專利名稱：阿基米德螺旋線探頭微波診斷儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系一種運用微波技術(shù)的醫(yī)療診斷系統(tǒng)。
本世紀(jì)七十年代，微波輻射計開始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如美國麻省理工學(xué)院BarretA.H，P.C.Myers等人將微波輻射計用于診斷乳腺癌，許多國家在進行腫瘤熱療中的微波無損測溫研究，美國專利US4346716和歐洲專利EU114094所報道的微波熱測量裝置是現(xiàn)有乳腺癌診斷設(shè)備中較完善的系統(tǒng)。美國專利US4346716的微波探測系統(tǒng)為雙模系統(tǒng)，用1.6GHZ微波局部加熱檢測部位，并用4.7GHZ輻射計檢測腫瘤。該系統(tǒng)用介質(zhì)填充的雙矩形波導(dǎo)作為探頭，發(fā)射探頭為較大口徑矩形波導(dǎo)、檢測探頭為較小口徑矩形波導(dǎo)，兩矩形波導(dǎo)寬邊共基線。該系統(tǒng)探頭工作在C波段，取H10模線性極化波方式，探測深度有限，對入體深部組織的腫瘤如食道癌等無效;有源部分發(fā)射微波對人體有害，不能多次使用，既使探頭不與人體待查部位接觸，淺露的微波也使長期進行操作的人員受到損害;有源系統(tǒng)與輻射計系統(tǒng)之間相互影響，要解決此電磁兼容問題增加電路復(fù)雜程度和造價。
鑒于人體深部組織腫瘤的微波熱輻射強度很小(約10-19WM-2HZ-1Sr-2)，經(jīng)多層媒質(zhì)傳輸衰減后到達體表甚為微弱，如何探測并提取這種微弱的微波熱輻射信息就是微波診斷儀的關(guān)鍵問題。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中矩形波導(dǎo)或圓波導(dǎo)探頭接收人體組織微波熱輻射效率不高，設(shè)計出能有效接收深部腫瘤微波熱輻射信息的最佳探頭，并要設(shè)計出低噪聲、高增益、高穩(wěn)定的微波熱輻射亮溫計量系統(tǒng)，在進行信息處理時，爭取盡可能大的可資用信息，以提供一種無損傷、無有害輻射、智能化的深部腫瘤診斷儀器。
本發(fā)明的微波診斷儀，由微波熱輻射信息提取部分及信息處理系統(tǒng)兩大部分組成。微波熱輻射信息提取部分包括探頭、環(huán)行器、Dicke開關(guān)、匹配負載、微波放大鏈、微波檢波及固態(tài)噪聲源等部分。信息處理系統(tǒng)包括平方律檢波、交流放大、同步積分、同步檢波、直流放大、積分運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理機、打印機等部分。
在平面分層媒質(zhì)的微波熱輻射傳遞特性研究中，利用Shell定律，針對某特定頻率，由波數(shù)圓作出人體肌肉組織中腫瘤的自發(fā)電磁熱輻射軌跡圖，可以定性覺察到皮膚表面會出現(xiàn)正向射線、折線和爬行線，即在皮膚的外側(cè)會呈現(xiàn)復(fù)雜的橢球極化波。故可推知用圓極化波探頭更有利接收有耗生物分層媒質(zhì)中的電磁熱輻射信息。據(jù)此，本發(fā)明設(shè)計的探頭由探頭基片和探頭基片座構(gòu)成，探頭基片為鍍銅介質(zhì)片，其表面為鍍銅層經(jīng)腐蝕工藝形成的微帶線，微帶線軌跡為阿基米德螺旋線，滿足極坐標(biāo)方程L＝aφ，式中φ為旋轉(zhuǎn)角度，a為常數(shù)，其取值范圍為0.5-1.5mm/rad，探頭基片介質(zhì)層厚度為0.125-0.25λe，其中λe=λε]]>λ為工作波波長，ε為介質(zhì)介電常數(shù)，上述探頭基片置于探頭基片座上，探頭基片座為杯狀體，橫截面是圓形，為防止爬行熱輻射噪聲波干擾，還可以采用帶有抗流槽的探頭基片座。
