《Computers and Electrical Engineering》：Early detection of breast cancer using UWB microstrip textile patch antenna
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超宽带微带贴片天线设计用于早期乳腺癌检测，在牛仔布和棉布基材上集成环形裂环结构和缺陷地平面（DGS），优化E形接地结构提升反射系数至-31.876 dB和增益4.119 dB，实现非侵入式连续监测。
Somanath Kisan Chikane | Balasaheb Hanumantrao Patil
电子与电信工程系，SVPM工程学院Malegoan（Bk），Baramati，SPPU Pune 413115，印度
摘要
乳腺癌是全球女性死亡的主要原因之一，其特征是乳腺组织异常增生，并会经历多个发展阶段。随着病情的进展，治疗选择变得更加有限，生存几率大幅下降。传统的天线（如喇叭天线、偶极子和单极子天线）存在一些局限性，例如灵活性差、带宽窄、与人体贴合度有限以及性能下降。当这些天线靠近人体组织使用时，其用于生物医学应用的效果也会受到限制。为了解决这些问题，本研究提出了一种新型的圆形微带纺织贴片天线，该天线采用分环结构，适用于乳腺癌的早期检测。在基底下方设计了一个圆形微贴片天线，在贴片上方设计了分环结构，以提高天线对乳腺组织介电特性变化的敏感度。通过在圆形贴片下方引入缺陷接地结构（DGS），天线性能和辐射特性得到了改善。接地平面也采用了E形接地系统。所提出的天线在24毫米×24毫米×1毫米和24毫米×24毫米×1.6毫米的尺寸下，适用于3.1 GHz至10.6 GHz的频率范围。在仿真和实际测量结果中，该天线均表现出良好的性能。本研究采用计算机仿真技术（CST）平台进行测试，评估指标包括反射系数和辐射模式。在牛仔布基底上，该天线的反射系数和增益分别为-20.897 dB和4.119 dB；在棉质基底上，分别为-31.876 dB和3.742 dB。
引言
乳腺癌是全球女性癌症相关死亡的主要原因之一。提高生存率需要早期发现，因为早期发现能显著提高治疗效果[1,2]。尽管乳腺X光摄影、超声波和磁共振成像是常用的乳腺癌筛查方法，但它们存在辐射暴露、价格高昂、使用不便等局限性[3]。因此，人们迫切需要更经济、无创、易于获取且无辐射的检测技术。超宽带（UWB）技术能够在低功耗下生成高分辨率图像，这使其在医学成像领域受到欢迎[4]。UWB技术覆盖广泛的频率范围，其短脉冲特性使其能够以较小的能量损失穿透人体，非常适合软组织成像，如乳腺癌的检测[5]。天线是UWB系统中的关键组件，必须具备轻量化、可穿戴性和与人体贴合性好等特性。此外，天线还需要最大化带宽、增益和辐射效率[6,7]。在基底最底层设计了一个圆形微带贴片。
微带贴片天线（MPA）的基底由一层薄介电材料构成，天线通过蚀刻或打印方式制造在基底上，由介电基底和位于接地平面上的金属贴片组成[8,9]。UWB系统的特点包括结构简单、体积小以及便于与其他系统集成[10]。在5 GHz频率下，MPA被广泛应用于雷达系统[11]、医疗应用和无线通信系统[12,13]等场景。这些天线具有舒适度高、适应性强和能够实时采集数据的优势，使得患者在进行定期扫描时不会感到不适。近年来，柔性可穿戴电子产品的快速发展使得基于纺织的天线能够实现实时检测和持续监测[14]。由于柔软、灵活且重量轻，这类天线非常适合用于乳腺癌筛查[15]。
鉴于纺织基底的舒适性和灵活性，它们越来越成为可穿戴生物医学天线的首选材料。由于人体会产生大量电磁波（包括压力和热量），因此可穿戴天线需要具备较高的性能。MPA的小巧尺寸和易于植入人体的特性使其成为可穿戴设备的理想选择。通过特定吸收率（SAR）评估了天线的生物相容性[16]。天线设计是任何检测系统中最具挑战性的环节。研究人员采用了多种天线类型和技术来探测肿瘤。某些分形天线虽然调谐难度低，但佩戴时不够舒适且带宽有限[17]。一些研究者开发了在方形贴片上带有矩形或切口的分形极化天线[18]。可以通过缩短引脚长度、添加高介电常数材料、延长谐振器长度或采用反应性负载等方法减小天线尺寸。参数扫描技术可用于优化宽带设计。结合UWB技术和纺织基天线是实现早期乳腺癌检测的一种可行方法[19]。纺织天线因其柔软、灵活和轻便的特性，非常适合长期使用[20]。然而，开发兼具优异性能的UWB天线与柔性材料相结合较为困难。本研究旨在设计一种既灵活又可靠的天线，可集成到日常服装中以实现持续监测。
