测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头及方法

摘要

根据离体或在体的质软、小体积、不规则外形的生物活性组织介电特性高精度宽频带测量需求，本发明提供了一种测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头、连接电缆及相应的仪器标校方法，该终端开路同轴探头包括同心设置的内导体和外导体，内导体半径与外导体半径之比为3∶10，在内导体和外导体之间填充有聚四氟乙烯，外导体表面上有镀层。连接电缆主要由N型接头和同轴电缆组成。探头采用相位相消法进行标校，用于1MHz-200MHz生物活性组织介电特性测量。同时为增加测量数据的可靠性，给出了与终端开路同轴探头配合使用的标校盒，以及利用该终端开路同轴探头进行生物组织介电特性测量方法。

说明书

技术领域

本发明涉及生物组织介电特性测量领域，特别是涉及一种高频段(1MHz～200MHz)内测量生物组织介电特性的探头和标校方法，尤其适用于离体的外形不规则小体积软组织的测量，具有较高的测量精度。同时对在体组织介电特性测量具有很好的应用前景。

背景技术

生物组织的介电特性是生物物质的固有特性，是组织对外加电磁场的响应特性的基础。通常用复相对介电系数作为其介电特性描述参数。其表达式为：

$>{ϵ}_r^{*}={ϵ}_r^{\prime }-j{ϵ}_r^{\prime \prime }={ϵ}_r^{\prime }-j\frac{\sigma }{\omega {ϵ}_0}$>

其中实部相对介电常数ε′_r是生物物质在电磁场中贮存电磁能量的量度；而虚部ε″_r与电导率σ相关联，表达生物物质在电磁场中消耗或传导电磁能量的能力；ε₀是自由空间的介电系数；ω为角频率。

生物组织介电特性的研究具有非常重要的理论与应用价值。首先，作为一种重要的生物物理特性指标，生物组织的介电特性与组织的病理、生理状态密切相关，是重要的组织功能与病理状态检测指标，在癌症的早期检测、疾病的动态监测、组织与器官功能评价和人体成份测量与分析等方面有着重要的应用价值；其次，电磁场的生物效应，特别是其对人体器官与功能的影响问题已成为当前相关领域的研究热点问题，是新概念武器、电磁防护和疾病治疗等领域的研究基础，而准确掌握体内各相关组织的介电特性是分析各种外加电磁能量在体内重要器官内的传输与分布情况的前提。

生物组织介电特性研究需要准确而科学的测量方法与设备。在高频段，生物组织介电特性测量原理是在一定的有源系统中，使待测组织与系统以一定方式发生耦合，测量出系统中与待测介电系数有关的某些参数，通过这些参数和被测介电系数的理论关系式，计算出介电系数。这就要求测量系统必须去适应生物体和生物组织。因而，要把传统方法中的样本测量端设计成适当的测量头，使其满足生物组织测量要求。当测量头与被测组织接触，必须把被测组织的复介电常数的变化转换为测量系统中可测参数的变化，再导出这些参数与被测介电系数的理论关系式，便可求出所需要的介电系数。

通常高频段生物组织介电特性测量方法都是建立在传输线理论之上，主要可以归类成谐振和非谐振两大类。非谐振法将样品及其探头作为单端口或者双端口网络，通过测量网络散射参数，来对待测物介电特性进行计算。主要有：传输法、反射法、自由空间法等。而谐振法主要是利用腔体，通过谐振频率和Q值对待测物的介电特性进行求算。除这些以外，还有电极测量等非传输理论测量方法。谐振法所需的腔体设计和样本尺寸都与工作频率相关。尽管测量灵敏度较高，但在1MHz-200MHz的工作频段内，所需腔体尺寸较大，不能满足生物组织取样的实际需求。同时测量属于单频点测量，难以满足生物组织宽带测量的需求。而自由空间法同样对样本的尺寸与样本表面有一定的技术需求和假设，难以应用于生物组织测量。传输法和波导短路反射法，则需要对待测样本进行切割加工以适应测量仪器的尺寸和外形需求，对生物组织而言，这种加工的破坏性是不利于测量的实际需要。同时，受到波导中非TEM模的影响，信号传输的失真，以及测量频带的受限，都不利于生物组织介电特性的测量。波导短路反射法在求解的时候，由于超越方程的多值性，往往不能得到唯一解，需要其他条件进行排除。对于电极测量方法，在低频段其方便性与灵敏度较好，但随着频率增加，电极本身会产生一定的分布参数，导致电极特性发生改变进而影响测量结果，因此对于较高频段的电极测量精度不高。此时需要对电极进行更为精细和周到的设计来减小分布参数带来的影响。

