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生物组织微波测量方法研究及应用

周立学  
【摘要】: 各种生物组织电参数的准确测量对于肿瘤组织的检测起着重要的作用。由于肿瘤组织的内部结构异于正常的组织,因此两者之间的介电常数存在较大的差异,利用这种差异可以对肿瘤组织进行准确的定位,如微波成像技术等。介电常数的测量方法主要有反射系数法,传输系数法,微扰法等。 反射系数法将终端加载生物组织的测量探针采集到的反射系数转换成待测生物组织的介电常数。这种方法可以准确地测量出介电常数较高的生物组织,但是对于介电常数较低的生物组织,测量结果不够稳定。其中测量探针分为三种,第一种是传统的终端开路的同轴探针,第二种是基于同轴线的单极子天线,最后一种则是基于带状线的平面探针。传统的同轴探针能够进行准确而稳定的测量,具有较大的实际应用价值。但是由于它的非平面结构,随着探针尺寸不断减小,其加工越来越困难,加工成本也越来越高。单极子天线虽然也能够准确地测量,但是由于它具有一个比较大的接地面,使得单极子天线很难插入到组织内部,这也降低了它的实际应用价值。基于带状线的平面探针又可以分为三种,一是终端开路的带状线,二是侧端开路的带状线,三是接地板上蚀刻环形缝隙的带状线。这些平面探针在加工上比同轴探针更加方便,更易于集成,加工成本也比较低,但是平面探针的测量稳定性不够,需要进一步的改进。当探针采集到反射系数后,就可以利用各种不同的数学模型,将反射系数转换成最终的介电常数。数学模型可分为:电容模型,虚线模型,导纳模型,天线模型,有理函数模型。其中电容模型,虚线模型,导纳模型适用于终端开路的同轴探针和所有的平面探针;天线模型仅仅适用于单极子天线;有理函数模型适用于同轴探针和第三种平面探针。文章中对各种模型进行了比较,而且分析了他们的适用范围。 本文还对微波加热治疗肿瘤过程中介电常数的变化规律进行了研究。由于猪肝组织和肝肿瘤组织有比较相似的特性,因此本研究以猪肝组织为研究对象。利用已经研制好的肿瘤治疗仪以及PMCT(经皮穿刺微波消融治疗探针)探针对猪肝组织进行加热,利用以上的测量方法,选取终端开路的同轴探针来采集不同加热时间下的反射系数,进而得到猪肝组织介电常数随温度的变化规律。


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