除設(shè)計專門的探頭外，本發(fā)明為保證系統(tǒng)的低噪聲和高穩(wěn)定性，還采取下述一些措施設(shè)計專門的薄膜電阻用作匹配負載，該薄膜電阻經(jīng)鍍膜沉積于陶瓷基片上，其阻值范圍為45-55Ω，使得駐波比≤1.08，陶瓷基片上還附有熱敏電阻，上述元件置于由云母片、加熱電阻絲、石棉帶等組成的恒溫槽內(nèi)。
為減小同軸電纜連線及一系列接頭帶來的插入損耗，探頭直接與熱信息提取部分前端元件構(gòu)成一個組件。某些情況下為使用方便，探頭必須通過電纜連線與熱信息提取部分前端元件連接時，則采用多屏蔽層同軸電纜，該多屏蔽層同軸電纜具有兩層或三層銅網(wǎng)屏蔽層，兩端通過阻抗過渡段與同軸電纜插頭(座)連結(jié)。為使此段多屏蔽層同軸電纜耐彎折，其最外層為橡膠絕緣層，再套入金屬軟管內(nèi)。
為避免大電流方波激勵源在Dicke開關(guān)內(nèi)導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)方波成為虛假信號，本發(fā)明可以采用平頭接頭同軸電纜連接器連接Dicke開關(guān)和前置RF放大器，該平頭接頭同軸電纜連接器可采用市售標(biāo)準(zhǔn)器件。
本發(fā)明還可以在Dicke開關(guān)二輸入臂之間采用電子隔離技術(shù)，防止有用噪聲信號和零平衡注入噪聲一起串到匹配負載一端，即在固態(tài)噪聲源的恒流源電路上加中斷電路，使得Dicke開關(guān)接通匹配負載時，斷開固態(tài)噪聲源;在斷開匹配負載時，接通固態(tài)噪聲源。
由于人體內(nèi)異常組織溫度通常高于正常組織而人體的微波熱輻射又與體溫有關(guān)，本發(fā)明依據(jù)患有腫瘤病人身體相應(yīng)部位溫差和正常人身體相應(yīng)部位溫差，分別設(shè)計適用于判斷鼻咽癌、食道癌、乳腺癌和肝癌的人體病變部位亮溫譜圖判據(jù)軟件，本發(fā)明的微波診斷儀從被測人體提取微波熱輻射信息后，經(jīng)信息處理系統(tǒng)，利用上述判據(jù)軟件，即可判斷為正常、良性腫瘤或惡性腫瘤。
本發(fā)明的探頭與人體組織阻抗匹配良好，在2.25-2.65GHZ頻率范圍內(nèi)，可接收園極化或橢園極化波，駐波比≤2;薄膜電阻等構(gòu)成的匹配負載及恒溫槽，其熱慣量比同軸匹配負載恒溫槽小得多，起跳控制信號小，溫度控制靈敏、易于達到恒溫精度;采用多屏蔽層同軸電纜及平頭接頭同軸電纜連接器，可免受外部微波輻射干擾、避免虛假信號;采用電子隔離技術(shù)避免注入噪聲串到匹配負載一端，保證了參考溫度的準(zhǔn)確度。上述措施使得本發(fā)明的微波診斷儀具有低噪聲、高增益和高穩(wěn)定性，探測人體深度可達食道、鼻咽、肝、胰等部位，超過國際上目前報導(dǎo)的2cm深度的水平。根據(jù)本發(fā)明所試制的診斷儀經(jīng)過有關(guān)省、市腫瘤醫(yī)院近1100例臨床診斷實驗，食道癌陽性符合率達86%，陰性符合率81%;鼻咽癌陽性符合率達86%，陰性符合率均達67-75%，肝癌的陽性符合率和陰性符合率均達76%，診斷肝硬化的符合率達86%，診斷乳腺腫瘤符合率達92%，除了乳腺疾病以外，本發(fā)明的以上效果是前所未見的。本發(fā)明完全為無源系統(tǒng)，對人體無損害，還具有數(shù)字顯示和打印等手段，與目前我國進口的NMR-CT的X-CT等診斷設(shè)備相比、造價低、效果好，便于進行早期普查，是一種新型的診斷手段。