与其他UWB天线设计相比，微带贴片天线因其结构简单、易于制造且适用于柔性材料而更受欢迎。特别是基于纺织的天线，因其潜在的可穿戴技术应用而备受关注。这类天线可以集成到衣物中，实现实时异常检测。然而，要实现宽带操作、理想的辐射模式以及在人体活动时保持性能稳定，设计难度较大。但从纺织基天线中获得最佳性能仍是一项技术挑战。对于UWB应用而言，天线需在宽频率范围内工作，具有高辐射效率，并且在弯曲、拉伸或物理变形后仍能保持功能。创新的天线设计不仅需要提供优异的电性能，还需具备机械柔韧性和耐用性[6,7]。本研究旨在结合UWB技术和纺织基天线的优势，解决现有乳腺癌筛查技术的不足，提供一种便捷、可靠且无创的早期诊断方法。
微带贴片天线因其设计简单、易于制造且适用于柔性材料而优于其他UWB天线设计。尤其是基于纺织的天线，在可穿戴技术领域具有巨大潜力。为了实现连续实时监测，这类天线可以集成到衣物中，非常适合早期异常检测。然而，要同时满足宽带操作、理想辐射模式以及适应人体运动而不影响性能的要求，设计难度较大。从纺织基UWB天线中获得最佳性能是一项重要的技术挑战。UWB天线需在宽频率范围内工作，具有高辐射效率，并且在弯曲、拉伸或变形后仍能保持功能。因此，需要开发出既具备优异电性能又具有机械柔韧性和耐用性的创新天线设计。本研究的目标是提供一种独特的设计，将UWB技术的优势与纺织基天线的可穿戴性和舒适性相结合，以弥补现有筛查方法的不足。
微带贴片天线因其设计直观、制造方便且适用于柔性材料而受到青睐。特别是基于纺织的天线，在可穿戴技术领域具有广泛应用前景。为了实现持续实时监测，这类天线可以集成到衣物中，非常适合早期异常检测。然而，要实现宽带操作、理想的辐射模式以及在人体活动时保持性能稳定，设计难度较大。从纺织基UWB天线中获得最佳性能是一项重要的技术挑战。基于纺织的天线需要能够在宽频率范围内工作，具有高辐射效率，并在弯曲、拉伸或变形后仍能保持功能。本研究旨在开发一种结合UWB技术和纺织基天线优势的天线设计，以解决现有乳腺癌筛查方法的不足。
本文的其余部分结构如下：第2节介绍相关研究文献；第3节阐述所提出天线的设计方法；第4节介绍天线的仿真和实验分析；第5节总结研究结果。
相关工作
相关研究
本节综述了最近关于带有分环结构的圆形微带纺织贴片天线在乳腺癌早期检测方面的创新技术。
Abdulla等人[21]在2024年提出了一种基于纺织的超宽带（UWB）贴片天线，用于乳腺癌成像。该天线的工作频率范围为2–11.6 GHz，并展示了其在早期乳腺癌检测中的有效性。
提出的方法
早期检测和诊断对于提高治疗效果至关重要。微波成像系统通常具有便携性、经济性和非侵入性。微带贴片天线是微波成像系统的核心组件，负责传输和接收微波信号。根据所用基底材料的不同，它们可分为柔性或非柔性类型。基于纺织材料的柔性MPA逐渐受到关注。
结果与讨论
本研究对所提出的天线设计进行了测量和仿真，评估了反射系数、辐射模式、增益和电压驻波比（VSWR）等性能指标，以评估天线的性能和抗弯曲能力。使用皮肤和乳腺组织模拟了乳腺模型，并通过CST软件进行了仿真。
结论
微波成像技术在乳腺癌检测方面展现出巨大潜力，相比传统方法具有诸多优势。然而，早期乳腺癌检测面临诸多挑战，如高成本、辐射暴露、可用性有限以及检查过程中的不适感。为解决这些问题，需要低侵入性、可持续监测的技术来补充现有的临床检测方法。
作者贡献
Somanath Kisan Chikane：负责审稿与编辑准备、关键内容审查、初稿撰写、方法论设计、软件开发、验证、数据分析及资源整理。
Balasaheb Hanumantrao Patil：数据整理、可视化处理、项目监督、概念构思及初稿撰写。
