基于毫米波表面等离激元传输线的皮肤癌检测技术
发布时间：2020-12-13 19:38
近年来,皮肤癌的发病率和死亡率都呈现正增长趋势,被认为是世界上最普遍的癌症类型,使得人类生命健康受到严重威胁。在早期检测出皮肤癌并及时采取治疗能够大大提高皮肤癌的治愈率,因此早期皮肤癌检测技术是关键。皮肤癌检测手段主要包括皮肤镜像诊断、物理检测技术和微波检测技术。皮肤镜像诊断准确性低且复杂性高,物理检测技术价格昂贵且其检测过程中的辐射会对人体伤害。因此,前两者并不能满足早期皮肤癌检测的要求。目前,许多微波检测技术主要是使用毫米波探头对皮肤癌进行检测。正常皮肤组织和皮肤癌具有不同的含水量,进而在介电特性上会存在差异。毫米波照射对不同介电特性的皮肤组织会产生不同的反射,因此可以用于皮肤癌的检测。但是,这种毫米波探头单次只能检测小部分的区域,对大面积的皮肤检测需要进行多次扫描,会耗费较长的时间。因此,本文提出一种基于毫米波表面等离激元(SPP)传输线的皮肤癌检测技术,可以实现实时高效、安全无损的皮肤癌检测。同时,结合近场感知成像技术,不但可以检测皮肤癌位置,还可以对皮肤癌的形状大小进行二维的成像。本文主要研究内容如下:本文对生物组织的介电特性进行解释,并介绍几种生物组织介电特性的计算模型。正...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见类型的皮肤癌[6]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-技术由于其无损伤、方便和快捷等优点，逐渐地引起了人们的关注。1979年，Gautherie等人[26]分别使用了30GHz和68GHz两种毫米波扫描仪对14个乳腺癌患者进行了热像图研究。结果显示，红外热像图与热图像存在很小的相关性，表明了毫米波的深度感知能力。自此，开启了人们利用毫米波进行乳腺癌检测研究的大门。Chao等人[27]通用高功率的后向波振荡器激励产生毫米波准光谱学，再利用不同组织的透射光谱和介电常数值生成清晰的三维组织结构图，这样在重建的图像中便可以很容易地检测到组织中的肿瘤。几种典型的毫米波检测技术的原理图如图1-2所示[28]，毫米波检测乳腺癌进一步肯定了毫米波等高频电磁辐射波对人体组织检测的可能性。图1-2几种毫米波组织传感检测技术的原理图[28]但乳腺癌和皮肤癌之间存在着根本的区别，在使用微波检测皮肤癌的方法之前需要考虑这些区别。皮肤介电特性与水、钠、蛋白质含量等参数直接相关，这些参数在正常皮肤和癌变皮肤之间存在差异，特别是皮肤组织的水含量，这种水含量的差异在微波测量中很容易检测到。在微波频率下，正常皮肤的介电特性可以通过测量其反射特性来区别于癌变皮肤的介电特性。微波反射(S11)测量已被发现能够区分癌症组织[29]，包括皮肤癌[21]。在文献[30]中，Chand等人用一种开放式同轴探头来区分不同性质的皮肤，证明了传统的开放式波导探头测量皮肤的概念。但对于早期皮肤癌的检测这种尺寸较小的癌变组织区域，
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-化，这也称之为生物组织的色散特性。如图2-1所示，随着频率的升高，电导率呈现递增的趋势，介电常数则是随之呈现递减的趋势。在10Hz到100GHz的频谱中有三种主要的色散区域:（1）色散：频率一般小于千赫兹，通常认为是细胞膜的离子扩散作用的影响，呈现出高电导率和低介电常数。（2）色散：在数十万赫兹频段的区域，该区域的电导率和介电常数相比于色散区域分别出现升高和降低。主要是由于细胞膜的极化作用，起到了阻碍离子在细胞内外介质之间流动的作用，其他贡献来自蛋白质和其他有机大分子的极化。（3）色散：在千兆赫兹频段的区域，生物组织介电常数和电导率是由自由水分子极化所产生的色散特性所决定的。其中，毫米波属于色散区域，可以利用毫米波检测皮肤内部自由水的情况来确定皮肤介电常数。图2-1生物组织介电特性的频率依赖性的典型例子2.2.2介电特性的计算早在20世纪初，研究人员便描述了一些能够在宽波长范围内测定动物组织介电特性的实验。测量介电特性的方法可以依据激励源分为三种：频域法、时域法和波谱法（色散傅立叶变换波谱法）[44]。比起时域法，频域法适用于微波和射频范围，而对于亚毫米波范围，更多选择波谱法进行测量。在射频波
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于组稀疏表示的压缩感知核磁共振成像算法[J]. 王宇,张乐毅,郝耀军. 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版). 2017(01)
