專利名稱：測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物組織介電特性測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種高頻段(IMHz 200MHz)內(nèi)測(cè)量生物組織介電特性的探頭和標(biāo)校方法，尤其適用于離體的外形不規(guī)則小體積軟組織的測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度。同時(shí)對(duì)在體組織介電特性測(cè)量具有很好的應(yīng)用前旦ο背景技術(shù)
生物組織的介電特性是生物物質(zhì)的固有特性，是組織對(duì)外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性的基礎(chǔ)。通常用復(fù)相對(duì)介電系數(shù)作為其介電特性描述參數(shù)。其表達(dá)式為 * ‘ “ ‘
ετ = ετ ~ J6T = ετ ~ J-ωε0
其中實(shí)部相對(duì)介電常數(shù)ε' ^是生物物質(zhì)在電磁場(chǎng)中貯存電磁能量的量度；而虛部ε “ ^與電導(dǎo)率ο相關(guān)聯(lián)，表達(dá)生物物質(zhì)在電磁場(chǎng)中消耗或傳導(dǎo)電磁能量的能力；^是自由空間的介電系數(shù)；ω為角頻率。
生物組織介電特性的研究具有非常重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。首先，作為一種重要的生物物理特性指標(biāo)，生物組織的介電特性與組織的病理、生理狀態(tài)密切相關(guān)，是重要的組織功能與病理狀態(tài)檢測(cè)指標(biāo)，在癌癥的早期檢測(cè)、疾病的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、組織與器官功能評(píng)價(jià)和人體成份測(cè)量與分析等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值；其次，電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)，特別是其對(duì)人體器官與功能的影響問(wèn)題已成為當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，是新概念武器、電磁防護(hù)和疾病治療等領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，而準(zhǔn)確掌握體內(nèi)各相關(guān)組織的介電特性是分析各種外加電磁能量在體內(nèi)重要器官內(nèi)的傳輸與分布情況的前提。
生物組織介電特性研究需要準(zhǔn)確而科學(xué)的測(cè)量方法與設(shè)備。在高頻段，生物組織介電特性測(cè)量原理是在一定的有源系統(tǒng)中，使待測(cè)組織與系統(tǒng)以一定方式發(fā)生耦合，測(cè)量出系統(tǒng)中與待測(cè)介電系數(shù)有關(guān)的某些參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)和被測(cè)介電系數(shù)的理論關(guān)系式， 計(jì)算出介電系數(shù)。這就要求測(cè)量系統(tǒng)必須去適應(yīng)生物體和生物組織。因而，要把傳統(tǒng)方法中的樣本測(cè)量端設(shè)計(jì)成適當(dāng)?shù)臏y(cè)量頭，使其滿足生物組織測(cè)量要求。當(dāng)測(cè)量頭與被測(cè)組織接觸，必須把被測(cè)組織的復(fù)介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為測(cè)量系統(tǒng)中可測(cè)參數(shù)的變化，再導(dǎo)出這些參數(shù)與被測(cè)介電系數(shù)的理論關(guān)系式，便可求出所需要的介電系數(shù)。
通常高頻段生物組織介電特性測(cè)量方法都是建立在傳輸線理論之上，主要可以歸類(lèi)成諧振和非諧振兩大類(lèi)。非諧振法將樣品及其探頭作為單端口或者雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)，來(lái)對(duì)待測(cè)物介電特性進(jìn)行計(jì)算。主要有傳輸法、反射法、自由空間法等。 而諧振法主要是利用腔體，通過(guò)諧振頻率和Q值對(duì)待測(cè)物的介電特性進(jìn)行求算。除這些以外，還有電極測(cè)量等非傳輸理論測(cè)量方法。諧振法所需的腔體設(shè)計(jì)和樣本尺寸都與工作頻率相關(guān)。盡管測(cè)量靈敏度較高，但在1ΜΗζ-200ΜΗζ的工作頻段內(nèi)，所需腔體尺寸較大，不能滿足生物組織取樣的實(shí)際需求。同時(shí)測(cè)量屬于單頻點(diǎn)測(cè)量，難以滿足生物組織寬帶測(cè)量的需求。而自由空間法同樣對(duì)樣本的尺寸與樣本表面有一定的技術(shù)需求和假設(shè)，難以應(yīng)用于生物組織測(cè)量。傳輸法和波導(dǎo)短路反射法，則需要對(duì)待測(cè)樣本進(jìn)行切割加工以適應(yīng)測(cè)量?jī)x器的尺寸和外形需求，對(duì)生物組織而言，這種加工的破壞性是不利于測(cè)量的實(shí)際需要。