[发明专利]测量生物组织各向异性介电谱特性的探头及其测算方法

权利要求书

1.一种测量生物组织各向异性介电谱特性的探头，其特征在于：该探头包括四部分，第一部分是四块金属极板，第二部分是起支撑作用的绝缘基柱，第三部分是起填充作用的绝缘填充，第四部分是起屏蔽作用的金属屏蔽壳；所述绝缘基柱为长方体形的绝缘基柱，四块金属极板均为截面呈等腰梯形的金属极板，四块金属极板分别嵌入基柱的四个侧面，金属极板的宽边一端均超出基柱作为测量端口，金属极板的窄边一端均与基柱边缘对齐作为激励端口，金属极板两两相对形成正交分布的两组电极；绝缘基柱外设圆柱形的金属屏蔽壳，绝缘基柱的激励端口端超出金属屏蔽壳；金属屏蔽壳与绝缘基柱间为绝缘填充，所述绝缘填充为聚四氟乙烯，所述金属极板的材质为金或者表面镀金的铜。

2.一种生物组织各向异性介电谱特性的测算方法，其特征在于：

1)将探头的激励端口与测量端口通过阻抗变换器与电缆连接到矢量网络分析仪上，测量该探头的四端口散射参数矩阵S参数：

S=S11S12S13S14S21S22S23S24S31S32S33S34S41S42S43S44---(1)]]>

公式(1)中，S_ij为探头的四端口散射矩阵S参数，表示其他端口匹配时，j端口到i端口的传输系数；

2)选取已知介电特性的物质作为参考物，利用测量探头测量参考物的散射参数Γ_0m；

3)选取待测各向异性生物组织，将探头按照组织介电特性各向异性方向贴上待测组织，保证接触面没有缝隙，测量该组织的各向异性方向上的散射参数Γ_Xm和Γ_Ym，一共包含有四个参数：Γ₁₁,Γ₁₂,Γ₂₁,Γ₂₂；

4)将测量得到的所有散射参数Γ₁₁,Γ₁₂,Γ₂₁,Γ₂₂与步骤1)中得到的探头的四端口散射参数矩阵S参数进行标校处理，得到探头终端的实际反射系数Γ_X和Γ_Y；其具体处理方法如下：

探头测量得到正交方向上的散射参数Γ_Xm和Γ_Ym与待测组织实际反射系数Γ_X和Γ_Y以及该探头的四端口散射矩阵S参数存在如下关系：

(A11S34S43-A11S33S44+S13S31S44-S13S41S34+S33S14S41-S31S43S14)ΓXΓY+(A11S33-S13S31)ΓX+(A11S44-S14S41)ΓY+A11=01)(A21S34S43-A21S33S44+S23S31S44-S23S41S34+S33S24S41-S31S43S24)ΓXΓY+(A21S33-S23S31)ΓX+(A21S44-S24S41)ΓY+A21=02)(A12S34S43-A12S33S44+S13S32S44-S13S42S34+S33S14S42-S32S43S14)ΓXΓY+(A12S33-S13S32)ΓX+(A12S44-S14S42)ΓY+A12=03)(A22S34S43-A22S33S44+S23S32S44-S23S42S34+S33S24S42-S32S43S24)ΓXΓY+(A22S33-S23S32)ΓX+(A22S44-S24S42)ΓY+A22=04)---(2)]]>

公式(2)中，参数A_ij表示探头四端口散射矩阵参数S_ij与测量到的散射参数Γ_ij之差：

A_ij＝(S_ij-Γ_ij)    (3)

在公式(2)中，将其方程1)和方程2)联立，方程3)和方程4)联立，分别消去Γ_XΓ_Y项，得到新的方程组：

(B21A11S33-B21S13S31-B11A21S33+B11S23S31)ΓX+(B21A11S44-B21S14S41-B11A21S44+B11S24S41)ΓY+(B21A11-P11A21)=0(B22A12S33-B22S13S32-B12A22S33+B12S23S32)ΓX+(B22A12S44-B22S14S42-B12A22S44+B12S24S42)ΓY+(B22A12-P12A22)=0---(4)]]>

公式(4)中，参数B_ij表达式为：

B₁₁＝(A₁₁S₃₄S₄₃-A₁₁S₃₃S₄₄+S₁₃S₃₁S₄₄-S₁₃S₄₁S₃₄+S₃₃S₁₄S₄₁-S₃₁S₄₃S₁₄)