硕士论文
[1]基于压缩感知的近场微波成像系统的设计[D]. 马定妃.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于表面等离子体激元的微波/毫米波生物传感器[D]. 张宝.电子科技大学 2018
[3]生物组织介电特性测量及模拟材料研究[D]. 冯健.南方医科大学 2015
[4]毫米波检测皮肤癌的技术研究[D]. 李庆云.西安电子科技大学 2014
本文编号：2915070
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见类型的皮肤癌[6]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-技术由于其无损伤、方便和快捷等优点，逐渐地引起了人们的关注。1979年，Gautherie等人[26]分别使用了30GHz和68GHz两种毫米波扫描仪对14个乳腺癌患者进行了热像图研究。结果显示，红外热像图与热图像存在很小的相关性，表明了毫米波的深度感知能力。自此，开启了人们利用毫米波进行乳腺癌检测研究的大门。Chao等人[27]通用高功率的后向波振荡器激励产生毫米波准光谱学，再利用不同组织的透射光谱和介电常数值生成清晰的三维组织结构图，这样在重建的图像中便可以很容易地检测到组织中的肿瘤。几种典型的毫米波检测技术的原理图如图1-2所示[28]，毫米波检测乳腺癌进一步肯定了毫米波等高频电磁辐射波对人体组织检测的可能性。图1-2几种毫米波组织传感检测技术的原理图[28]但乳腺癌和皮肤癌之间存在着根本的区别，在使用微波检测皮肤癌的方法之前需要考虑这些区别。皮肤介电特性与水、钠、蛋白质含量等参数直接相关，这些参数在正常皮肤和癌变皮肤之间存在差异，特别是皮肤组织的水含量，这种水含量的差异在微波测量中很容易检测到。在微波频率下，正常皮肤的介电特性可以通过测量其反射特性来区别于癌变皮肤的介电特性。微波反射(S11)测量已被发现能够区分癌症组织[29]，包括皮肤癌[21]。在文献[30]中，Chand等人用一种开放式同轴探头来区分不同性质的皮肤，证明了传统的开放式波导探头测量皮肤的概念。但对于早期皮肤癌的检测这种尺寸较小的癌变组织区域，
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-化，这也称之为生物组织的色散特性。如图2-1所示，随着频率的升高，电导率呈现递增的趋势，介电常数则是随之呈现递减的趋势。在10Hz到100GHz的频谱中有三种主要的色散区域:（1）色散：频率一般小于千赫兹，通常认为是细胞膜的离子扩散作用的影响，呈现出高电导率和低介电常数。（2）色散：在数十万赫兹频段的区域，该区域的电导率和介电常数相比于色散区域分别出现升高和降低。主要是由于细胞膜的极化作用，起到了阻碍离子在细胞内外介质之间流动的作用，其他贡献来自蛋白质和其他有机大分子的极化。（3）色散：在千兆赫兹频段的区域，生物组织介电常数和电导率是由自由水分子极化所产生的色散特性所决定的。其中，毫米波属于色散区域，可以利用毫米波检测皮肤内部自由水的情况来确定皮肤介电常数。图2-1生物组织介电特性的频率依赖性的典型例子2.2.2介电特性的计算早在20世纪初，研究人员便描述了一些能够在宽波长范围内测定动物组织介电特性的实验。测量介电特性的方法可以依据激励源分为三种：频域法、时域法和波谱法（色散傅立叶变换波谱法）[44]。比起时域法，频域法适用于微波和射频范围，而对于亚毫米波范围，更多选择波谱法进行测量。在射频波
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于组稀疏表示的压缩感知核磁共振成像算法[J]. 王宇,张乐毅,郝耀军. 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版). 2017(01)
硕士论文
[1]基于压缩感知的近场微波成像系统的设计[D]. 马定妃.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于表面等离子体激元的微波/毫米波生物传感器[D]. 张宝.电子科技大学 2018
[3]生物组织介电特性测量及模拟材料研究[D]. 冯健.南方医科大学 2015
[4]毫米波检测皮肤癌的技术研究[D]. 李庆云.西安电子科技大学 2014
本文编号：2915070
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