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异常分析 doi 传感器技术 微波辐射 生物传感器
另类的酱肘子
1 年前
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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2023 Feb 25; 40(1): 149–154.
Chinese. doi: 10.7507/1001-5515.202209014
PMCID: PMC9989747
PMID: 36854560

Language: Chinese | English

用于体表异常结节组织识别的微波传感器

Microwave sensor for recognition of abnormal nodule tissue on body surface

春雪 李 , 宏福 郭 , corresponding author * 臣 周 , 欣然 王 , and 峻恺 白

春雪 李

西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China

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宏福 郭

西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China

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臣 周

西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China

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欣然 王

西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China

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峻恺 白

西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China 西安电子科技大学 物理学院（西安 710071）, School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, P. R. China

corresponding author Corresponding author.
郭宏福，Email： nc.ude.naidix@ougfh

结构中S参数有四个参数，分别为：S11，端口2匹配时，端口1的反射系数；S21，端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；S12，端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S22，端口1匹配时，端口2的反射系数。其中S21表示插入损耗，即表示端口1有多少能量传输到端口2。S21最大值是1，表示端口1的所有能量完全传输到端口2。但电磁波在介质中传播时，都会产生相应的损耗，S21的值可以表示传输损耗的程度。

本文以S21参数为测量参量，通过对透过生物体表层组织以及浅层组织的微波信号传输衰耗参量的测量，分析微波信号在生物体体表浅层组织传输过程中测量参数的变化，以反映生物体正常组织与异常结节组织的区别，来获取生物体表层以及浅层组织异常结节的位置。测量原理图如 图2 所示，由端口1发射电磁波，经过介质后产生损耗由端口2接收。S21值可反映传输过程中的损耗，不同的S21值可用于区分正常组织和异常组织。

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Schematic diagram of microwave S21 parameter measurement

微波S21参数测量原理示意图

相较于常用的测量S11参数的微波传感器，本文的设计优势在于微波信号通过了异常组织，测量的信号为透过异常组织的信号，测量参量能够体现异常组织对微波信号的影响程度，因此能够更充分地反映生物体表层以及浅层组织的介质特性。

1.2. 传感器的结构与模型

本文设计的微波S21生物传感器以本课题组所设计的螺旋谐振器天线为基础 [ 24 ] 来构建。

三维仿真模型如 图3 所示，微波S21生物传感器基于一对螺旋谐振器天线。 图3 中的端口1和端口2都是由七圈螺旋谐振器和围绕谐振器的环天线组成，谐振器宽度为0.2 mm，环天线宽度为0.5 mm，材质均为铜。传感器采用厚度为0.8 mm、介电常数为4.4的FR4介质基板，整体的尺寸为22 mm × 20 mm × 0.8 mm。在开口处加入50 Ω的集总端口激励。微波信号由传感器的端口1发出，通过介质后由传感器的端口2接收。传感器通过测量传输系数S21来分析被测的生物体体表组织介质特性，在空气介质中工作的中心频率为915 MHz。

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Simulation model of microwave biosensor

微波生物传感器的仿真模型

为了测量生物体表组织，在传感器与生物体介质之间加一层绝缘膜，以隔断生物体对传感器天线的低频电气连接，并且在传感器上方进行屏蔽处理，让微波信号能够集中通过生物体后再到达接收天线。绝缘薄膜和铜箔材料的尺寸均与传感器一致。传感器测量的基本模型如 图4 所示，由上至下材料厚度依次为铜箔材料0.1 mm、绝缘薄膜0.2 mm、传感器0.8 mm和绝缘薄膜0.05 mm，其中绝缘薄膜的介电常数为2.7。将微波S21传感器置于空气中利用HFSS进行仿真。根据仿真得到的场强图像可知，该微波S21生物传感器在下方介质进行辐射，上方场强被金属屏蔽。由于在传感器上方加入介质材料，改变了传感器的基本模型，因此传感器在空气中的中心工作频率由915 MHz移动到881 MHz。在后续测量生物体异常组织的实验中，我们采用屏蔽后的模型制作传感器实物进行测量。

