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电磁检测技术在恶性皮肤组织诊断中的应用研究，提出基于MetaFractal结构的可变电容Vivaldi天线，通过动态调节电容实现±30°波束偏转和频率重配置，显著提升对基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SCC）的灵敏度，BCC与SCC的ΔFOM差异达6倍以上。
Djalal Eddine Bensafieddine | Mahdi Tarek Taihi | Hocine Merah | Saleh Mohsen Chaker | Fatiha Babaghayou | Fatima Djerfaf | Lahcen Merah | Mouloud Bouzouad | Taher Seghier
阿尔及利亚拉古阿特高等师范学院物理系，拉古阿特 03000
摘要
本研究介绍了一种基于可重构MetaFractal辅助Vivaldi天线的无线、非侵入式电磁传感框架，用于高对比度区分恶性皮肤组织。所提出的架构整合了两个耦合的CLL型MetaFractal单元，其中一个嵌入在天线内部，另一个作为基板部署，显著增强了近场限制、场组织耦合和扰动敏感性。通过使用MACOM MA46H070可变电容器二极管实现了连续的频率和幅度重构，能够在C0=0.45–0.7 pF的电容范围内进行精确调谐，并控制双共振模式的激发。在健康皮肤、基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SCC）负载下的全面参数分析显示，健康组织的频谱稳定性极佳，共振漂移最小。相比之下，恶性组织会引起明显的、组织特异性的共振扰动。BCC的频率变化有限，优值（FOM）变化较小，而SCC的频率变化超过-65 MHz，反映了明显的介电对比度差异。值得注意的是，SCC的传感灵敏度超过250 MHz/dB，优值差异（ΔFOM）最大约为0.25，而BCC的ΔFOM低于0.04，从而实现了稳健的电磁指纹识别。此外，通过选择性激活可变电容器实现了动态辐射模式重构，允许±30°的波束转向，提高了针对特定无线传感应用的空间适应性。
引言
全球皮肤癌（尤其是基底细胞癌和鳞状细胞癌）发病率的上升凸显了对先进诊断方法的迫切需求[1][2][3]。早期检测对于改善预后和降低医疗成本至关重要，但传统方法主要依赖于视觉检查和确认性活检，这些方法受到主观性、侵入性和程序延迟的限制。因此，研究越来越多地关注利用健康组织和恶性组织之间固有介电对比度的非侵入式电磁技术，以实现实时区分。
手持式微波传感系统在这方面取得了重要进展[4]。这些系统通过接触探头分析射频与皮肤组织的相互作用，利用病变组织和周围组织之间的介电常数和导电率的差异。校准协议、微型网络分析仪和接触压力控制的结合提高了数据可靠性，临床研究证实了它们能够在指定频率范围内统计区分恶性和良性病变[4][5]。在更高频率下，工作在77 GHz左右的毫米波雷达系统使用紧凑型集成电路和天线阵列实现了亚毫米级分辨率，对早期形态变化具有更高的灵敏度[5]。基于聚合物基底的柔性平面谐振器进一步扩展了这一范式；通过跟踪附近病变引起的共振变化，它们将频率偏差与介电变化相关联，并在伪影研究中展示了毫米级检测能力[6]。
更广泛地说，电磁诊断涵盖了多个空间尺度——从微波反射测量探测整体组成到高Q值谐振器和毫米波系统解析表面特征——这些技术得到了临床验证和先进分析的支持[7][8]。在这一框架下，Vivaldi天线在微波和太赫兹（THz）肿瘤检测方面显示出了巨大的潜力。高介电常数基底上的槽加载设计提供了宽频带（500 MHz–5 GHz）和紧凑的几何形状，模拟与测量结果高度一致[9]，而增强型超材料配置实现了尺寸减小、高增益和优异的阻抗匹配，以及经过验证的基于伪影的肿瘤检测[10]。结合人工神经网络的超表面辅助Vivaldi天线能够基于介电常数和SAR分析进行准确分类[11]，超宽带阵列实现提高了增益稳定性和成像分辨率[12]。在THz频段，基于光子晶体的Vivaldi天线提供了超过120%的带宽（0.5–2 THz）和增强的方向性，相位响应分析对早期皮肤癌检测特别有效[13]。互补的基于超材料的微带传感器和可穿戴微波系统进一步展示了改进的增益、肿瘤大小区分能力和连续的非侵入式监测能力[14][7][15][16]。
因此，电磁传感成为组织表征的强大手段，其中与水分含量和细胞结构相关的介电变化会导致天线反射系数（S11）和共振频率（Δf）的可测量变化。可重构和受超材料启发的天线通过加强近场限制和有效的LC耦合提高了这种敏感性[17][18]。
在这项工作中，提出了一种基于电容加载环（CLL）的MetaFractal单元，并将其无缝集成到Vivaldi天线架构中以增强电磁敏感性。MetaFractal单元作为一种工程化的共振嵌入物，有意重塑了局部电流分布，增强了天线结构内的电场限制。从物理角度来看，CLL配置增强了有效的电感-电容（LC）耦合，从而增加了共振区域内的能量存储，并放大了天线对周围介电环境微妙扰动的响应能力。当生物组织靠近天线时，介电常数的变化会修改MetaFractal单元内存储的电能和磁能，产生与组织类型强相关的可测量共振变化。