对于终端开路同轴反射法，由于同轴线可以传输TEM模，信号失真小。并且传输带宽较大，在射频甚至微波段都有较好的适用性。并且在1MHz-200MHz工作频段内，同轴探头的尺寸也可以设计得较小，能够满足生物组织小尺寸取样、介电特性宽带测量的需求。测量时，同轴探头终端与被测介质作平面接触，不会对生物组织造成破坏性影响，具有较好的在体测量前景。因此，选用该思路作为高频段生物组织介电特性测量方法。

目前在高频段特别是300MHz以下的频段内，利用终端开路同轴反射法进行生物组织介电特性测量的研究较少。相关文献也只是通过GHz以上的宽频带测量囊括的这一频段。具体的内容特别是针对探头标校，待测生物组织的样本选择对测量的影响等并没有较为详细的报道。通常认为利用终端开路同轴反射法进行生物组织介电特性测量时，待测生物组织尺寸应该足够大来满足理论分析中的待测物无限大条件。但是在实际测量中，样本取样通常很难满足这一要求。并且本研究发现，在运用等效电路模型时，样本尺寸并非越大越好。在小尺寸下，样本有一个最佳尺寸来满足测量的最小误差。因此，结合探头确定最佳的生物组织样本尺寸，可以得到最理想的测量结果。

另外，在实际测量中，针对该方法需要在工作频段内设计尺寸适合的同轴探头，同时还需要有与之相配套的标校方法用于测量时的仪器标校。较为普遍的校准方法有两种：一是利用三种已知介电特性的物质，通过线性变换来进行计算校准；二是利用仪器自身的标校功能：通过开路、短路、Load三种状态来进行校准。通过研究发现前者对标校物有一定的要求：采用不同物质进行计算校准的时候，其测量误差各不相同。而后者由于探头与物质接触面之间可能存在的缝隙，以及Load状态对标校物信息准确程度的依赖，使得标校后的测量的稳定性可能较差，对测量结果造成较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种工作频段为1MHz-200MHz的测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头及其相应的标校及其测量方法，主要针对外形不规则的小体积待测组织或针对部分在体组织进行实现方便准确的宽频带测量。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头，其特征在于，该探头的长度不大于13cm，工作频段为1MHz～200MHz；它包括内同心设置的内导体和外导体，内导体半径与外导体半径之比为3∶10，在内导体和外导体之间填充有聚四氟乙烯，外导体表面上有镀层。

在终端开路同轴探头另一端还有连接N型接头，用以与连接电缆连接。

上述终端开路同轴探头通过电缆与测量设备连接，该电缆由电缆端N型接头和同轴电缆组成。

本发明还给出了上述测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头进行计算校准使用的标校盒，其特征在于，包括盒体，盒体的内半径大于探头外导体半径的3.5倍，但不超过其半径的4倍，盒体的深度大于外导体半径的2倍，但不超过外导体半径的4倍。

上述测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头进行生物组织介电特性的测量与标校方法，其特征在于，该方法使用权利要求6所述的标校盒，具体按下列步骤进行：

1)通过探头端N型接头和电缆端N型接头经同轴电缆连接到网络分析仪，测量同轴探头暴露在空气中的开路状态下的相位作为参考值；

2)在标校盒的盒体中放置标准溶液；

3)选择确认待测生物组织：其有效厚度不小于同轴探头外导体半径的2倍，最大有效半径不小于外导体半径的3.5倍；

4)将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头终端贴上待测组织，保证接触面没有缝隙，并根据所测频段1MHz-200MHz进行测量；

