基于部分反射面（PRS）的紧凑型单极开槽天线传感器用于乳腺癌检测的研究

针对传统乳腺癌检测技术如 X 射线乳腺摄影等存在的不足，研究人员开展基于微波辐射的单极天线传感器研究。设计了含 PRS 的天线，经仿真与实验验证，其增益提升，能有效区分健康与恶性组织，为乳腺癌检测提供新方案。

　　乳腺癌作为全球女性 mortality 的重要原因，早期 detection 对提升生存率至关重要。传统检测手段如 X 射线 mammography、超声和 MRI 存在电离辐射、成本高、准确性受限等问题。微波成像（MWI）因成本低、安全性高且适合便携设备，成为极具潜力的替代方案。然而，现有近场天线传感器常面临增益和效率低的挑战，影响肿瘤检测灵敏度。

为解决上述问题，印度 SRM 大学 - AP、印度信息技术学院浦那分校等机构的研究人员开展了相关研究，设计了一种基于部分反射面（Partially Reflective Surface，PRS）的单极开槽天线传感器，旨在提升乳腺癌检测的灵敏度和准确性。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究用到的主要关键技术方法包括：一是天线设计与优化，通过在单极天线边缘蚀刻矩形槽实现小型化，并引入 PRS 提升增益；二是三维（3D）人工女性乳房等效体模的构建与实验，用于评估传感器性能；三是对反射和传输功率变化的分析，以判断肿瘤的存在；四是比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）分析，确保检测的安全性。

天线设计与性能

研究人员设计的单极天线初始工作频率为 2.65 GHz，通过在非辐射边缘蚀刻四对矩形槽，将工作频率调整至 2 GHz，同时实现了 37% 的小型化，尺寸仅为 0.28λ_g×0.42λ_g（λ_g为 2 GHz 时的导波波长）。该开槽单极天线在 1.83–2.17 GHz 频段内具有 20% 的分数带宽，增益为 2.1 dBi。

PRS 对天线性能的提升

PRS 由罗杰斯 TMM13i 材料制成，厚度 3.8 mm。其单元细胞设计为边长 0.22λ_g的方形贴片，边缘蚀刻宽度为 g_u的环。将 4×4 单元细胞阵列放置在天线后方约 0.27λ_g处，使天线增益从 2.15 dBi 提升至 7 dBi，辐射效率高达 95–99%。PRS 通过反射和 redirect 电磁能量，使天线形成单向辐射方向图，提高了前向增益和前后比。

乳房体模实验结果

研究人员使用 CST Microwave Studio 模拟了天线传感器在 3D 异质半球形乳房体模附近的性能。体模包含皮肤、脂肪、纤维腺体和肿瘤四层，各组织在 2 GHz 下的介电特性如相对介电常数（ε_r）、电导率（σ）等有明确参数。实验表明，配备 PRS 的天线传感器在不同距离下，健康组织与含肿瘤组织的 S 参数（S₁₁、S₂₂等）存在显著差异，能有效检测肿瘤的存在。例如，在 2 mm 距离时，健康组织的 S₁₁为 - 38.2 dB，而含肿瘤时为 - 32.5 dB，差异明显。

SAR 安全评估

根据 IEEE C95.1 标准，SAR 需≤1.6 W/kg。单极天线的 SAR 值为 1.21 W/kg，配备 PRS 后升至 1.59 W/kg，但均在安全范围内。使用 50 mW 输入功率时，符合 SAR 安全标准，表明该传感器具有较高的安全性。

研究结论表明，所设计的 PRS 增强单极开槽天线传感器具有紧凑（50×50×18.8 mm³）、高增益、高灵敏度和安全等优点。通过引入 PRS，显著提升了天线的方向性和增益，使其能够有效检测乳房组织中的肿瘤，尤其是深部肿瘤。与传统方法相比，该传感器无需乳房压迫和电离辐射，为乳腺癌的早期无创检测提供了一种便携、高效的解决方案。

尽管该研究取得了 promising results，但仍有进一步研究的空间。未来可致力于开发低成本、便携式的乳腺癌检测系统，深入分析乳房体模各层的功率耗散和能量分布，优化传感器设计以适应不同临床场景。此外，在确保 SAR 合规的前提下，开展临床前试验，进一步验证该传感器的实际应用价值，有望为乳腺癌的早期诊断和治疗提供新的技术支撑。