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Basic model of microwave biosensor measurement

微波生物传感器测量基本模型

1.3. 传感器的制作

制作的微波S21生物传感器如 图5 所示。其中 图5a 为传感器直接加工实物图， 图5b 为在传感器天线线圈上方加上薄膜和屏蔽后的实物图。在后续的测量过程中，均用 图5b 加屏蔽后的传感器进行测量。

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Physical drawing of microwave biosensor

微波生物传感器实物图

a. 加屏蔽前；b. 加屏蔽后

a. before shielding; b. after shielding

在测量时利用矢量网络分析仪控制微波信号源，通过微波S21传感器将调制信号加载到生物体，将生物体等效成一个如 图1 所示的二端口网络。由于生物体体表介电特性的差异性，可以返回不同的S21参数，通过矢量网络分析仪给出传感器的S21参数，保存并导出到计算机加以处理。

在空气介质中，微波S21传感器仿真与实测的结果如 图6 所示，在传感器的制作过程中，由于加工精度和材料介质等因素，会导致传感器的仿真与实测结果出现一定的误差。在0.6～1.0 GHz范围内，仿真与实测的S21参数在达到峰值之前，均随频率的升高而升高，到达峰值后，均随频率的升高而减小，仿真与实测结果具有频率与曲线趋势的一致性，参数基本吻合，因此可以用于后续的测量。

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Comparison between microwave biosensor simulation and measurement in air

空气中微波生物传感器仿真与实测对比

2. 硅胶模拟组织的仿真与测量

为了验证微波S21生物传感器的可用性，我们利用硅胶模拟人体正常组织，水介质模拟结节组织，建立分析模型如 图7 所示。其中 图7a 为仿真模型，由上至下依次为S21传感器、结节组织和正常组织，结节组织内嵌在正常组织中。其中结节组织为直径10 mm、高度9 mm的圆柱体，材料为蒸馏水，介电常数为81。正常组织为直径54 mm、高度15 mm的圆柱体，材料为硅胶，介电常数为3。 图7b 为用硅胶溶液制作的硅胶模型，在硅胶溶液上表面处加入少许蒸馏水，以模拟结节组织。其中硅胶的邵氏硬度为10 Hc左右，与人体皮肤相近。硅胶模型的大小和介电参数等均与仿真模型相同。

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Silica gel simulated tissue model

硅胶模拟组织模型

a. 仿真模型；b. 实际模型

a. simulation model; b. actual model

如 图7a 所示，测量方法为将微波S21生物传感器由位置1移动到位置3，起始位置距离边缘12 mm，沿直径移动，每次移动3 mm，共移动10次，当传感器移动到模拟结节组织正上方时的位置如 图2 所示。传感器在完全接触硅胶模拟正常组织时所得到的S21参数曲线如 图8 所示。

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S21 parameter curve of silica gel simulated normal tissue

硅胶模拟正常组织S21参数曲线图

当传感器在移动过程中接触结节组织的位置发生改变时，S21参数也会随之变化。为了充分反映传感器在测量结节组织时S21参数的变化，我们对测量结果进行了处理，将测量正常组织时的S21参数作为本底（即 图8 中S21参数），每次测量值减去本底作为S21参数差值，建立频率、S21参数差值和移动距离的三维图像，仿真和实测的结果如 图9 ～ 10 所示。

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Simulated results of silica gel simulated tissue

硅胶模拟组织仿真结果

a. 三维曲面图；b. 移动距离和频率；c. 移动距离和S21差值（0.5 GHz）

a. three-dimensional surface drawing; b. moving distance and frequency; c. moving distance and S21 difference in 0.5 GHz

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Experimental results of silica gel simulated tissue

硅胶模拟组织实测结果

a. 三维曲面图；b. 移动距离和频率；c. 移动距离和S21差值（0.5 GHz）

a. three-dimensional surface drawing; b. moving distance and frequency; c. moving distance and S21 difference in 0.5 GHz