5)将测量得到的所有反射参数相位信息与步骤1)中得到的相位参考值进行相位相消处理：

6)利用盒体(201)中所放置的标准溶液测量得到并经过相位相消处理后的反射参数对介电特性计算公式进行参数求算；

7)将处理后得到的待测组织反射参数数据代入修正后计算公式，得到待测组织的电导率和介电常数。

本发明的测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头和现有技术相比，具有以下的优势：

1、只要贴上组织，通过测量的到的反射参数即可进行介电系数的求算。对生物组织没有破坏性，并且对组织的取样要求同其他方法相比较低。使得对外形不规则或不易切割的组织进行介电特性测量成为可能。

2、降低了对被测组织体积的限制，并且寻找到测量的最佳体积，方便了对小体积组织的测量，同时具有较高的测量精度。

3、采用的标校方法简单快捷，并且在1MHz-200MHz内保证了较高的测量精度。

4、整体测量时间较短，实验中最长的操作时间也在5分钟以内。这使得针对部分需要离体进行测量的组织能够在测量中保持绝大部分活性，大大增加了测量的可靠性。

5、测量探头可以单独拆卸、消毒，满足在体测量要求。

附图说明

图1是本发明的探头结构的正视图与侧视图以及连接电缆结构图。其中，图(a)是探头结构的主视图，图(b)是图(a)的侧视图，图(c)是连接电缆结构图。

图2是本发明的标校盒的正视图与俯视图。其中，图(a)是标校盒的主视图，图(b)是图(a)的俯视图。

图3是本发明实施生物组织介电特性测量时与仪器连接示意图。

图4是本发明实施生物组织介电特性测量时与被测样本连接示意图

图中的标号分别表示：101、内导体，102、聚四氟乙烯，103、外导体，104、镀层，105、探头端N型接头，106、电缆端N型接头，107、同轴电缆；201、标校盒；301、网络分析仪，302、信号端口连接器；401、待测生物组织。

以下结合附图以及发明人提供的原理和实施例，对本发明做进一步说明。

具体实施方式

探头的工作原理在于：根据传输线理论，当同轴探头终端贴上待测组织时，将整个结构转化成等效电路，通过网络分析仪测量得到的反射系数模值|Γ|和相位将其转化成为待测生物组织的介电系数。其关系式如下：

式中，Z₀＝50Ω为同轴探头的特性阻抗，ω为角频率，C_f表示同轴探头边缘的杂散电容其与待测物质没有关联，是一个常数。C₀表示探头开路时的等效电容。

根据这一原理，先要通过测量已知介电特性的标准物，将C_f和C₀求算出。随后选取合适的待测组织进行测量，将测量结果代入关系式中即可求算出待测组织的介电系数。

通常认为上述方法中，用于计算C_f和C₀标准物尺寸应该要足够大才能满足上述关系式。但通过研究发现，在工作频段1MHz-200MHz内，标准物有一个较小的最佳尺寸，其与所设计同轴探头截面尺寸相关。经申请人的研究表明，取圆柱外形并且半径大于同轴探头外导体半径的3.5倍，但不超过其半径的4倍，深度大于同轴探头外导体半径的2倍，但不超过同轴探头外导体半径的4倍。此时测算误差达到最小。

针对探头测量时的仪器标校。根据传输线理论，在未经标校的情况下，网络分析仪所测量得到的反射系数与实际计算所需的反射系数之间有如下关系：

该相位差主要是由于探头长度带来的相位平移。因此其中，L表示探头长度，表示波数。

从前面的分析可以看出相位差实际上同探头电尺寸密切相关。这个相位从理论上来说，就是探头长度引入的相位平移。那么在以后的测量中只需要从测量相位中将这段相位减去，就是实际我们所需要的终端反射相位了。

于是，假定在探头开路状态下测得的相位值为当接入待测物进行测量时得到的相位为则接入待测物时的实际相位应该是

基于以上原理，本实施例给出一种生物组织介电特性测量终端开路同轴探头与标校方法，其结构组成与工作方式如下：

参考图1，本实施例给出一种测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头，该探头的长度不大于13cm，工作频段为1MHz～200MHz；它包括内同心设置的内导体101和外导体103，内导体101半径与外导体103半径之比为3∶10，在内导体101和外导体103之间填充有聚四氟乙烯102，外导体103表面上有镀层104。镀层104采用金材料进行涂镀处理，其目的是增加探头本身的导电性和耐腐蚀性。

