测量生物组织各向异性介电谱特性的探头及其测算方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量生物组织各向异性介电谱特性的探头及其测算方法。该探头包括四个金属极板，绝缘基柱，绝缘填充和金属屏蔽壳。该测算方法基于传输线理论，能够同时测量两个正交方向的介电特性参数，通过特定的转换模型以及标校方法，探头测量的散射参数将最终反演为待测组织的介电特性参数。解决了传统方法对不同方向进行多次测量引入的误差问题，能够针对在体或者离体的各向异性生物组织实现方便准确的宽频带介电谱测量。
【专利说明】测量生物组织各向异性介电谱特性的探头及其测算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物组织介电谱测量领域，尤其涉及一种高频段O10MHZ)测量各向 异性生物组织介电谱特性的探头及其测算方法。
【背景技术】
[0002] 生物组织介电谱特性及其频率响应是生物电磁研究重要的物理因素，对于基础生 物学研究以及生物医学应用都具有十分重要的意义。
[0003]目前，生物组织介电谱特性测量方法基本都是针对均匀、各向同性介电特性组 织。对于各向异性组织的介电谱特性测量，现有的方法主要还是通过电极来测量电压电 流，再通过相应的计算模型转化为组织的介电特性参数。这种测量方法主要应用于低频段 (〈10MHz)。随着频率的升高，电极间的辐射不断增强，电极之间的相互感应将会给测量带来 较大影响，因此这种方法并不适用于更高频段OlOMHz)对生物组织各向异性介电谱特性 进行测量。同时，传统的测量电极探头在测量各向异性组织的介电谱特性时，往往需要通过 多次测量来实现不同方向的介电特性参数获取。而由于在每一次测量的时候，组织的状态 可能会发生改变，比如组织的物理形状，组织表面状态等等，这一过程将会引入新的误差， 进而可能对测量结果带来较大影响。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种测量生物组织各向异性介电谱特 性的探头及其测算方法。该方法基于传输线理论，能够同时测量两个正交方向的介电特性 参数，解决了传统方法对不同方向进行多次测量引入的误差问题，能够针对在体或者离体 的各向异性生物组织实现方便准确的宽频带介电谱测量。该发明适用于离体或在体的外形 不规则小体积软组织的测量，有较高的测量精度。具有很好的应用前景。
[0005] -种测量生物组织各向异性介电谱特性的探头，该探头包括四部分，第一部分是 四块金属极板，第二部分是起支撑作用的绝缘基柱，第三部分是起填充作用的绝缘填充，第 四部分是起屏蔽作用的金属屏蔽壳；所述绝缘基柱为长方体形的绝缘基柱，四块金属极板 均为截面呈等腰梯形的金属极板，四块金属极板分别嵌入基柱的四个侧面，金属极板的宽 边一端均超出基柱作为测量端口，金属极板的窄边一端均与基柱边缘对齐作为激励端口， 金属极板两两相对形成正交分布的两组电极；绝缘基柱外设圆柱形的金属屏蔽壳，绝缘基 柱的激励端口端超出金属屏蔽壳；金属屏蔽壳与绝缘基柱间为绝缘填充。该探头可以实现 同时测量被测物正交方向上的介电特性参数，避免了多次测量不同方向时引入新的误差。
[0006] 绝缘填充为绝缘材料如聚四氟乙烯，金属极板的材质为惰性良导体，如金或者表 面镀金的铜等，保证探头与人体接触时不会发生反应；该探头的工作频段>l〇MHz。
[0007] 利用上述探头，本发明提供一种生物组织各向异性介电谱特性的测算方法，其步 骤如下：
[0008] 1)将探头的激励端口与测量端口通过阻抗变换器与电缆连接到矢量网络分析仪 上，测量该探头的四端口散射参数矩阵S参数：
【权利要求】
1. 一种测量生物组织各向异性介电谱特性的探头，其特征在于：该探头包括四部分， 第一部分是四块金属极板，第二部分是起支撑作用的绝缘基柱，第三部分是起填充作用的 绝缘填充，第四部分是起屏蔽作用的金属屏蔽壳；所述绝缘基柱为长方体形的绝缘基柱，四 块金属极板均为截面呈等腰梯形的金属极板，四块金属极板分别嵌入基柱的四个侧面，金 属极板的宽边一端均超出基柱作为测量端口，金属极板的窄边一端均与基柱边缘对齐作为 激励端口，金属极板两两相对形成正交分布的两组电极；绝缘基柱外设圆柱形的金属屏蔽 壳，绝缘基柱的激励端口端超出金属屏蔽壳；金属屏蔽壳与绝缘基柱间为绝缘填充，所述绝 缘填充为聚四氟乙烯，所述金属极板的材质为金或者表面镀金的铜。
