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CN112569006B - 一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统 - Google Patents

一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统及其测算方法，包括贴片天线和矢量网络分析仪，所述贴片天线由顶层至底层依次为顶层金属层、介质层、底层金属层，所述贴片天线还具有用于连接SMA连接头的一个输入端口，所述输入端口与矢量网络分析仪通过连接线连接，其中，顶层金属层刻槽有金属贴片。该基基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统结构简单，成本低，可以在不破坏表皮和肌肉组织的情况下透入人体组织，利用矢量网络分析仪并根据微波相位和波长的关系进行对皮瓣厚度的测算。

Description

一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统
技术领域：
本发明涉及微波和射频以及生物医疗仪器设备交叉学科领域，具体讲是一种基于电场相位和波长的关系来测算距离的监测系统及其测算方法。
背景技术：
近年来，射频电路与微波技术正在高速发展，并逐渐渗透到各个民用领域，比如说医疗设备领域。微波技术在医疗诊断等方面发挥着比较重要的作用，大量的微波医疗设备正在医院进行临床应用，同时许多新型的微波医疗设备也正在开发，可以说微波已经渗透到医疗领域的方方面面。
在进行某些腔镜外科手术(如乳腺外科腔镜手术)的过程中，因为需要保留一定厚度的皮瓣以防术后缺血坏死，就需要知道皮下手术刀与表皮之间的距离，但是由于表皮的遮挡，切口距离操作部位太远，肉眼无法直接进行观察和测量。因此，如何确定皮瓣厚度是目前亟待解决的技术问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，成本低的基于电场相位变化和波长之间的关系来获得金属手术刀与皮肤之间距离(皮瓣厚度)的基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，该系统便于手术过程中实时监测。
本发明的技术解决方案是，提供一种基基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，包括贴片天线和矢量网络分析仪，所述贴片天线由顶层至底层依次为顶层金属层、介质层、底层金属层，所述贴片天线还具有用于连接SMA 连接头的一个输入端口，所述输入端口与矢量网络分析仪通过连接线连接，其中，顶层金属层刻槽有金属贴片。
作为优选的技术方案，所述贴片天线为6-10GHz的贴片天线。
作为优选的技术方案，所述介质层为方形PCB板，材料为F4B,介电常数为 2.65，损耗角正切为0.017。
作为优选的技术方案，所述贴片天线为9.8GHz的贴片天线。
本发明还提供一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统的测算方法，包括以下步骤，
步骤一，贴片天线置于已放入金属手术刀片的皮肤的正上方，用相关设备测得天线在时域上的S11参数；
步骤二，电磁波遇到表皮时，会进行一次反射，并被贴片天线接收，S11参数频点处的相位会有一次相应的变化，记录下此时的频点处的相位为
Figure BDA0002832218640000021
步骤三，由于电磁波在遇到表皮时仅会有一部分的电磁波进行反射，另一部分的电磁波透过皮肤，在遇到金属刀片时产生第二次反射，并再次被贴片天线接收，此时的贴片天线的S11参数的相位会再一次拥有相应的变化，记录下此时的S11参数频点处的相位为
Figure BDA0002832218640000022
步骤四，通过上述步骤，确定金属刀片距离顶层脂肪的距离h，
Figure BDA0002832218640000023
其中，
Figure BDA0002832218640000024
n为电磁波在表皮与皮下金属手术刀之间的完整的波长的个数，n可以通过解耦算法计算得出，λg为9.8GHz的电磁波在脂肪中的波长。
作为优选的技术方案，所述相关设备为矢量网络分析仪。
采用以上技术方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过本发明的监测系统，贴片天线的微波可以在不破坏表皮和肌肉组织的情况下无接触地透入人体组织，利用矢量网络分析仪并根据微波相位和波长的关系进行对皮瓣厚度的测算，只要知道具体的相位差就可以比较精确的得到皮下金属(手术刀) 与表皮之间的距离；本发明涉及的监测系统所采用的测算方法比较简单，因此整个系统的架构也比较简单，从而使得成本也会比较低。
附图说明：
图1是本系统中的贴片天线的示意图以及参数标注图。
图2是本系统所用贴片天线在自由空间中无障碍时的S11参数。