結(jié)合


本發(fā)明的具體實施方案，圖1為微帶線軌跡為單阿基米德螺旋線的探頭基片，圖2為微帶線軌跡為雙阿基米德螺旋線的探頭基片，圖3是圖1和圖2的側(cè)面圖;圖4為兩片介質(zhì)片組成的探頭基片，其中一片介質(zhì)片正反兩面具有逆向阿基米德螺旋線的微帶線，圖中右面是其側(cè)面圖;上述諸圖中，〔1〕是微帶線，由探頭基片表面鍍銅層經(jīng)腐蝕形成，〔2〕是介質(zhì)層，〔3〕是鍍銅層。圖5為探頭基片安置在探頭基片座上的情況，其中〔4〕為匹配絲織品，與微帶線〔1〕相連，探頭與人體的接觸面可用聚乙烯薄膜復(fù)蓋，〔5〕為探頭基片座，探頭基片鍍銅層〔3〕與探頭基片座〔5〕以聚乙烯縮 膠等粘結(jié)劑薄層粘結(jié)，〔11〕為同軸電纜插頭(座)外導(dǎo)體，〔12〕為該插頭(座)內(nèi)導(dǎo)體，〔11〕與〔5〕可用螺釘連接，〔12〕與〔1〕用錫焊接。圖6為帶有抗流槽的探頭基片座，為便于加工，該探頭基片座由基片座外殼〔6〕和帶有抗流槽的基片座〔7〕構(gòu)成，〔8〕為抗流槽，當(dāng)基片座內(nèi)填充介質(zhì)時，抗流槽〔8〕槽底至探頭與人體接觸面距離為λe/4，未填充介質(zhì)時，該距離為λ/4，以此決定抗流槽深度?！?〕為吸嘴孔，〔10〕為氣囊，〔9〕和〔10〕是為便于將探頭吸附于人體表面而設(shè)立的，同樣也可用于圖5的探頭基片座上。圖7為匹配負載恒溫槽截面圖，圖8為其頂視截面圖，其中〔13〕為薄膜電阻，經(jīng)鍍膜沉積于陶瓷基片〔14〕上，〔15〕為陶瓷基片的鍍銅層，粘結(jié)于電阻基片座〔18〕上，電阻基片座〔18〕可為聚四氟乙烯鍍銅材料構(gòu)成，與同輻電纜插頭(座)外導(dǎo)體〔11〕用螺釘固定，〔16〕為電阻引線，與同軸電纜插頭(座)內(nèi)導(dǎo)體〔12〕焊接，陶瓷基片〔14〕上放置有熱敏電阻〔17〕，上述元件外包云母片〔19〕，然后繞上加熱電阻絲〔20〕，其外層繞以石棉帶〔21〕，再加以封殼〔22〕構(gòu)成恒溫槽，封殼〔22〕可由絕熱介質(zhì)材料，如聚四氟乙烯板加鋁外殼構(gòu)成?！?3〕為聯(lián)結(jié)螺母，用其將匹配負載恒溫槽與Dicke開關(guān)聯(lián)結(jié)，將220伏50HZ的電源電壓調(diào)至70伏后，經(jīng)全波整流供給匹配負載恒溫槽的加熱電阻絲〔20〕，熱敏電阻〔17〕作為溫度傳感器，閉環(huán)控制加熱電流的通斷，以達到恒溫的目的。圖9為本發(fā)明系統(tǒng)方框圖，探頭〔25〕攝取人體組織微波熱輻射信息，經(jīng)環(huán)行器〔26〕到達Dicke開關(guān)〔27〕，〔28〕為匹配負載，〔29〕為微波放大鏈，〔30〕是平方律檢波器，在交流放大1〔31〕和交流放大2〔33〕之間插入同步積分電路〔32〕，〔33〕的輸出經(jīng)同步檢波〔34〕轉(zhuǎn)換為直流誤差信號，送入直流放大器〔35〕，再輸送到積分運算放大器〔36〕，其輸出到RC積分器〔41〕作為整機的輸出指示，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器〔42〕后，由微處理機及打印機〔43〕輸出顯示結(jié)果。同時，積分運算放大器〔36〕的輸出又送到壓控振蕩器〔38〕，完成V-f變換，輸出脈沖信號去通截噪聲源的恒流源〔39〕開關(guān)，達到調(diào)制固態(tài)噪聲源〔40〕的噪聲功率的目的。