射电磁信号传输至所述幅度相位处理模块；
所述幅度相位处理模块用于根据所述预设阻抗、所述预设特征阻抗、所述参考电磁信号和所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、所述预设开路反射系数、所述预设短路反射系数和所述预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
作为优选方案，所述预设输出功率的范围为-15dBm～-10dBm。
作为优选方案，还包括主机；
所述网络分析仪还用于将所述待测组织的介电常数传输至所述主机；
所述主机用于对所述待测组织的介电常数进行记录，并通过显示器显示记录的结果。
相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，通过探头组件的外导体和内导体之间设有聚四氟乙烯，由于待测组织与聚四氟乙烯是两种不相同的介质，而电磁信号从一种介质进入另一种介质时，因介质的折射率不同而发生反射和穿透的情况，因此使得输出电磁信号与接收到的反射电磁信号具有差异，由输出电磁信号与反射电磁信号的差异能够获得待测组织的介电常数，从而能够根据待测组织的介电常数进行恶性肿瘤检测。现有技术通过在术中将待检测组织制作成冰冻病理切片进行观察、判断，整个检测过程需要15-30分钟的检测时间，而本发明实施例仅需要约10秒钟便能够获得待测组织的介电常数。显然，相比于现有技术，本发明实施例的检测效率较高，检测时间较短。
附图说明
图1是本发明实施例中的开端同轴探头的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中的开端同轴线的结构示意图；
图3是本发明实施例中的肿瘤组织介电常数测量系统的结构示意图；
图4是本发明实施例中的开端同轴探头的等效电路示意图；
图5是本发明实施例中的开端同轴线的等效二端网络示意图；
其中，1、探头组件；101、连接部；102、外导体；103、内导体；104、填充介质；2、同轴天线；201、第一导体；202、第二导体；203、第三导体；3、柔性轴线；4、连接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，本发明实施例第一方面提供一种开端同轴探头，包括电磁波收发组件和探头组件1；
所述探头组件1包括连接部101、外导体102和设于所述外导体102内的内导体103；
所述外导体102和所述内导体103之间设有填充介质104；
所述填充介质104为聚四氟乙烯；
所述外导体102和所述内导体103的一端设有所述连接部101；
所述电磁波收发组件的一端与所述连接部101连接。
值得说明的是，本实施例的探头组件1包括连接部101、外导体102和设于所述外导体102内的内导体103，且外导体102和内导体103之间设有聚四氟乙烯作为填充介质104，从而由外到内依次形成外导体层、由聚四氟乙烯构成的绝缘介质层和内导体层。此外，由外导体102、内导体103及聚四氟乙烯构成的开端同轴线的尺寸可以根据不同的测量频率进行设置，例如，测量所需的电磁波频率通常为50-500MHz，在较低频率范围内，对于低含水量的待测组织，尺寸较大的同轴线具有更高的检测精度，在较高频率范围内，对于高含水量的待测组织，尺寸较小的同轴线具有更高的检测精度。
进一步地，外导体102和内导体103的一端设有连接部101，电磁波收发组件的一端与连接部101连接，从而电磁波收发组件能够将接收到的电磁信号通过连接部101传输至探头组件1，并通过连接部101接收探头组件1接收到的反射电磁信号。
作为优选方案，所述外导体102和所述内导体103位于同一轴线上。
作为优选方案，所述外导体102和所述内导体103均由铜组成。
作为优选方案，所述电磁波收发组件包括同轴天线2、柔性轴线3和连接头4；
所述同轴天线2的一端与所述连接部101连接；
所述同轴天线2的另一端与所述柔性轴线3的一端连接；
所述柔性轴线3的另一端与所述连接头4连接。
值得说明的是，同轴天线2的一端与探头组件1的连接部101连接，用于发送和接收电磁信号，同轴天线2通过柔性轴线3与连接头4连接，连接头4用于与网络分析仪连接。
作为优选方案，所述同轴天线2包括同轴设置的第一导体201、第二导体202和第三导体203；
所述第一导体201的一侧与所述连接部101连接；
所述第一导体201的另一侧与所述第二导体202的一侧连接；
所述第二导体202的另一侧与所述第三导体203的一侧连接；
所述第三导体203的另一侧与所述柔性轴线3的一端连接。
作为优选方案，所述第一导体201、所述第二导体202和所述第三导体203均为圆柱体结构；
所述第一导体201的横截面面积小于所述第二导体202的横截面面积；
所述第二导体202的横截面面积小于所述第三导体203的横截面面积。