图3是本系统所用贴片天线在自由空间中无障碍时的S11参数的相位。
图4是本系统在全波三维电磁仿真软件CST DESIGN ENVIRONMENT环境下进行仿真的示意图。
图5是本系统是在全波三维电磁仿真软件CST DESIGN ENVIRONMENT环境下进行仿真时的y方向的电场强度分布图。
图6是在脂肪最底层放置皮下金属手术刀的示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1-6所示，一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，包括贴片天线和矢量网络分析仪，贴片天线由顶层至底层依次为顶层金属层、介质层、底层金属层，贴片天线还具有用于连接SMA连接头的一个输入端口，输入端口与顶层金属层连接，输入端口与矢量网络分析仪通过同轴电缆连接，其中，顶层金属层刻槽有金属贴片。本实施例中，介质层为方形PCB板，材料为
F4B,介电常数为2.65，损耗角正切为0.017，贴片天线为9.8GHz的贴片天线。
本监测系统的目的主要是手术中实时监测皮瓣厚度(金属手术刀与皮肤之间的距离)，具体的，是一种基于电场相位变化和波长之间的关系来获得皮下金属手术刀与表皮之间距离的监测系统。由于贴片天线所产生的电场在表皮和皮下金属手术刀处的相位差与波长存在一定的关系，从而可以计算出金属手术刀与皮肤表面之间的距离，具体的关系如下：距离
Figure BDA0002832218640000041
其中λg为皮肤内部的波长，
Figure BDA0002832218640000042
为皮肤表面和金属手术刀处的电场相位差。在实际使用过程中，根据S参数的定义可以用S11的相位来代替电场的相位，电场能量遇到表皮时会有一部分能量被反射，另一部分透过皮肤继续向皮肤内部辐射，遇到金属刀片再产生一次反射，两次反射之间的相位差与皮肤内部的电磁场波长存在一定的关系，进而可以得到金属手术刀片与皮肤之间的距离。
由于电场的相位无法直接得到，根据S参数的定义：S参数的相位为输入波的相位与输出波的相位之差，即从理论上来说，S11的相位在一定程度上可以在测量时来替代电场的相位进行距离的计算。
籍此，本发明的一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统的测算方法，包括以下步骤，
步骤一，贴片天线置于已放入金属手术刀片的皮肤的正上方，用矢量网络分析仪测得天线在时域上的S11参数，贴片天线为9.8GHz的贴片天线；
步骤二，在电磁波遇到皮肤表皮时，会进行一次反射，并被贴片天线接收，此时，S11参数频点处的相位会有一次相应的变化，通过矢量网络分析仪记录下此时的频点处的相位为
Figure BDA0002832218640000043
步骤三，由于电磁波在遇到表皮时仅会有一部分的电磁波进行反射，另一部分的电磁波会透过皮肤，在遇到金属刀片时产生第二次反射，并再次被贴片天线所接收，此时的贴片天线的S11参数的相位会再一次发生相应的变化，再次通过矢量网络分析仪记录下此时的S11参数频点处的相位为
Figure BDA0002832218640000044
步骤四，通过上述步骤，最终确定金属刀片距离顶层脂肪的距离h，
Figure BDA0002832218640000051
其中，
Figure BDA0002832218640000052
n为电磁波在表皮与皮下金属手术刀之间的完整的波长的个数，n可以通过解耦算法计算得出，λg为9.8GHz 的电磁波在脂肪中的波长。值得说明的是，由于这是S11的相位，如果不除以2，则所计算出来的距离将会是电磁波发射和接收所经过的路径长度。
为进一步验证本监测系统的可行性和可靠性，将本系统在全波三维电磁仿真软件CST DESIGN ENVIRONMENT环境下进行仿真，具体如图4所示，图中脂肪的厚度设为3mm，介电常数设为5.97，脂肪尺寸为30mm*30mm，表皮的厚度设为 0.5mm，介电常数设为18.51，表皮的尺寸为30mm*30mm，贴片天线置于表皮正上方4.5mm处。进而获取如图5所示的本系统在全波三维电磁仿真软件CST DESIGN ENVIRONMENT环境下进行仿真时的y方向的电场强度分布图，在表皮最上端的电场相位约为65°，到表皮最下端时变为大约40°，经过计算表面皮肤中的波长λg表皮＝7.1mm，由以上公式可以测算出表皮的厚度大约为
Figure BDA0002832218640000053
接近所设定的表皮的厚度。同时，在脂肪最上端的电场相位大约为40°，然后电场相位变为0(360°)，到脂肪最下端时电场相位大约变为325°，即
Figure BDA0002832218640000054
由于这里的
Figure BDA0002832218640000055
是电场相位，不是S11的相位，所以不用除以2，经过计算，脂肪中的波长λg脂肪＝12.53mm，脂肪的厚度
Figure BDA0002832218640000056