同步積分〔32〕、同步檢波〔34〕和Dicke開關(guān)〔27〕均由方波發(fā)生器〔37〕饋電輸送方波。圖10為探頭〔25〕直接與熱信息提取部分前端元件環(huán)行器〔26〕構(gòu)成一個組件的情況，圖中給出微波放大鏈〔29〕的各個元件，〔29-1〕為平頭接頭電纜連接器，〔29-2〕為前置RF放大器，〔29-3〕為低損耗隔離器，〔29-4〕為微波放大器，〔29-5〕為微波功率放大器。圖11中省去上述元件，給出探頭〔25〕通過多屏蔽層同軸電纜〔44〕與環(huán)行器〔26〕連接的情況。圖12為多屏蔽層同軸電纜〔44〕的剖面圖，其中〔45〕為電纜內(nèi)導(dǎo)體，其外為聚四氟乙烯絕緣介質(zhì)層〔46〕，外為第一銅網(wǎng)屏蔽層〔47〕，〔47〕外為聚四氟乙烯管套〔48〕，外為第二銅網(wǎng)屏蔽層〔49〕，其外為橡膠管〔50〕，該多屏蔽層同軸電纜兩端為銅管套〔51〕，該銅管套〔51〕與同軸電纜插頭〔座〕的聯(lián)結(jié)套〔54〕緊配合并用焊錫固定，電纜內(nèi)導(dǎo)體與同軸電纜插頭〔座〕外導(dǎo)體〔11〕之間插入指數(shù)型阻抗過渡段〔52〕，〔52〕可由銅件鍍銀而成，〔53〕為電纜內(nèi)導(dǎo)體〔45〕和同軸電纜插頭(座)內(nèi)導(dǎo)體〔12〕的錫焊焊點。圖13為指數(shù)型阻抗過渡段〔52〕的兩種類型，〔52-1〕為指數(shù)型曲線截面形狀，〔52-2〕為切比雪夫多項式構(gòu)成的折線截面形狀，兩種情況下，曲線或者折線的參數(shù)選擇應(yīng)使得阻抗過渡段〔52〕的駐波比≤1.1。為進一步增強屏蔽性能，必要時，除第一銅網(wǎng)屏蔽層〔47〕和第二銅網(wǎng)屏蔽層〔49〕外，還可增加第三層銅網(wǎng)屏蔽層和相應(yīng)的介質(zhì)層。
權(quán)利要求
1.一種由熱信息提取部分及信息處理系統(tǒng)組成的微波診斷儀，其熱信息提取部分包括探頭、環(huán)形器、Dicke開關(guān)、匹配負載、微波放大鏈、微波檢波及固態(tài)噪聲源等部分；信息處理系統(tǒng)包括平方律檢波、交流放大、同步積分、同步檢波、直流放大、積分運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和微型處理機等部分，其特征在于--探頭由探頭基片和探頭基片座構(gòu)成，探頭基片為鍍銅介質(zhì)片，表面為鍍銅層經(jīng)腐蝕形成的微帶線，微帶線軌跡為阿基米德螺旋線，探頭基片置于探頭基片座上；--匹配負載由薄膜電阻和恒溫槽構(gòu)成，薄膜電阻經(jīng)鍍膜沉積于陶瓷基片上，其阻值范圍為45-55Ω，陶瓷基片粘結(jié)于電阻基片座，上述元件置于由云母片、加熱電阻絲、石棉帶等組成的恒溫槽內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微波診斷儀，其特征在于-所述探頭微帶線軌跡可以是單阿基米德螺旋線，也可以是雙阿基米德螺旋線，或探頭基片兩面形成正、反逆向的阿基米德螺旋線，上述螺旋線極坐標(biāo)方程為L＝aφ，a的取值范圍0.5-1.5mm/rad;-探頭基片介質(zhì)層厚度為0.125-0.25λe;-探頭基片座可帶有抗流槽，所述基片座內(nèi)填充介質(zhì)時，抗流槽底至探頭與人體接觸面距離為λe/4，未填充介質(zhì)時，上述距離為λ/4;-所述探頭基片座還可開設(shè)連通外界的吸嘴孔，與氣囊配合使用。