本发明实施例提供的一种开端同轴探头，通过探头组件的外导体和内导体之间设有聚四氟乙烯，由于待测组织与聚四氟乙烯是两种不相同的介质，而电磁信号从一种介质进入另一种介质时，因介质的折射率不同而发生反射和穿透的情况，因此使得输出电磁信号与接收到的反射电磁信号具有差异，由输出电磁信号与反射电磁信号的差异能够获得待测组织的介电常数，从而能够根据待测组织的介电常数进行恶性肿瘤检测，检测效率较高，检测时间较短。
参见图3，本发明实施例第二方面提供一种肿瘤组织介电常数测量系统，包括网络分析仪和如第一方面任一实施例所述的开端同轴探头301；
所述网络分析仪用于将预设输出功率的输出电磁信号通过所述开端同轴探头301的连接头传输至所述开端同轴探头301；
所述开端同轴探头301用于将所述输出电磁信号发射至待测组织，并接收由所述待测组织反射的反射电磁信号，将所述反射电磁信号传输至所述网络分析仪；
所述网络分析仪还用于根据所述开端同轴探头301的预设阻抗、预设特征阻抗及预设的参考电磁信号、所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、预设开路反射系数、预设短路反射系数和预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
值得说明的是，预设的参考电磁信号为网络分析仪在对电磁信号进行功率分配时，根据预设输出功率而生成的，作为入射至待测组织的参考信号，用于后续计算待测组织的反射系数。
具体地，参见图4为开端同轴探头301的等效电路，在等效电路中，Cf为开端同轴线的内部等效电容，
为开端同轴线的测量端为待测组织时的外部等效电容，C0为开端同轴线的测量端为空气时的等效电容，σ为待测组织的电导率。由此可得开端同轴线的测量端的导纳YL如下：
而导纳和阻抗互为倒数，由此可得开端同轴线的测量端的阻抗ZL为：
由上述公式(1)和公式(2)可知，通过求得开端同轴线的测量端的导纳和阻抗，能够进一步推导出待测组织的介电常数和电导率。但是由于电磁波在传输的过程中，当电磁波从一种介质进入另一种介质时，会因折射率不同产生部分反射和穿透的特性，因此电磁波在测量组织的表面会出现反射现象，终端反射系数表示如下：
其中，Z0＝50Ω，为开端同轴线的特征阻抗，Γm(ω)为终端反射系数。由于电磁波在开端同轴线中的传播亦会产生损耗，且当频率较高时，电磁波在开端同轴线的测量端会存在散射现象，此时需要将开端同轴线等效为二端网络，如图5所示。
图5中的入射信号a1、a2和出射信号b1、b2的关系如下：
待测组织的表面的终端反射系数为：
待测组织的表面的反射系数为：
由公式(4)、公式(5)和公式(6)可得：
由公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(7)可得：
其中：
值得说明的是，A1、A2和A3分别通过开端同轴线的测量端为短路、开路和校准液进行确定，具体如下：
当开端同轴线的测量端为短路时，测量端的阻抗ZL为0，根据公式(3)，此时待测组织的终端反射系数Γm(ω)为-1，将其代入公式(7)和公式(11)可得开端同轴线的测量端为短路时的网络分析仪所得的待测组织表面的反射系数ρ1为：
当开端同轴线的测量端为开路时，此时测量端为空气，空气的相对介电常数εr′＝1，电导率σ＝0，代入公式(8)可得开端同轴线的测量端为开路时的网络分析仪所得的待测组织表面的反射系数ρ2为：
当开端同轴线的测量端为校准液，如去离子水时，去离子水的相对介电常数εrs′和σs电导率均为一预设的已知量，令
代入公式(8)可得开端同轴线的测量端为去离子水时的网络分析仪所得的待测组织表面的反射系数ρ3为：
联立公式(12)、公式(13)和公式(14)可得：
A3＝ρ1 (17)
将A1、A2和A3代入到公式(8)中，便可获得待测组织的相对介电常数εr′和电导率σ。
值得说明的是，在对待测组织的介电常数进行检测前，需要进行校准，具体如下：
分别配置好甲醇、乙醇、正丙醇和等离子水四种不同的校准液，并测量出环境的温度。首先，将开端同轴探头301置于一块铁片上，进行4次短路测试，待显示出短路相应的图像后，表示短路测试无误。然后，将开端同轴探头301置于空气中，进行4次开路测试，待显示出开路相应的图像后，表示开路测试无误。最后，将开端同轴探头301分别浸泡于四种不同的校准液中，测定各自的介电常数。由于介电常数是组织特有的一种常数，与常数进行对比后，完成校准。
作为优选方案，所述网络分析仪包括信号发生模块302、功率分配模块303、定向耦合模块304和幅度相位处理模块305；
所述信号发生模块302用于产生频率处于射频频段的电磁信号，并将所述电磁信号传输至所述功率分配模块303；