本研究的一个核心创新是引入了MACOM MA46H070可变电容器二极管，以实现连续的频率重构。该可变电容器作为电压控制电容器，其结电容随着施加的反向偏置电压的变化而变化，这是由于p-n结耗尽区域宽度的调制。当集成到增强型MetaFractal Vivaldi天线中时，可变电容器动态调整共振结构的有效电容，允许控制和可逆地调谐共振频率。
这种重构引入了一个自适应传感维度。天线不是依赖于固定的共振频率，而是通过改变可变电容器的电容（在0.45到0.7 pF之间）来主动扫描频率范围。随着共振频率的变化，天线与组织的电磁相互作用也随之演变，揭示了组织特异性的特征，体现在共振频率变化（Δf）和反射系数变化（ΔS11）上。BCC和SCC等恶性组织由于具有不同的介电特性，在局部电磁场中引起不同的扰动，从而产生可识别且系统可追踪的频谱响应，这与施加的偏置电压有关。
从传感物理学的角度来看，可变电容器驱动的重构有效地将微小的介电对比度转化为放大且可控的共振频率变化，从而提高了检测灵敏度和选择性。因此，天线作为一个自适应的电磁探针运行，能够通过适当的电容状态最大化健康组织和恶性组织之间的对比度。重要的是，这种功能是在不改变天线物理几何形状的情况下实现的，从而保持了结构简单性，提高了测量的重复性，并降低了整个系统的复杂性。
通过将受超材料启发的场限制与电压控制的可调谐性协同整合，所提出的架构不仅将可变电容器辅助的电磁重构视为一种调谐机制，而且作为一种基本的传感范式。这种方法加深了对组织-天线电磁相互作用的理解，并促进了高灵敏度生物医学诊断系统的进步。
提出的MetaFractal单元的电磁特性
单元配置如图1所示。它由一个圆形加载环（CLL）超材料元件组成，该元件采用了分形几何结构，以下简称MetaFractal单元（MFC）。该结构制造在FR4环氧介电基底上，其相对介电常数为εr=4.4，损耗 tangent为0.02。选择这种特定的单元拓扑结构是因为其具有高电磁灵敏度和明确的共振响应。
MetaFractal Vivaldi天线的设计与制造
在本节中，我们介绍了专为恶性皮肤组织（皮肤癌）检测应用设计的Metafractal Vivaldi天线的设计、制造和特性分析。所提出的天线具有65 × 35 × 1.5 mm的紧凑物理尺寸，设计工作在3.5 GHz的共振频率，该频率非常适合生物医学传感和近场组织探测。天线制造在FR4介电基底上，而辐射部分
基于MetaFractal单元的可重构Vivaldi天线
为了实现连续的电学重构，在天线两个辐射臂的末端对称集成两个相同的可变电容器二极管。所选调谐元件是MA46H070可变电容器二极管，其反向击穿电压为20 V，最大电流为50 mA，电容调谐范围为0.3 pF至0.7 pF[19]，使其特别适合高频重构
恶性皮肤组织的介电色散和损耗机制
使用Cole–Cole介电松弛模型（方程（1）系统地提取了人类皮肤组织的复杂介电特性，包括非恶性基底组织（称为正常BCC）、非恶性鳞状上皮组织（称为正常SCC）、恶性基底细胞癌（恶性BCC）、恶性鳞状细胞癌（恶性SCC）和湿润（健康）皮肤[20]。选定的模型参数和色散特性已确定
非侵入式识别癌性皮肤组织
本节通过全波电磁模拟介绍了皮肤组织的检测和分类，特别强调了所提出的Metafractal Vivaldi天线的区分性能。该研究旨在通过分析它们的独特介电特征来区分健康皮肤和恶性组织，特别是基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SCC）。
伪影表征的实验方案
使用严格控制的基于水凝胶的配方制备了模拟皮肤组织的伪影，以模拟1–7 GHz微波感应范围内的电磁行为。制备过程在温度受控条件下进行，将蒸馏水加热至65–70 °C以促进溶解并增强分子分散。随后完全溶解氯化钠（NaCl）以调节离子浓度
结论
本文报告了一种基于MetaFractal单元的可重构Vivaldi天线的设计、实现和实验验证，用于非侵入式电磁区分恶性皮肤组织。该架构整合了两个耦合的CLL型MetaFractal单元，一个嵌入在天线结构内部，另一个作为基板部署，以增强近场限制、提高介电灵敏度并实现频率重构。连续可调谐性
CRediT作者贡献声明
Djalal Eddine Bensafieddine：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Mahdi Tarek Taihi：资源、数据管理、概念化。Hocine Merah：软件、资源、调查。Saleh Mohsen Chaker：软件、正式分析。Fatiha Babaghayou：软件、资源、概念化。Fatima Djerfaf：监督、软件、调查。Lahcen
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
