Abstract
针对体表异常结节组织检测与识别问题，本文提出了一种加载螺旋谐振器的微波传感器结构，利用HFSS软件建立了传感器仿真模型、优化了结构参数，并制作了传感器实物；仿真得到了组织出现结节时的S21参数，分析了S21参数差值随位置变化的特征关系，并进行了实验测试。结果表明：正常组织中存在结节时，S21参数差值随位置变化曲线具有明显的倒双峰特征，并且当传感器位于结节正上方时，S21参数差值出现极值，易于识别结节的位置。本研究为体表异常结节组织的识别提供了客观的检测工具。
Keywords: 微波传感器, S21参数, 体表, 异常结节
Abstract
For the detection and identification of abnormal nodular tissues on the body surface, a microwave sensor structure loaded with a spiral resonator is proposed in this paper, a sensor simulation model is established using HFSS software, the structural parameters are optimized, and the actual sensor is fabricated. The S21 parameters of the tissue were obtained when nodules appeared by simulation, and the characteristic relationship between the difference of S21 parameters with position was analyzed and tested experimentally. The results showed that when nodules were present in normal tissues, the curve of S21 parameter difference with position change had obvious inverted bimodal characteristics, and the extreme value of S21 parameter difference appeared when the sensor was directly above the nodules, which was easy to identify the position of nodules. It provides an objective detection tool for the identification of abnormal nodular tissues on the body surface.
Keywords: Microwave sensor, S21 parameters, Body surface, Abnormal nodule
0. 引言
体表的异常结节可能出现在人体的各个部位，是中西医检查中关心的人体体表特征之一。微波测量作为一种新兴的生理信号检测手段，在生物医学领域有着巨大的应用前景，特别是在人体体表组织异常的客观化非侵入方式检测中具有明显优势。人体由多种生物组织构成，如皮肤、脂肪、肌肉等，介电特性是生物组织的固有属性，组织的含水量、蛋白质含量及种类、细胞结构等的变化会导致其介电特性的改变。大量研究表明，不同种类生物组织的介电特性有所不同，正常组织与异常组织间的介电参数差异十分明显[1]。从介质特性角度来讲，体表异常结节组织的含水率异于正常组织。一般情况下不易直接测得人体组织的介电特性，但可以利用非侵入人体的微波法测量人体的其他参数来间接获得介电特性，并根据测得的参数判断人体组织是否异常。目前微波测量主要应用于癌症和皮肤异常的检测，较少看到应用于结节组织的检测和识别，因此研究体表结节微波测量与识别方法和技术具有重要的理论意义，在中西医临床实践中也具有很大的实用价值。
对生物组织电磁微波特性的研究早期都是从电特性开始[2-3]，在已有的微波介电特性测量方法中，最常用的是开端同轴线法测量待测组织的介电特性[4-10]，此外还有使用喇叭探头和微带阵列天线等测量组织介电特性的方法[11-13]。Popovic等研究者使用同轴探头去测量癌变组织的介电特性[14-15]。Lazebnik等[16]利用生物组织介电特性对人体乳腺病变组织和正常组织进行对比。Katbay等[17]采用微波传感器检测乳腺癌。除了对癌变组织检测方面的研究，国内外学者在人体皮肤的异常检测方面也进行了许多研究。Bai等[18]利用所设计的柔性微波生物传感器，对异常的猪肉皮肤进行了测量，如皮肤烧伤、皮肤肿瘤等。有学者利用毫米波反射和成像技术区分了正常皮肤组织和烧伤皮肤组织[19]。Mirbeik-Sabzevari等[20]利用开口同轴探头测量皮肤癌患者新鲜切除的恶性皮肤和正常皮肤，观察到恶性皮肤和正常皮肤的介电特性具有很大差异。正常皮肤和异常皮肤也可以根据皮肤含水量加以区分。Töpfer等[21]设计了一种工作在90～106 GHz频率下的微波近场探头，对不同含水量的皮肤组织进行测量。Kilpijärvi等[22]制作了不同水合状态下的皮肤模型，通过微波传感器进行测量并加以区分。张宝[23]设计了一种可用于检测皮肤恶性黑色素瘤以及皮肤水分含量的微波生物传感器，研究结果表明，传感器对皮肤含水量敏感，可通过含水量辨别正常细胞和癌变细胞。
上述利用微波测量生物体异常组织的方法大多是通过测量反射系数S11来计算生物体介电特性，由于人体等一些生物体组织介电常数较大，对微波信号的反射较强，S11在分辨这些生物体正常组织和结节组织时变化较小，分辨差值较小，检测的效果并不理想。因此本文基于微波网络的S21参数和加载圆形螺旋谐振器的近场探头天线[24]，设计了一种S21参数测量传感器。利用HFSS软件建立S21传感器测量原理仿真模型，仿真分析生物体体表出现结节时的S21参数变化特性。我们还制作和优化了S21传感器，通过测量硅胶模拟组织验证S21传感器的有效性，并通过实际测量猪肉模拟组织的S21参数，验证传感器的可用性。
1. 传感器的原理、结构与制作
1.1. 微波S21参数介质测量传感器的原理
微波双端口的结构如图1所示，其中1端口为输入端口，2端口为输出端口。
图 1.
Schematic diagram of microwave dual port equivalent network
微波双端口等效网络示意图
由图1可知，微波双端口网络的S参数矩阵为：
 |
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。
图 2.
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。
图 3.
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。
图 4.
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。
图 5.
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。
图 6.
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。
图 7.
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。
图 8.
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。
图 9.
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
图 10.
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。
图 11.
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。
图 12.
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）
The National Key Research and Development Program for Modernization of Traditional Chinese Medicine
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