由 图9 ～ 10 可以看出，当频率为0.5 GHz左右时，在移动S21传感器的过程中，S21参数差值随着移动距离的变化呈特殊的变化趋势。如 图9c 和 图10c 所示，当S21传感器移动到模拟结节组织正上方时，S21参数差值具有极大值，当S21传感器的某一个端口移动到模拟结节组织正上方时，S21参数差值具有极小值。由此可以看出：正常组织中存在异常结节时，S21参数差值随位置变化曲线具有明显的倒双峰特征。在实际测量中，若测量结果中出现此特征曲线，说明存在结节组织。

3. 猪肉模拟组织的实际测量

由于猪肉的介电常数与人体组织相似 [ 25 ] ，因此常被用于模拟人体组织。如 图11 所示，利用猪肉模拟异常组织。 图11 中的结节组织由水和明胶配制而成，介电常数约为80，明胶起固化作用，在配制时加入氯化钠调节电导率。猪肉的大小为55 mm × 50 mm × 13 mm，结节为嵌入到猪肉中的直径8 mm、高度5 mm的圆柱体。

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Simulated tissue of pork

猪肉模拟组织

如 图11 所示，坐标原点为离左边界11 mm、下边界20 mm的点，测量方法为将微波S21生物传感器从坐标轴原点开始沿着 x 轴移动，每次移动3 mm，共移动10次，当传感器移动到模拟结节组织正上方时的位置如 图2 所示。采取和硅胶模拟人体组织相同的数据处理方法，测量结果如 图12 所示。

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Experimental results of simulated tissue of pork

猪肉模拟组织的实验结果

a. 三维曲面图；b. 移动距离和频率；c. 移动距离和S21差值（0.5 GHz）

a. three-dimensional surface drawing; b. moving distance and frequency; c. moving distance and S21 difference in 0.5 GHz

根据 图12c 可以看出，当频率为0.5 GHz左右时，S21参数差值随距离的变化也具有双峰的特征。当S21传感器移动到模拟结节组织正上方时，S21参数具有极大值，当S21传感器的某一个端口移动到模拟结节组织正上方时，S21参数具有极小值。S21随距离变化的曲线特征与硅胶模拟组织相同。

4. 结论

本文通过对传感器参数的仿真和优化，制作了传感器实物，并进行了模拟组织的实验测试，对比了仿真与实际制作传感器的S21参数，仿真与实测结果具有一致性。

S21参数在体表组织结节检查中与常见的S11微波传感器具有不同的曲线特征，结果发现：正常组织中存在异常结节时，S21参数差值随位置变化的曲线具有明显的倒双峰特征，当传感器处于结节正上方时，S21参数差值在某一频率点上出现极值，通过这些特征很容易识别结节的存在并确定结节的位置。

如果后续对测量曲线进行处理，还可以通过测量S21参数曲线的双峰值的位置间隔计算出结节的尺寸，说明此方法不仅可以检查结节的位置还可以测量结节的大小。S21参数表达了微波信号的衰耗大小，不同的介质具有不同的衰耗，后续可以利用S21参数分析结节组织的微波损耗，也可以应用于结节组织的特性研究中，并且还需要进一步开展临床实用性验证。

本文针对目前研究人体体表异常结节微波传感器空缺的情况，设计了一种测量体表异常结节组织的微波生物传感器，填补了体表异常结节组织的客观化检测工具的空白，对中西医临床实践中结节组织的检测和识别的微波测量方法和技术研究具有重要的理论意义和实用价值，具有很大应用潜力。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：李春雪进行仿真实验、数据整理与分析以及修改文章，郭宏福负责组织文章、指导各项工作与修改文章，周臣负责起草文章和进行实测实验，王欣然负责传感器单元设计与分析，白峻恺负责修改文章。

Funding Statement

科技部国家重点研发计划中医药现代化研究重点专项资助（2019YFC1711902）

Funding Statement

The National Key Research and Development Program for Modernization of Traditional Chinese Medicine

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