B₂₁＝(A₂₁S₃₄S₄₃-A₂₁S₃₃S₄₄+S₂₃S₃₁S₄₄-S₂₃S₄₁S₃₄+S₃₃S₂₄S₄₁-S₃₁S₄₃S₂₄)

                                                             (5)

B₁₂＝(A₁₂S₃₄S₄₃-A₁₂S₃₃S₄₄+S₁₃S₃₂S₄₄-S₁₃S₄₂S₃₄+S₃₃S₁₄S₄₂-S₃₂S₄₃S₁₄)

B₂₂＝(A₂₂S₃₄S₄₃-A₂₂S₃₃S₄₄+S₂₃S₃₂S₄₄-S₂₃S₄₂S₃₄+S₃₃S₂₄S₄₂-S₃₂S₄₃S₂₄)

求解公式(4)，得到待测组织在正交方向上的实际反射系数Γ_X和Γ_Y：

ΓX=(C2P22A12-C2P12A22-C4P21A11+C4P11A21)(C1C4-C3C2)ΓY=(C1P22A12-C1P12A22-C3P21A11+C3P11A21)(C2C3-C1C4)---(6)]]>

公式(6)中，参数C_i表达式为：

C1=(B21A11S33-B21S13S31-B11A21S33+B11S23S31)C2=(B21A11S44-B21S14S41-B11A21S44+B11S24S41)C3=(B22A12S33-B22S13S32-B12A22S33+B12S23S32)C4=(B22A12S44-B22S14S42-B12A22S44+B12S24S42)---(7)]]>

5)将步骤2)中得到的参考物散射参数Γ_0m按照步骤4)中描述的标校方法进行标校处理，得到参考物的实际反射系数Γ₀；

6)将待测组织在正交方向上的实际反射系数Γ_X和Γ_Y，以及参考物的实际反射系数Γ₀转化为等效输入导纳Y_inX、Y_inY和Y₀；转化方法如下所示：

Yin=YC1-Γ1+Γ---(8)]]>

公式(8)中，Y_C表示探头的特性导纳，其与探头自身的设计参数相关；

7)等效输入导纳Y_in与被测组织介电特性参数(ε_r’,σ)之间存在如下关系：

Y_in＝jωC_f(ε'_r)+jωC₀ε'_r+G(ε'_r,σ,ω)+jb₀    (9)

公式(9)中，G(ε_r’,σ,ω)的物理意义表示探头终端对外辐射电导，C_f(ε_r’)的物理意义表示探头内部的杂散电容，C₀表示探头终端在空气中的等效电容，ω为工作的角频率，b₀为误差修正项；其中，参数G(ε_r’,σ,ω)和C_f(ε_r’)用如下公式进行计算：

G(ϵr′,σ,ω)=Σi=0nΣj=0nΣk=0ndjkiϵr′jσkωiCf(ϵr′)=Σi=0ngiϵr′i---(10)]]>

公式(9)和(10)中的参数C₀、b₀、d_ijk、g_i均只与探头的设计参数相关；参数n取2或者3；将步骤6)中得到的参考物的等效输入导纳Y₀带入公式(9)和(10)中，通过对等效输入导纳Y₀进行曲线拟合，标定出参数C₀、b₀、d_ijk、g_i；

8)确定好参数C₀、b₀、d_ijk、g_i之后，将待测组织在正交方向上的等效输入导纳Y_inX、Y_inY带入公式(9)，利用优化算法对待测组织的介电特性参数(ε_r’,σ)进行反演求解，最终得到各向异性待测组织在不同方向上的介电谱参数，具体步骤如下：

a、随机给一组待测组织的介电特性参数初始值(ε_ri’,σ_i)；

b、将初始值(ε_ri’,σ_i)带入公式(9)，求出此时的输入导纳Y_i；

c、看Y_i与待测组织等效输入导纳Y_in的差值是否满足算法要求：如果满足，则(ε_ri’,σ_i)就认为等于待测组织的介电特性参数(ε_r’,σ)；如果不满足，则按照算法的运算准则继续搜索下一组待测组织的介电特性参数(ε_r(i+1)’,σ_(i+1))，直到Y_(i+1)与待测组织等效输入导纳Y_in的差值满足算法要求为止；

d、最终得到待测组织的介电特性参数(ε_r’,σ)。