基于螺旋谐振器的人体组织测量探头的仿真与分析

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微波作为一种新兴的生理信号检测手段,在医学和生物学领域有着巨大的应用前景。生物组织的电特性是生物组织在外加电磁场的作用下具有的固有属性,生物组织介电常数的变化可以反应生物组织的一些生理或病理状态变化,因此人体组织介电常数的测量具有重要意义。电磁波入射到人体组织介质中,不同介电常数的介质吸收的电磁波不同,反射的电磁波也不同,因此微波探头可以根据接收到的电磁波回波,对人体组织介质的介电常数进行测量。用于人体组织测量的探头应具有以下条件:(1)效率高;(2)尺寸小;(3)能对人体组织进行在体测量,不对组织造成损伤。为利用微波对人体组织进行在体测量并减小探头的尺寸,本论文基于天线理论和电磁场原理,将圆形螺旋谐振器(SR,Spiral resonator)与环形天线结合,设计出三种分别工作在433MHz、915MHz和2.45GHz的微波探头,主要研究内容如下:1、设计了一种基于加载SR的小型微波探头,利用HFSS电磁仿真软件建立了探头的仿真模型,利用控制变量法分别对SR的宽度和圈数对探头性能的影响进行了仿真分析,并对探头进行阻抗匹配,对匹配元件的值进行了仿真优化,获得了性能较为理想的探头结构,设计出三种工作频率分别为433MHz、915MHz和2.45GHz的探头。2、在探头下建立人体组织层模型,改变组织介质的介电常数、厚度,并进行有无结节的仿真,分析了探头谐振频率的变化规律,由此得出所设计的探头可用于人体组织介质的测量。3、对探头进行了实验验证。根据所设计的探头模型,重点对915MHz的探头进行了应用测量实验,用探头分别对不同种类的猪肉组织、不同厚度的人体指腹和人体面部异常结节进行了测量,记录并分析探头谐振频率的变化规律并与仿真结果进行对比,验证探头的可用性。
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