[发明专利]测量生物组织介电谱特性的终端开路同轴探头及方法

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：

ϵr*=ϵr′-jϵr′′=ϵr′-jσωϵ0]]>

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。