所述功率分配模块303用于根据所述预设输出功率，将所述电磁信号分为所述参考电磁信号和所述输出电磁信号，并将所述参考电磁信号传输至所述幅度相位处理模块305，将所述输出电磁信号传输至所述定向耦合模块304；
所述定向耦合模块304用于将所述输出电磁信号通过所述连接头传输至所述开端同轴探头301；还用于接收所述开端同轴探头301发送的所述反射电磁信号，并将所述反射电磁信号传输至所述幅度相位处理模块305；
所述幅度相位处理模块305用于根据所述预设阻抗、所述预设特征阻抗、所述参考电磁信号和所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、所述预设开路反射系数、所述预设短路反射系数和所述预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
具体地，信号发生模块302由内部的一种采用混合设计的射频线圈构成，用于产生频率处于射频频段的电磁信号，并将电磁信号传输至功率分配模块303。
功率分配模块303由内部电压和开端同轴探头301的特征阻抗组成，用于根据预设输出功率，将电磁信号分为参考电磁信号和输出电磁信号，并将参考电磁信号传输至幅度相位处理模块305，将输出电磁信号传输至定向耦合模块304。
定向耦合模块304用于将输出电磁信号通过连接头传输至开端同轴探头301；还用于接收开端同轴探头301发送的反射电磁信号，并将反射电磁信号传输至幅度相位处理模块305。值得说明的是，其为一种与皮肤阻抗特性相匹配的柔性贴片天线，其具有宽阻抗带宽、尺寸较小、可重复利用性高及制造方便的优点。
幅度相位处理模块305由两片以上柔性贴片构成，当第一贴片作为发射端时，第二贴片则作为接收端，用于根据预设阻抗、预设特征阻抗、参考电磁信号和反射电磁信号，获得待测组织的反射系数和终端反射系数；根据反射系数、终端反射系数、预设开路反射系数、预设短路反射系数和预设标准液反射系数，获得待测组织的介电常数。
作为优选方案，所述预设输出功率的范围为-15dBm～-10dBm。
由于待测组织的介电常数的检测不确定度与电磁信号的输出功率相关，过大的检测不确定度会给结果造成较大误差，因此本实施例的预设输出功率的范围为-15dBm～-10dBm，此范围内的数据检测精度较高。
作为优选方案，还包括主机306；
所述网络分析仪还用于将所述待测组织的介电常数传输至所述主机306；
所述主机306用于对所述待测组织的介电常数进行记录，并通过显示器显示记录的结果。
本发明实施例提供的一种肿瘤组织介电常数测量系统，通过探头组件的外导体和内导体之间设有聚四氟乙烯，由于待测组织与聚四氟乙烯是两种不相同的介质，而电磁信号从一种介质进入另一种介质时，因介质的折射率不同而发生反射和穿透的情况，因此使得输出电磁信号与接收到的反射电磁信号具有差异，由输出电磁信号与反射电磁信号的差异能够获得待测组织的介电常数，从而能够根据待测组织的介电常数进行恶性肿瘤检测。现有技术通过在术中将待检测组织制作成冰冻病理切片进行观察、判断，整个检测过程需要15-30分钟的检测时间，而本发明实施例仅需要约10秒钟便能够获得待测组织的介电常数。显然，相比于现有技术，本发明实施例的检测效率较高，检测时间较短。
此外，检测效率的提高能够减少麻醉的时间，从而能够大大降低由于麻醉而出现的风险。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种开端同轴探头，其特征在于，包括电磁波收发组件和探头组件；
所述探头组件包括连接部、外导体和设于所述外导体内的内导体；
所述外导体和所述内导体之间设有填充介质；
所述填充介质为聚四氟乙烯；
所述外导体和所述内导体的一端设有所述连接部；
所述电磁波收发组件的一端与所述连接部连接。
2.如权利要求1所述的开端同轴探头，其特征在于，所述外导体和所述内导体位于同一轴线上。
3.如权利要求2所述的开端同轴探头，其特征在于，所述外导体和所述内导体均由铜组成。
4.如权利要求1所述的开端同轴探头，其特征在于，所述电磁波收发组件包括同轴天线、柔性轴线和连接头；
所述同轴天线的一端与所述连接部连接；
所述同轴天线的另一端与所述柔性轴线的一端连接；
所述柔性轴线的另一端与所述连接头连接。
5.如权利要求4所述的开端同轴探头，其特征在于，所述同轴天线包括同轴设置的第一导体、第二导体和第三导体；
所述第一导体的一侧与所述连接部连接；
所述第一导体的另一侧与所述第二导体的一侧连接；
所述第二导体的另一侧与所述第三导体的一侧连接；
所述第三导体的另一侧与所述柔性轴线的一端连接。
6.如权利要求5所述的开端同轴探头，其特征在于，所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体均为圆柱体结构；
所述第一导体的横截面面积小于所述第二导体的横截面面积；
所述第二导体的横截面面积小于所述第三导体的横截面面积。