在探头的另一端还有连接有探头端N型接头105，用以通过同轴电缆连接测量仪器。

将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头通过电缆与测量设备进行连接，电缆主要由电缆的端N型接头106和同轴电缆107两部分组成。

参考图2，本实施例给出一种测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头进行计算校准使用的标校盒，包括盒体201，盒体201外形为一圆柱状容器，盒体201的内径大于同外导体103半径的3.5倍，但不超过其半径的4倍，盒体201的深度大于外导体103半径的2倍，但不超过同轴探头外导体103半径的4倍。

参考图3，通过连接电缆端N型接头106分别与同轴探头端N型接头105和信号端口连接器302连接。信号端口连接器302与网络分析仪301相连。

参考图4，图4为本实施例中测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头与生物组织401所处位置的示意图。测量时，将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头终端贴上待测组织401，并保证待测组织401的有效厚度不小于外导体103半径的2倍，最大有效半径不小于外导体103半径的3.5倍。

上述测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头进行生物组织介电特性的测量方法，使用上述标校盒，具体按下列步骤进行：

1)通过探头端N型接头105和电缆端N型接头106经同轴电缆107连接到网络分析仪，测量同轴探头暴露在空气中的开路状态下的相位作为参考值；

2)在标校盒的盒体201中放置标准溶液；

3)选择确认待测生物组织：其有效厚度不小于同轴探头外导体103半径的2倍，最大有效半径不小于外导体103半径的3.5倍；

4)将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头终端贴上待测组织，保证接触面没有缝隙，并根据所测频段1MHz-200MHz进行测量；

5)将测量得到的所有反射参数相位信息与步骤1)中得到的相位参考值进行相位相消处理；

6)利用盒体201中所放置的标准溶液测量得到并经过相位相消处理后的反射参数对介电特性计算公式进行参数求算；

7)将处理后得到的待测组织反射参数数据代入修正后计算公式，得到待测组织的电导率和介电常数。

为使本领域的技术人员对本申请的目的、特征和优点更加显明易懂，下面作进一步详细说明。

假设同轴探头内导体101半径为r_内(mm)，外导体103半径为r_外(mm)。首先将探头终端放置于空气中，测量此时探头终端开路状态下反射的相位值记为

待测组织401为圆柱体，其有效厚度满足h≥2r_外，圆柱半径满足r≥3.5r_外。测量时，将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头的终端贴上待测组织401，然后通过激励、测量端口与网络分析仪连接，设定网络分析仪的相应测量参数，即可得到待测组织的反射参数(反射系数模值和相位)。

对获取的待测组织的反射参数(反射系数模值和相位)，首先进行相位相消标校。即从测量得到的待测组织的反射系数相位中消去探头开路状态下反射相位得到新的反射参数后根据理论分析得出如下所示的介电系数计算公式：

式中，Z₀＝50Ω为同轴探头的特性阻抗，ω为角频率，ε″_r与电导率σ相关联，可以通过下式求算电导率：

$>{ϵ}_r^{\prime \prime }=\frac{\sigma }{\omega {ϵ}_0}$>

此外，式中C_f表示同轴探头边缘的杂散电容其与待测物质没有关联，是一个常数。C₀表示探头开路时的等效电容。系数C_f和C₀可通过标校实验的方法确定，并且通过实验发现C_f和C₀的误差大小取决于标校物的尺寸。在一个合适的尺寸下，C_f和C₀的误差能够达到最小。

据此设计标校测量盒，其具体的标校操作方式如下：

在圆柱形标校盒中注入介电特性已知标准浓度的KCl溶液，将测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头置入标校盒中，并通过激励与测量接口将探头接入网络分析仪，测量其反射参数。

根据公式：

求算介电系数求解公式中的计算系数C_f和C₀。式中，ε′_r(Kcl)和ε″_r(Kcl)分别为标准浓度的KCl溶液的介电系数实部和虚部。

经过上面的过程修正后，只要保证样本有效厚度满足h≥2r_外，圆柱半径满足r≥3.5r_外，标校盒设计满足高度2r_外≤h≤4r_外，半径3.5r_外≤r≤4r_外，则其介电特性测量精度可达到5％以上。

需要说明的是，以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。