同時(shí)，受到波導(dǎo)中非TEM模的影響，信號(hào)傳輸?shù)氖д?，以及測(cè)量頻帶的受限，都不利于生物組織介電特性的測(cè)量。波導(dǎo)短路反射法在求解的時(shí)候，由于超越方程的多值性，往往不能得到唯一解，需要其他條件進(jìn)行排除。對(duì)于電極測(cè)量方法，在低頻段其方便性與靈敏度較好，但隨著頻率增加，電極本身會(huì)產(chǎn)生一定的分布參數(shù)，導(dǎo)致電極特性發(fā)生改變進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果，因此對(duì)于較高頻段的電極測(cè)量精度不高。此時(shí)需要對(duì)電極進(jìn)行更為精細(xì)和周到的設(shè)計(jì)來(lái)減小分布參數(shù)帶來(lái)的影響。
對(duì)于終端開(kāi)路同軸反射法，由于同軸線可以傳輸TEM模，信號(hào)失真小。并且傳輸帶寬較大，在射頻甚至微波段都有較好的適用性。并且在1ΜΗζ-200ΜΗζ工作頻段內(nèi)，同軸探頭的尺寸也可以設(shè)計(jì)得較小，能夠滿足生物組織小尺寸取樣、介電特性寬帶測(cè)量的需求。測(cè)量時(shí)，同軸探頭終端與被測(cè)介質(zhì)作平面接觸，不會(huì)對(duì)生物組織造成破壞性影響，具有較好的在體測(cè)量前景。因此，選用該思路作為高頻段生物組織介電特性測(cè)量方法。
目前在高頻段特別是300MHz以下的頻段內(nèi)，利用終端開(kāi)路同軸反射法進(jìn)行生物組織介電特性測(cè)量的研究較少。相關(guān)文獻(xiàn)也只是通過(guò)GHz以上的寬頻帶測(cè)量囊括的這一頻段。具體的內(nèi)容特別是針對(duì)探頭標(biāo)校，待測(cè)生物組織的樣本選擇對(duì)測(cè)量的影響等并沒(méi)有較為詳細(xì)的報(bào)道。通常認(rèn)為利用終端開(kāi)路同軸反射法進(jìn)行生物組織介電特性測(cè)量時(shí)，待測(cè)生物組織尺寸應(yīng)該足夠大來(lái)滿足理論分析中的待測(cè)物無(wú)限大條件。但是在實(shí)際測(cè)量中，樣本取樣通常很難滿足這一要求。并且本研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)用等效電路模型時(shí)，樣本尺寸并非越大越好。在小尺寸下，樣本有一個(gè)最佳尺寸來(lái)滿足測(cè)量的最小誤差。因此，結(jié)合探頭確定最佳的生物組織樣本尺寸，可以得到最理想的測(cè)量結(jié)果。
另外，在實(shí)際測(cè)量中，針對(duì)該方法需要在工作頻段內(nèi)設(shè)計(jì)尺寸適合的同軸探頭，同時(shí)還需要有與之相配套的標(biāo)校方法用于測(cè)量時(shí)的儀器標(biāo)校。較為普遍的校準(zhǔn)方法有兩種 一是利用三種已知介電特性的物質(zhì)，通過(guò)線性變換來(lái)進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)；二是利用儀器自身的標(biāo)校功能通過(guò)開(kāi)路、短路、Load三種狀態(tài)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)前者對(duì)標(biāo)校物有一定的要求采用不同物質(zhì)進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)的時(shí)候，其測(cè)量誤差各不相同。而后者由于探頭與物質(zhì)接觸面之間可能存在的縫隙，以及Load狀態(tài)對(duì)標(biāo)校物信息準(zhǔn)確程度的依賴，使得標(biāo)校后的測(cè)量的穩(wěn)定性可能較差，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的誤差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種工作頻段為1MHZ-200MHZ的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭及其相應(yīng)的標(biāo)校及其測(cè)量方法，主要針對(duì)外形不規(guī)則的小體積待測(cè)組織或針對(duì)部分在體組織進(jìn)行實(shí)現(xiàn)方便準(zhǔn)確的寬頻帶測(cè)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案予以實(shí)現(xiàn)
一種測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭，其特征在于，該探頭的長(zhǎng)度不大于13cm，工作頻段為IMHz 200MHz ；它包括內(nèi)同心設(shè)置的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體半徑與外導(dǎo)體半徑之比為3 10，在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間填充有聚四氟乙烯，外導(dǎo)體表面上有鍍層。
在終端開(kāi)路同軸探頭另一端還有連接N型接頭，用以與連接電纜連接。
上述終端開(kāi)路同軸探頭通過(guò)電纜與測(cè)量設(shè)備連接，該電纜由電纜端N型接頭和同軸電纜組成。
