滑动导轨辅助微米级开放式同轴探头系统在乳腺癌介电特性分析中的传感体积测量优化研究

本研究通过优化滑动导轨辅助微米级定位系统，首次实现小孔径开放式同轴探头（OECP）传感体积（sensing volume）的精确量化。建立双层介电模型（Teflon/液体），结合生物组织验证（猪肌肉/乳腺癌组织），揭示探头孔径（2.20 mm vs 3.58 mm）与传感深度（0.44–0.98 mm）及半径（0.36–0.99 mm）的线性关系，为乳腺癌异质性组织介电测量（ε*, σ）提供误差控制新策略。

　　

1 引言

电磁诊断技术（如微波成像和射频消融）凭借低成本、微创等优势成为生物医学研究热点。准确获取病变与正常组织的介电特性（ε* = ε′ - jσ/ωε₀）是技术发展的关键基础。开放式同轴探头（OECP）法因宽频带、操作简便成为主流测量手段，但组织异质性导致的测量误差（>10%）和重复性差仍是瓶颈问题。

研究表明，探头有效传感体积（含传感深度d_v和半径d_h）的精确量化可显著降低异质性干扰。现有研究多聚焦大孔径探头（>5 mm），而乳腺癌早期诊断所需的小孔径探头（2.20–3.58 mm）传感特性尚未系统阐明。

2 理论基础

基于传输线理论，OECP通过反射系数（ρ_m）反演组织介电特性（公式1）。采用三参数法校准（短/开路和去离子水负载），验证系统误差<5%（与Debye模型相比）。双层模型设计以Teflon（ε′≈2.1）模拟脂肪组织，乙醇（ε′≈24）、甲醇（ε′≈33）和去离子水（ε′≈78）构建介电梯度，DMSO和糖盐混合液分别模拟猪肌肉（ε′≈45）和乳腺癌组织（ε′≈60）。

3 材料与方法

3.1 测量系统

采用高精度螺旋微米定位台（分辨率0.01 mm）集成数字千分表，相比传统游标卡尺方法精度提升10倍。VNA（Agilent E5063A）在300–1500 MHz以200 MHz间隔采集数据，两种小孔径探头参数见表3。

3.2 传感体积模型

垂直方向：探头固定，Teflon以0.05 mm步长下移，建立探头/液体/Teflon分层结构。水平方向：探头沿导轨移动，测量界面过渡区介电变化。定义传感深度/半径为测量值达液体介电参数90%时的位移。

3.3 生物组织验证

新鲜猪脂肪-肌肉组织和福尔马林固定乳腺癌组织（经伦理审批PJB2024-011-01）作为实测样本，通过四组不同厚度（0.19–1.78 mm）切片验证模型准确性。

4 结果

4.1 液体测量

2.20 mm探头对乙醇/甲醇/水的传感深度分别为0.44/0.50/0.62 mm，半径0.36/0.42/0.63 mm；3.58 mm探头对应值增加70–90%（表5）。频率稳定性分析（ANOVA）显示300–1500 MHz内传感体积无显著变化（p>0.05）。

4.2 组织验证

猪肌肉层厚度0.19 mm时，2.20 mm探头测得ε′=24.84，显著低于3.58 mm探头的23.17（图9）。乳腺癌组织测量显示类似趋势，小孔径探头误差降低15%（图13）。模拟组织（DMSO/糖盐液）与真实组织测量偏差<8%，证实模型有效性。

5 讨论

创新性突破

① 首次建立小孔径探头传感半径标准化协议，填补0.5–1.0 mm微区测量空白；② 揭示介电对比度（Δε′）与传感体积的正相关性，高对比度（水/Teflon，Δε′=76）使传感半径扩大38%；③ 优化装置通过零间隙导轨消除侧向晃动，重复性达±0.05 mm。

临床指导价值

针对乳腺癌异质性特征：

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  低对比度区域（脂肪/基质，Δε′≈25）：建议采用≥3.5 mm探头确保信号穿透

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  高对比度区域（脂肪/肿瘤，Δε′≈55）：2.2 mm探头即可实现精准微区测量

局限性

空气间隙干扰和组织切片厚度控制仍是挑战。未来拟引入压力反馈探头和微米级切片技术提升精度。

6 结论

探头孔径与传感体积呈线性正相关，2.20 mm探头在异质性组织中表现更优。该研究为乳腺癌微波诊断的探头选型提供了量化依据，推动介电测量技术向标准化发展。