測量生物組織各向異性介電譜特性的探頭及其測算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量生物組織各向異性介電譜特性的探頭及其測算方法。該探頭包括四個(gè)金屬極板，絕緣基柱，絕緣填充和金屬屏蔽殼。該測算方法基于傳輸線理論，能夠同時(shí)測量兩個(gè)正交方向的介電特性參數(shù)，通過特定的轉(zhuǎn)換模型以及標(biāo)校方法，探頭測量的散射參數(shù)將最終反演為待測組織的介電特性參數(shù)。解決了傳統(tǒng)方法對不同方向進(jìn)行多次測量引入的誤差問題，能夠針對在體或者離體的各向異性生物組織實(shí)現(xiàn)方便準(zhǔn)確的寬頻帶介電譜測量。
【專利說明】測量生物組織各向異性介電譜特性的探頭及其測算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物組織介電譜測量領(lǐng)域，尤其涉及一種高頻段O10MHZ)測量各向 異性生物組織介電譜特性的探頭及其測算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 生物組織介電譜特性及其頻率響應(yīng)是生物電磁研究重要的物理因素，對于基礎(chǔ)生 物學(xué)研究以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用都具有十分重要的意義。
[0003]目前，生物組織介電譜特性測量方法基本都是針對均勻、各向同性介電特性組 織。對于各向異性組織的介電譜特性測量，現(xiàn)有的方法主要還是通過電極來測量電壓電 流，再通過相應(yīng)的計(jì)算模型轉(zhuǎn)化為組織的介電特性參數(shù)。這種測量方法主要應(yīng)用于低頻段 (〈10MHz)。隨著頻率的升高，電極間的輻射不斷增強(qiáng)，電極之間的相互感應(yīng)將會給測量帶來 較大影響，因此這種方法并不適用于更高頻段OlOMHz)對生物組織各向異性介電譜特性 進(jìn)行測量。同時(shí)，傳統(tǒng)的測量電極探頭在測量各向異性組織的介電譜特性時(shí)，往往需要通過 多次測量來實(shí)現(xiàn)不同方向的介電特性參數(shù)獲取。而由于在每一次測量的時(shí)候，組織的狀態(tài) 可能會發(fā)生改變，比如組織的物理形狀，組織表面狀態(tài)等等，這一過程將會引入新的誤差， 進(jìn)而可能對測量結(jié)果帶來較大影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種測量生物組織各向異性介電譜特 性的探頭及其測算方法。該方法基于傳輸線理論，能夠同時(shí)測量兩個(gè)正交方向的介電特性 參數(shù)，解決了傳統(tǒng)方法對不同方向進(jìn)行多次測量引入的誤差問題，能夠針對在體或者離體 的各向異性生物組織實(shí)現(xiàn)方便準(zhǔn)確的寬頻帶介電譜測量。該發(fā)明適用于離體或在體的外形 不規(guī)則小體積軟組織的測量，有較高的測量精度。具有很好的應(yīng)用前景。
[0005] -種測量生物組織各向異性介電譜特性的探頭，該探頭包括四部分，第一部分是 四塊金屬極板，第二部分是起支撐作用的絕緣基柱，第三部分是起填充作用的絕緣填充，第 四部分是起屏蔽作用的金屬屏蔽殼；所述絕緣基柱為長方體形的絕緣基柱，四塊金屬極板 均為截面呈等腰梯形的金屬極板，四塊金屬極板分別嵌入基柱的四個(gè)側(cè)面，金屬極板的寬 邊一端均超出基柱作為測量端口，金屬極板的窄邊一端均與基柱邊緣對齊作為激勵端口， 金屬極板兩兩相對形成正交分布的兩組電極；絕緣基柱外設(shè)圓柱形的金屬屏蔽殼，絕緣基 柱的激勵端口端超出金屬屏蔽殼；金屬屏蔽殼與絕緣基柱間為絕緣填充。該探頭可以實(shí)現(xiàn) 同時(shí)測量被測物正交方向上的介電特性參數(shù)，避免了多次測量不同方向時(shí)引入新的誤差。
[0006] 絕緣填充為絕緣材料如聚四氟乙烯，金屬極板的材質(zhì)為惰性良導(dǎo)體，如金或者表 面鍍金的銅等，保證探頭與人體接觸時(shí)不會發(fā)生反應(yīng)；該探頭的工作頻段>l〇MHz。
[0007] 利用上述探頭，本發(fā)明提供一種生物組織各向異性介電譜特性的測算方法，其步 驟如下：
[0008] 1)將探頭的激勵端口與測量端口通過阻抗變換器與電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 上，測量該探頭的四端口散射參數(shù)矩陣S參數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種測量生物組織各向異性介電譜特性的探頭，其特征在于：該探頭包括四部分， 第一部分是四塊金屬極板，第二部分是起支撐作用的絕緣基柱，第三部分是起填充作用的 絕緣填充，第四部分是起屏蔽作用的金屬屏蔽殼；所述絕緣基柱為長方體形的絕緣基柱，四 塊金屬極板均為截面呈等腰梯形的金屬極板，四塊金屬極板分別嵌入基柱的四個(gè)側(cè)面，金 屬極板的寬邊一端均超出基柱作為測量端口，金屬極板的窄邊一端均與基柱邊緣對齊作為 激勵端口，金屬極板兩兩相對形成正交分布的兩組電極；絕緣基柱外設(shè)圓柱形的金屬屏蔽 殼，絕緣基柱的激勵端口端超出金屬屏蔽殼；金屬屏蔽殼與絕緣基柱間為絕緣填充，所述絕 緣填充為聚四氟乙烯，所述金屬極板的材質(zhì)為金或者表面鍍金的銅。