本發(fā)明還給出了上述測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)使用的標(biāo)校盒，其特征在于，包括盒體，盒體的內(nèi)半徑大于探頭外導(dǎo)體半徑的3. 5倍，但不超過(guò)其半徑的4倍，盒體的深度大于外導(dǎo)體半徑的2倍，但不超過(guò)外導(dǎo)體半徑的4倍。
上述測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭進(jìn)行生物組織介電特性的測(cè)量與標(biāo)校方法，其特征在于，該方法使用權(quán)利要求6所述的標(biāo)校盒，具體按下列步驟進(jìn)行
1)通過(guò)探頭端N型接頭和電纜端N型接頭經(jīng)同軸電纜連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量同軸探頭暴露在空氣中的開(kāi)路狀態(tài)下的相位作為參考值；
2)在標(biāo)校盒的盒體中放置標(biāo)準(zhǔn)溶液；
3)選擇確認(rèn)待測(cè)生物組織其有效厚度不小于同軸探頭外導(dǎo)體半徑的2倍，最大有效半徑不小于外導(dǎo)體半徑的3. 5倍；
4)將測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭終端貼上待測(cè)組織，保證接觸面沒(méi)有縫隙，并根據(jù)所測(cè)頻段1ΜΗζ-200ΜΗζ進(jìn)行測(cè)量；
5)將測(cè)量得到的所有反射參數(shù)相位信息與步驟1)中得到的相位參考值進(jìn)行相位相消處理
6)利用盒體O01)中所放置的標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量得到并經(jīng)過(guò)相位相消處理后的反射參數(shù)對(duì)介電特性計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)求算；
7)將處理后得到的待測(cè)組織反射參數(shù)數(shù)據(jù)代入修正后計(jì)算公式，得到待測(cè)組織的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。
本發(fā)明的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)勢(shì)
1、只要貼上組織，通過(guò)測(cè)量的到的反射參數(shù)即可進(jìn)行介電系數(shù)的求算。對(duì)生物組織沒(méi)有破壞性，并且對(duì)組織的取樣要求同其他方法相比較低。使得對(duì)外形不規(guī)則或不易切割的組織進(jìn)行介電特性測(cè)量成為可能。
2、降低了對(duì)被測(cè)組織體積的限制，并且尋找到測(cè)量的最佳體積，方便了對(duì)小體積組織的測(cè)量，同時(shí)具有較高的測(cè)量精度。
3、采用的標(biāo)校方法簡(jiǎn)單快捷，并且在1ΜΗζ-200ΜΗζ內(nèi)保證了較高的測(cè)量精度。
4、整體測(cè)量時(shí)間較短，實(shí)驗(yàn)中最長(zhǎng)的操作時(shí)間也在5分鐘以內(nèi)。這使得針對(duì)部分需要離體進(jìn)行測(cè)量的組織能夠在測(cè)量中保持絕大部分活性，大大增加了測(cè)量的可靠性。
5、測(cè)量探頭可以單獨(dú)拆卸、消毒，滿足在體測(cè)量要求。


圖1是本發(fā)明的探頭結(jié)構(gòu)的正視圖與側(cè)視圖以及連接電纜結(jié)構(gòu)圖。其中，圖(a) 是探頭結(jié)構(gòu)的主視圖，圖(b)是圖(a)的側(cè)視圖，圖(c)是連接電纜結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的標(biāo)校盒的正視圖與俯視圖。其中，圖(a)是標(biāo)校盒的主視圖，圖 (b)是圖(a)的俯視圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施生物組織介電特性測(cè)量時(shí)與儀器連接示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施生物組織介電特性測(cè)量時(shí)與被測(cè)樣本連接示意圖
圖中的標(biāo)號(hào)分別表示101、內(nèi)導(dǎo)體，102、聚四氟乙烯，103、外導(dǎo)體，104、鍍層，105、 探頭端N型接頭，106、電纜端N型接頭，107、同軸電纜；201、標(biāo)校盒；301、網(wǎng)絡(luò)分析儀，302、 信號(hào)端口連接器；401、待測(cè)生物組織。
以下結(jié)合附圖以及發(fā)明人提供的原理和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
探頭的工作原理在于根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)同軸探頭終端貼上待測(cè)組織時(shí)，將整個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成等效電路，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到的反射系數(shù)模值I Γ I和相位識(shí)將其轉(zhuǎn)化成為待測(cè)生物組織的介電系數(shù)。其關(guān)系式如下