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種微波診斷儀，其特征在于-所述探頭直接與熱信息提取部分前端元件構(gòu)成一個組件，免去同軸電纜及一系列接頭或-探頭通過多屏蔽層同軸電纜與熱信息提取部分前端元件連接，該多屏蔽層同軸電纜具有兩層或三層銅網(wǎng)屏蔽層，所述多屏蔽層同軸電纜兩端通過阻抗過渡段與同軸電纜接頭連接，該阻抗過渡段截面形狀為指數(shù)型曲線，或由切比雪夫多項式構(gòu)成的折線，上述曲線或折線的參數(shù)選擇應(yīng)使得阻抗過渡段的駐波比≤1.1。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)和前置RF放大器之間，采用平頭接頭同軸電纜連接器連接。
5.如權(quán)利要求3所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)和前置RF放大器之間，采用平頭接頭同軸電纜連接器連接。
6.如權(quán)利要求1或2所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)二輸入臂之間采用電子隔離技術(shù)，即在固態(tài)噪聲源的恒流源電路上加中斷電路，使得Dicke開關(guān)接通匹配負載時，斷開固態(tài)噪聲源;Dicke開關(guān)斷開匹配負載時，接通固態(tài)噪聲源。
7.如權(quán)利要求3所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)二輸入臂之間采用電子隔離技術(shù)，即在固態(tài)噪聲源的恒流源電路上加中斷電路，使得Dicke開關(guān)接通匹配負載時，斷開固態(tài)噪聲源;Dicke開關(guān)斷開匹配負載時，接通固態(tài)噪聲源。
8.如權(quán)利要求4所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)二輸入臂之間采用電子隔離技術(shù)，即在固態(tài)噪聲源的恒流源電路上加中斷電路，使得Dicke開關(guān)接通匹配負載時，斷掉固態(tài)噪聲源;Dicke開關(guān)斷開匹配負載時，接通固態(tài)噪聲源。
9.如權(quán)利要求5所述的一種微波診斷儀，其特征為在Dicke開關(guān)二輸入臂之間采用電子隔離技術(shù)，即在固態(tài)噪聲源的恒流源電路上加中斷電路，使得Dicke開關(guān)接通匹配負載時，斷掉固態(tài)噪聲源;Dicke開關(guān)斷開匹配負載時，接通固態(tài)噪聲源。
全文摘要
一種由熱信息提取部分及信息處理系統(tǒng)組成的無源微波診斷儀，具有與人體組織阻抗匹配良好的阿基米德螺旋線探頭，在2.25-2.65GHz頻率范圍可接收圓極化或橢圓極化波，駐波比≤2；薄膜電阻及恒溫槽等構(gòu)成的匹配負載熱慣量小，溫度控制靈敏；本裝置還采用多屏蔽層同軸電纜和電子隔離技術(shù)等手段，整個裝置具有低噪聲、高增益和高穩(wěn)定性，對人體無損害，經(jīng)有關(guān)單位臨床實驗，是一種能探測人體深部組織腫瘤的有效的新型診斷儀器。
文檔編號A61B10/00GK1046274SQ89102298
公開日1990年10月24日 申請日期1989年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月14日
發(fā)明者向勛賢, 樊文泉 申請人:華中理工大學(xué)