同样接近所设定的脂肪厚度。由此可以看出，通过电场相位变化来测算距离的想法是可行的，测得的数据也是可靠的。
另外，本系统中的天线是在全波三维电磁仿真软件CST DESIGN ENVIRONMENT 环境下进行仿真的，相关尺寸通过软件计算得到，如下表所示：
Figure BDA0002832218640000057
Figure BDA0002832218640000061
由此可见，本发明具有以下优点：通过本发明的监测系统，贴片天线的微波可以在不破坏表皮和肌肉组织的情况下透入人体组织，利用矢量网络分析仪并根据微波相位和波长的关系完成对皮瓣厚度的测算，只要知道具体的相位差就可以比较精确的得到皮下金属(手术刀)与表皮之间的距离，进而在手术中获取皮瓣厚度。本发明涉及的监测系统所采用的测算方法比较简单，并且整个系统的架构也比较简单，随之而来的，成本也会比较低，适合推广运用。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，其特征在于：所述监测系统包括贴片天线和矢量网络分析仪，所述贴片天线由上到下依次为顶层金属层、介质层、底层金属层，所述贴片天线还具有用于连接SMA连接头的一个输入端口，所述输入端口与矢量网络分析仪通过连接线连接，其中，顶层金属层刻槽有金属贴片，所述监测系统包括以下步骤，
步骤一，贴片天线平放于已放入金属手术刀片的皮肤的正上方，用相关设备测得天线在时域上的S11参数；
步骤二，电磁波遇到表皮时，进行一次反射，并被贴片天线接收，此时S11参数频点处的相位会有一次相应的变化，记录下此时的频点处的相位为
Figure FDA0003448450770000011
步骤三，一部分电磁波会透过皮肤，在遇到金属刀片时产生第二次反射，并被贴片天线接收，此时S11参数的相位会再一次发生相应的变化，记录下此时的S11参数频点处的相位为
Figure FDA0003448450770000012
步骤四，通过上述步骤，确定金属刀片距离顶层脂肪的距离h，
Figure FDA0003448450770000013
其中，
Figure FDA0003448450770000014
n为电磁波在表皮与皮下金属手术刀之间的完整的波长的个数，λg为贴片天线的电磁波在脂肪中的波长。
2.根据权利要求1所述的基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，其特征在于：所述贴片天线为6-10GHz的贴片天线。
3.根据权利要求2所述的基于微波无接触式的术中实时皮瓣厚度监测系统，其特征在于：所述贴片天线为9.8GHz的贴片天线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI58719C (fi) * 1979-06-01 1981-04-10 Instrumentarium Oy Diagnostiseringsanordning foer broestkancer
AU2003901660A0 (en) * 2003-04-08 2003-05-01 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Microwave based monitoring system and method
CN2857244Y (zh) * 2005-08-03 2007-01-10 深圳国瑞通讯有限公司 一种用于移动卫星通信设备的组合微带贴片天线
GB0620060D0 (en) * 2006-10-10 2006-11-22 Medical Device Innovations Ltd Surgical antenna
CN102280704B (zh) * 2011-05-13 2015-05-20 广东博纬通信科技有限公司 一种宽波束宽度小尺寸的圆极化天线
CN103941261B (zh) * 2014-04-16 2016-06-01 中国极地研究中心 相位敏感式定点测冰系统
WO2015161445A1 (zh) * 2014-04-22 2015-10-29 华为技术有限公司 多极化基片集成波导天线
CN203942006U (zh) * 2014-05-12 2014-11-12 成都振芯科技股份有限公司 一种开槽实现小型化的圆极化微带贴片天线
CN106910980A (zh) * 2017-03-08 2017-06-30 东华大学 一种用于微波检测系统的小型高增益定向宽带天线
CN106959306B (zh) * 2017-05-11 2019-11-12 天津大学 一种利用微波反射时域s21信号进行乳房肿瘤成像的方法
CN109330592A (zh) * 2018-10-19 2019-02-15 天津大学 基于超宽带微波s11参数的血糖浓度检测方法

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