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭，其特征在于，該探頭的長(zhǎng)度不大于13cm，工作頻段為IMHz 200MHz ；它包括內(nèi)同心設(shè)置的內(nèi)導(dǎo)體(101)和外導(dǎo)體(103)， 內(nèi)導(dǎo)體(101)半徑與外導(dǎo)體(103)半徑之比為3 10，在內(nèi)導(dǎo)體(101)和外導(dǎo)體(103)之間填充有聚四氟乙烯(102)，外導(dǎo)體(10 表面上有鍍層(104)。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭，其特征在于， 所述的鍍層(104)的材料為金。
3.如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭，其特征在于，在探頭的另一端還有連接有探頭端N型接頭(105)，用以通過(guò)同軸電纜連接測(cè)量?jī)x器。
4.如權(quán)利要求3所述的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭，其特征在于， 所述的探頭端N型接頭(10 通過(guò)同軸電纜端N型接頭(106)和同軸電纜(107)與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行連接。
5.權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)使用的標(biāo)校盒，其特征在于，包括盒體001)，盒體(201)的內(nèi)半徑大于外導(dǎo)體(103)半徑的3. 5倍，但不超過(guò)其半徑的4倍，盒體O01)的深度大于外導(dǎo)體(10 半徑的2倍，但不超過(guò)外導(dǎo)體(103)半徑的4倍。
6.權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭進(jìn)行生物組織介電特性的測(cè)量方法，其特征在于，該方法使用權(quán)利要求6所述的標(biāo)校盒，具體按下列步驟進(jìn)行1)通過(guò)探頭端N型接頭(10 和電纜端N型接頭(106)經(jīng)同軸電纜(107)連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量同軸探頭暴露在空氣中的開(kāi)路狀態(tài)下的相位作為參考值；2)在標(biāo)校盒的盒體O01)中放置標(biāo)準(zhǔn)溶液；3)選擇確認(rèn)待測(cè)生物組織其有效厚度不小于同軸探頭外導(dǎo)體(10 半徑的2倍，最大有效半徑不小于外導(dǎo)體(103)半徑的3. 5倍；4)將測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭終端貼上待測(cè)組織，保證接觸面沒(méi)有縫隙，并根據(jù)所測(cè)頻段1ΜΗζ-200ΜΗζ進(jìn)行測(cè)量；5)將測(cè)量得到的所有反射參數(shù)相位信息與步驟1)中得到的相位參考值進(jìn)行相位相消處理；6)利用盒體O01)中所放置的標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量得到并經(jīng)過(guò)相位相消處理后的反射參數(shù)對(duì)介電特性計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)求算；7)將處理后得到的待測(cè)組織反射參數(shù)數(shù)據(jù)代入修正后計(jì)算公式，得到待測(cè)組織的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。
全文摘要
根據(jù)離體或在體的質(zhì)軟、小體積、不規(guī)則外形的生物活性組織介電特性高精度寬頻帶測(cè)量需求，本發(fā)明提供了一種測(cè)量生物組織介電譜特性的終端開(kāi)路同軸探頭、連接電纜及相應(yīng)的儀器標(biāo)校方法，該終端開(kāi)路同軸探頭包括同心設(shè)置的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體半徑與外導(dǎo)體半徑之比為3∶10，在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間填充有聚四氟乙烯，外導(dǎo)體表面上有鍍層。連接電纜主要由N型接頭和同軸電纜組成。探頭采用相位相消法進(jìn)行標(biāo)校，用于1MHz-200MHz生物活性組織介電特性測(cè)量。同時(shí)為增加測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，給出了與終端開(kāi)路同軸探頭配合使用的標(biāo)校盒，以及利用該終端開(kāi)路同軸探頭進(jìn)行生物組織介電特性測(cè)量方法。
文檔編號(hào)G01R27/02GK102508042SQ20111031799
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者付峰, 劉銳崗, 史學(xué)濤, 季振宇, 尤富生, 張亮, 漆家學(xué), 董秀珍, 霍旭陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)