2. -种生物组织各向异性介电谱特性的测算方法，其特征在于： 1) 将探头的激励端口与测量端口通过阻抗变换器与电缆连接到矢量网络分析仪上，测 量该探头的四端口散射参数矩阵S参数：
公式⑴中，Su为探头的四端口散射矩阵S参数，表示其他端口匹配时，j端口到i端 口的传输系数； 2) 选取已知介电特性的物质作为参考物，利用测量探头测量参考物的散射参数r^; 3) 选取待测各向异性生物组织，将探头按照组织介电特性各向异性方向贴上待测组 织，保证接触面没有缝隙，测量该组织的各向异性方向上的散射参数r&和rYm，一共包含 有四个参数：rn，r12, r21，r22; 4) 将测量得到的所有散射参数rn，r12, r21，r22与步骤i)中得到的探头的四端口散 射参数矩阵s参数进行标校处理，得到探头终端的实际反射系数1\和rY;其具体处理方 法如下： 探头测量得到正交方向上的散射参数r&和rYm与待测组织实际反射系数1\和r Y以及该探头的四端口散射矩阵s参数存在如下关系：
公式（2)中，参数Au表示探头四端口散射矩阵参数Su与测量到的散射参数ru之差： Aij= (Sij-Fij) (3) 在公式⑵中，将其方程1)和方程2)联立，方程3)和方程4)联立，分别消去rxrY 项，得到新的方程组：
5) 将步骤2)中得到的参考物散射参数r 按照步骤4)中描述的标校方法进行标校 处理，得到参考物的实际反射系数r ^; 6) 将待测组织在正交方向上的实际反射系数1\和rY，以及参考物的实际反射系数 r。转化为等效输入导纳YinX、Yiny和Ytl;转化方法如下所示：
公式（8)中，Y。表示探头的特性导纳，其与探头自身的设计参数相关； 7) 等效输入导纳Yin与被测组织介电特性参数（e /，0 )之间存在如下关系： Yin= jcoCje'J+jcoCQe'r+Gb'r，〇, co)+jbQ (9) 公式（9)中，G( e /，〇，《)的物理意义表示探头终端对外辐射电导，Cf( e / )的物理 意义表示探头内部的杂散电容，Q1表示探头终端在空气中的等效电容，《为工作的角频率， bQ为误差修正项；其中，参数G( e /，〇，《)和Cf( e / )用如下公式进行计算：
公式（9)和（10)中的参数〇|、13(|、(^、^均只与探头的设计参数相关；参数11取2或者 3 ;将步骤6)中得到的参考物的等效输入导纳Ytl带入公式（9)和（10)中，通过对等效输入 导纳Yci进行曲线拟合，标定出参数Cplv dijk、gi ; 8)确定好参数CQ、bQ、dijk、gi之后，将待测组织在正交方向上的等效输入导纳Y inX、YinY带入公式（9)，利用优化算法对待测组织的介电特性参数（e /，〇 )进行反演求解，最终得 到各向异性待测组织在不同方向上的介电谱参数，具体步骤如下： a、 随机给一组待测组织的介电特性参数初始值（e 〇 J ; b、 将初始值（e:，〇i)带入公式（9)，求出此时的输入导纳Yi ; 匕看Yi与待测组织等效输入导纳Yin的差值是否满足算法要求：如果满足，则 (e:，〇 D就认为等于待测组织的介电特性参数（e /，〇 );如果不满足，则按照算法的 运算准则继续搜索下一组待测组织的介电特性参数（e Hi+1)'，〇 (i+1))，直到Y(i+1)与待测组 织等效输入导纳Yin的差值满足算法要求为止； d、最终得到待测组织的介电特性参数（e /，〇 )。
【文档编号】G01N27/00GK104330642SQ201410636274
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】张亮, 周东明, 史学涛, 刘培国, 董秀珍, 刘继斌, 黄纪军, 李高升, 覃宇建, 卢中昊 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学