Design and Optimization of Microstrip Antenna for Microwave Imaging of Breast Cancers/zh
抽象的
本文介紹了使用發射微波範圍輻射的微帶貼片天線檢測人類乳房癌性腫瘤的方法。利用HFSS軟體分析了針對不同工作頻率設計的幾種貼片天線的模擬結果後，製作了貼片天線。癌症檢測方法主要依賴癌症組織與正常組織之間電學特性的顯著差異。為了驗證製造的天線是否適用於檢測乳癌，我們採用不同的化學配方製備了兩個具有與實際乳房相同電特性的乳房模型，其中只有一個模型含有人工腫瘤。實驗裝置中使用了兩個貼片天線，用於發射和接收輻射。系統最終結果驗證了所提出的乳癌檢測方法的有效性。
了解市場
乳癌影響著許多女性，如果不能完全治愈，後果將是致命的。癌症的早期診斷大大增加了成功治療和康復的機會。大約 50% 的乳癌病例最終會導致死亡，因為癌症的發現通常為時已晚。儘管有一些方法可以檢測乳癌，例如X光乳房X光檢查、MRI和超音波，但這些方法也有一些限制和缺點。
乳癌影響著許多女性，如果不能完全治愈，後果將是致命的。癌症的早期診斷大大增加了成功治療和康復的機會。大約 50% 的乳癌病例最終會導致死亡，因為癌症的發現通常為時已晚。
儘管有一些方法可以檢測乳癌，例如X光乳房X光檢查、MRI和超音波，但這些方法也有一些限制和缺點。
目前癌症檢測方法的限制
- 由於電離輻射暴露，存在誘發癌症的輕微風險。因此，頻繁監測很困難。
- 對於年輕女性來說，這種劑量相關的風險似乎更大。
- 由於軟組織對比度相對較差，X 光乳房 X 光攝影無法檢測到直徑大於 5 毫米的癌症，高達 30%。
專案目標
- 開發一種可以頻繁使用且不會對患者造成任何傷害的設備。
- 實現一種可以檢測更小腫瘤細胞的精確而靈敏的設備。
設計
A. 天線幾何
微帶天線的幾何形狀
模擬天線的尺寸
貼片天線的性能因其實體設計和饋電方式而異。貼片天線有單層和多層之分，在導電板之間具有一個基板材料或多個基板材料。在本專案中，選擇了單層貼片天線類型。設計了 4 個貼片天線，用於在 4 個不同頻率下進行模擬。
成本
天線模擬
利用HFSS軟體對上述4種微帶天線進行設計仿真，並對其性能進行仿真比較。天線的輸入阻抗設計為50Ω。
在這些模擬中，獲得了天線的回波損耗和VSWR特性，以分析天線在每個頻率下的性能。透過分析這些，選擇了最佳頻率來製造微帶天線。圖中顯示了 4 個天線所獲得的回波損耗特性。
模擬天線
329x329像素
324x324像素
351x351像素
349x349像素
為了選擇製造天線的最佳頻率，繪製了最小回波損耗與天線的關係圖。
表格-模擬天線的最小回波損耗分析
| 頻率（GHz） | 回波損耗（dB） |
| 2 | -34 |
| 5 | -19.25 |
| 7.5 | -14.48 |
| 10 | -12.82 |
為了獲得性能更好的天線，回波損耗應盡可能小。如果回波損耗小於 -15dB，則稱天線品質好。因此，決定從 2GHz 和 5 GHz 天線中選擇一個天線，2GHz 天線的回波損耗最小。而且，2 GHz 天線易於製造，因為它的尺寸比 5 GHz 天線稍大。考慮到所有這些事實，最終決定選擇 2 GHz 天線作為性能最佳的天線。因此，選擇 2GHz 天線進行進一步開發。
使用乳房模型進行模擬
確定工作頻率後，我們用天線建模了 3D 乳房結構，並透過模擬獲得了電流密度分佈圖。
當人體暴露於電場、磁場等外界場時，會在體內感應出場和電流。當貼片天線與乳房保持接觸時，也會發生同樣的情況。由此可得到乳房的電流密度分佈圖。我們使用 HFSS 軟體獲得了以下電流分佈圖。