7.一种肿瘤组织介电常数测量系统，其特征在于，包括网络分析仪和如权利要求1至6任一项所述的开端同轴探头；
所述网络分析仪用于将预设输出功率的输出电磁信号通过所述开端同轴探头的连接头传输至所述开端同轴探头；
所述开端同轴探头用于将所述输出电磁信号发射至待测组织，并接收由所述待测组织反射的反射电磁信号，将所述反射电磁信号传输至所述网络分析仪；
所述网络分析仪还用于根据所述开端同轴探头的预设阻抗、预设特征阻抗及预设的参考电磁信号、所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、预设开路反射系数、预设短路反射系数和预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
8.如权利要求7所述的肿瘤组织介电常数测量系统，其特征在于，所述网络分析仪包括信号发生模块、功率分配模块、定向耦合模块和幅度相位处理模块；
所述信号发生模块用于产生频率处于射频频段的电磁信号，并将所述电磁信号传输至所述功率分配模块；
所述功率分配模块用于根据所述预设输出功率，将所述电磁信号分为所述参考电磁信号和所述输出电磁信号，并将所述参考电磁信号传输至所述幅度相位处理模块，将所述输出电磁信号传输至所述定向耦合模块；
所述定向耦合模块用于将所述输出电磁信号通过所述连接头传输至所述开端同轴探头；还用于接收所述开端同轴探头发送的所述反射电磁信号，并将所述反射电磁信号传输至所述幅度相位处理模块；
所述幅度相位处理模块用于根据所述预设阻抗、所述预设特征阻抗、所述参考电磁信号和所述反射电磁信号，获得所述待测组织的反射系数和终端反射系数；根据所述反射系数、所述终端反射系数、所述预设开路反射系数、所述预设短路反射系数和所述预设标准液反射系数，获得所述待测组织的介电常数。
9.如权利要求8所述的肿瘤组织介电常数测量系统，其特征在于，所述预设输出功率的范围为-15dBm～-10dBm。
10.如权利要求7所述的肿瘤组织介电常数测量系统，其特征在于，还包括主机；
所述网络分析仪还用于将所述待测组织的介电常数传输至所述主机；
所述主机用于对所述待测组织的介电常数进行记录，并通过显示器显示记录的结果。
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|---|---|---|---|
| CN202211161846.4A CN115568840A (zh) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | 一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统 |
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| CN202211161846.4A CN115568840A (zh) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | 一种开端同轴探头及肿瘤组织介电常数测量系统 |
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|---|---|
| CN115568840A true CN115568840A (zh) | 2023-01-06 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102508042A (zh) * | 2011-10-19 | 2012-06-20 | 中国人民解放军第四军医大学 | 测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头及方法 |
| CN103884919A (zh) * | 2014-03-13 | 2014-06-25 | 四川大学 | 具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头及系统 |
| CN104330642A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-02-04 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 测量生物组织各向异性介电谱特性的探头及其测算方法 |
-
2022
- 2022-09-22 CN CN202211161846.4A patent/CN115568840A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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