2. -種生物組織各向異性介電譜特性的測算方法，其特征在于： 1) 將探頭的激勵端口與測量端口通過阻抗變換器與電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，測 量該探頭的四端口散射參數(shù)矩陣S參數(shù)：
公式⑴中，Su為探頭的四端口散射矩陣S參數(shù)，表示其他端口匹配時(shí)，j端口到i端 口的傳輸系數(shù)； 2) 選取已知介電特性的物質(zhì)作為參考物，利用測量探頭測量參考物的散射參數(shù)r^; 3) 選取待測各向異性生物組織，將探頭按照組織介電特性各向異性方向貼上待測組 織，保證接觸面沒有縫隙，測量該組織的各向異性方向上的散射參數(shù)r&和rYm，一共包含 有四個(gè)參數(shù)：rn，r12, r21，r22; 4) 將測量得到的所有散射參數(shù)rn，r12, r21，r22與步驟i)中得到的探頭的四端口散 射參數(shù)矩陣s參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校處理，得到探頭終端的實(shí)際反射系數(shù)1\和rY;其具體處理方 法如下： 探頭測量得到正交方向上的散射參數(shù)r&和rYm與待測組織實(shí)際反射系數(shù)1\和r Y以及該探頭的四端口散射矩陣s參數(shù)存在如下關(guān)系：
公式（2)中，參數(shù)Au表示探頭四端口散射矩陣參數(shù)Su與測量到的散射參數(shù)ru之差： Aij= (Sij-Fij) (3) 在公式⑵中，將其方程1)和方程2)聯(lián)立，方程3)和方程4)聯(lián)立，分別消去rxrY 項(xiàng)，得到新的方程組：
5) 將步驟2)中得到的參考物散射參數(shù)r 按照步驟4)中描述的標(biāo)校方法進(jìn)行標(biāo)校 處理，得到參考物的實(shí)際反射系數(shù)r ^; 6) 將待測組織在正交方向上的實(shí)際反射系數(shù)1\和rY，以及參考物的實(shí)際反射系數(shù) r。轉(zhuǎn)化為等效輸入導(dǎo)納YinX、Yiny和Ytl;轉(zhuǎn)化方法如下所示：
公式（8)中，Y。表示探頭的特性導(dǎo)納，其與探頭自身的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)； 7) 等效輸入導(dǎo)納Yin與被測組織介電特性參數(shù)（e /，0 )之間存在如下關(guān)系： Yin= jcoCje'J+jcoCQe'r+Gb'r，〇, co)+jbQ (9) 公式（9)中，G( e /，〇，《)的物理意義表示探頭終端對外輻射電導(dǎo)，Cf( e / )的物理 意義表示探頭內(nèi)部的雜散電容，Q1表示探頭終端在空氣中的等效電容，《為工作的角頻率， bQ為誤差修正項(xiàng)；其中，參數(shù)G( e /，〇，《)和Cf( e / )用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
公式（9)和（10)中的參數(shù)〇|、13(|、(^、^均只與探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)；參數(shù)11取2或者 3 ;將步驟6)中得到的參考物的等效輸入導(dǎo)納Ytl帶入公式（9)和（10)中，通過對等效輸入 導(dǎo)納Yci進(jìn)行曲線擬合，標(biāo)定出參數(shù)Cplv dijk、gi ; 8)確定好參數(shù)CQ、bQ、dijk、gi之后，將待測組織在正交方向上的等效輸入導(dǎo)納Y inX、YinY帶入公式（9)，利用優(yōu)化算法對待測組織的介電特性參數(shù)（e /，〇 )進(jìn)行反演求解，最終得 到各向異性待測組織在不同方向上的介電譜參數(shù)，具體步驟如下： a、 隨機(jī)給一組待測組織的介電特性參數(shù)初始值（e 〇 J ; b、 將初始值（e:，〇i)帶入公式（9)，求出此時(shí)的輸入導(dǎo)納Yi ; 匕看Yi與待測組織等效輸入導(dǎo)納Yin的差值是否滿足算法要求：如果滿足，則 (e:，〇 D就認(rèn)為等于待測組織的介電特性參數(shù)（e /，〇 );如果不滿足，則按照算法的 運(yùn)算準(zhǔn)則繼續(xù)搜索下一組待測組織的介電特性參數(shù)（e Hi+1)'，〇 (i+1))，直到Y(jié)(i+1)與待測組 織等效輸入導(dǎo)納Yin的差值滿足算法要求為止； d、最終得到待測組織的介電特性參數(shù)（e /，〇 )。
【文檔編號】G01N27/00GK104330642SQ201410636274
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】張亮, 周東明, 史學(xué)濤, 劉培國, 董秀珍, 劉繼斌, 黃紀(jì)軍, 李高升, 覃宇建, 盧中昊 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)