帶有腫瘤的模擬乳腺模型
中心
正常乳房的電流密度分佈與乳房腫瘤的電流密度分佈
當出現腫瘤時，該區域的電流密度會根據圖表增加。這種現象背後的原因是正常組織和腫瘤組織的電導率值不同。與正常乳腺組織相比，腫瘤組織的電導率更高，因此腫瘤表現出更高的電流分佈。這意味著可以使用該貼片天線準確區分正常乳房和患有癌性腫瘤的乳房。為了偵測腫瘤的準確位置，需要改變天線的位置來獲得不同的結果。為了使其更容易，可以使用天線陣列。
天線製作和乳房模型準備
天線製造
天線採用Eagle CAD PCB設計軟體設計。有些幾何值太小，因此小錯誤就可能改變工作頻率。為了避免這個錯誤，PCB 的製造是透過將設計發送到中國來實現的。
組裝天線
天線參數測量
將製作好的天線焊接到微型 A（SMA）連接器上並連接到金屬插頭上。為了驗證天線參數，我們使用了校準的向量網路分析儀 (VNA)。獲得了回波損耗、史密斯圓圖和VSWR特性。
測量回波損耗
表格 - 模擬結果與測量結果的比較
| 模擬 | 測量 | |
| 回波損耗 | -34 分貝 | -36.28 分貝 |
| 駐波比 | 1.04 | 1.033 |
'乳房模型準備
按照化學配方 [7] 製備了兩個乳房模型，其具有與正常乳房和癌性腫瘤相同的電特性。一個模型代表正常乳房，另一個模型代表患有癌症腫瘤的乳房。不同的配方適用於乳房中不同的組織類型。組織類型主要有兩種：低含水量組織（LWCT）和高含水量組織（HWCT）。在這裡我們僅創建了有腫瘤和無腫瘤的 LWCT 乳房模型。
乳房模型修復
實驗設定
為了觀察系統的最終結果，我們使用了由合成訊號產生器和頻譜分析儀組成的實驗裝置。合成訊號產生器用於產生正弦波，頻譜分析儀用於偵測接收訊號。實驗裝置如圖所示。
發射和接收天線均與乳房模型表面保持接觸，以便進行精確測量並避免乳房模型與空氣界面的反射。
以乳房模型進行實驗
發射訊號為2GHz的正弦波，如圖14所示。設計天線的輸入阻抗為50Ω。因此，使用 50 Ω 同軸電纜將兩個天線與頻譜分析儀和訊號產生器連接起來。
頻譜分析儀接收的發射訊號
結果與討論
分析4個天線的模擬結果可以發現，天線的實際諧振頻率與設計工作頻率之間存在差異。背後的原因是天線的邊緣場效應。為了減少這種差異，應減少插入切口的寬度。但這種減少會導致邊緣效應減小，最終導致天線發射的輻射減少。因此，這兩者之間應該有一個折衷。
下圖顯示了在存在正常乳腺模型和存在腫瘤的乳腺的情況下頻譜分析儀捕獲的接收訊號。
存在正常乳房模型時的接收訊號
乳腺腫瘤存在時接收訊號
當含有腫瘤的乳房體模位於兩個天線中心時接收訊號的幅度小於正常乳房體模存在時接收訊號的幅度。分析上述結果時可以觀察到約 0.6 mV 的差異。當天線之間沒有任何東西時，接收到的訊號約為 26mV，而當天線之間有乳房模型時，接收到的訊號會降至 2mV 以下。原因在於幻影造成了更高的衰減。為了獲得更準確的讀數，該實驗應在天線室中進行，以減少背景幹擾。
結論
當考慮模擬結果和製造的天線的測量結果時，它們近似相等。所提出的天線具有-36 dB的非常低的回波損耗，證明了其適用於此應用。對於 1-2.5 GHz 的整個頻率範圍，所提出的天線表現良好。上述結果表明，利用此天線可以準確識別正常乳腺和腫瘤乳腺之間的差異。因此，可以得出結論，所提出的天線非常適合用於利用微波成像進行乳癌檢測的應用。
參考文獻
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ridmakaveendra7@gmail.com