半圆形天线阵列中传输通道缩减对微波肌肉损伤成像质量的影响研究

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Microwave Imaging With a Reduced Number of Transmission Channels in a Semi-Circular Antenna Array

本刊推荐：针对运动医学中肌肉损伤诊断需求，研究人员开展了半圆形天线阵列微波成像系统传输通道缩减优化研究。通过系统性地减少最远天线对的传输通道数量（从56路降至36路），结合延迟相乘求和算法（DMAS）重建图像，发现信号杂波比（SCR）仅下降<12%的前提下仍能保持准确定位能力。该研究为开发低成本、便携式肌肉断裂检测仪提供了关键技术支撑。

　　

在运动医学领域，肌肉损伤尤其是腘绳肌群损伤的精准诊断始终是临床面临的重大挑战。传统影像学方法如超声或磁共振成像虽能提供一定诊断信息，但存在设备昂贵、操作复杂、难以在赛场或基层医疗机构实时部署的局限性。更为棘手的是，急性肌肉断裂常伴随深部出血，若不能及时检测可能导致伤势恶化，延长运动员恢复周期。这一临床痛点催生了对新型快速诊断技术的迫切需求。

微波成像技术凭借其非电离辐射、低成本及对软组织 dielectric contrast（介电对比度）的高敏感性，为肌肉损伤检测提供了新思路。然而现有微波成像系统多采用全环形天线阵列，虽能实现全方位信号采集，但存在设备体积大、测量通道多、数据采集时间长等问题。特别当采用软件定义无线电（SDR）或2端口矢量网络分析仪（VNA）等便携设备时，通道切换时间成为制约检测效率的瓶颈。如何在不显著牺牲成像质量的前提下优化天线配置、缩减传输通道，成为推动该技术临床转化的关键科学问题。

针对这一难题，查尔默斯理工大学的Laura Guerrero Orozco团队在《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》发表了创新性研究。他们基于"相邻天线因信号相干性更强、衰减更小而蕴含更丰富成像信息"的科学假设，系统探究了半圆形天线阵列中传输通道数量对肌肉出血区域重建精度的影响规律。该研究通过仿真与实验相结合的方式，首次明确将临床可接受的信号杂波比（SCR）损失阈值与最小通道数量关联，为便携式肌肉损伤检测设备的工程设计提供了定量依据。

关键技术方法

研究采用8天线半圆形阵列（最大56个传输通道）和16天线全环形阵列（240通道）对比仿真，结合实测验证。通过CST Studio Suite 2020.07建立包含肌肉（ε=52.58, σ=1.05 S/m）和血液（ε=60.7, σ=1.5 S/m）phantom（仿体）的电磁模型，使用延迟相乘求和（DMAS）算法进行图像重建。采用四种定量评价指标：定位误差（Δr）、信号杂波比（SCR）、对比度噪声比（CNR）和归一化高宽比（HWR），系统分析通道数量对成像质量的影响。

研究结果

半圆形与全环形天线阵列重建效果对比

通过四种不同尺寸/位置的出血仿体（Case 1-4）对比发现：全环形阵列在形状重建（HWR≈1）和杂波抑制（SCR提高4-8 dB）方面具优势，特别是对圆形出血区域重建更准确。但半圆形阵列仍能实现准确定位（Δr<11 mm），且其重构目标均位于真实出血边界内。对于更大尺寸的水平取向出血仿体（Case 5-6），全环形阵列能更好避免目标区域分裂现象，证实多角度信号采集对复杂形状重建的增益作用。

传输通道数量对成像质量的影响规律

当通道数从56逐步减少至36时，所有评价指标（Δr、HWR、SCR、CNR）均保持稳定（SCR降幅<12%）。但进一步缩减至14通道时，重建质量显著恶化：定位误差增大38%（Case 3）、SCR下降约10 dB、 clutter（杂波）增强导致假性多出血点重建。值得注意的是，较小或较深的出血仿体（Case 3-4）对通道缩减更敏感，印证了深度目标信号衰减加剧的物理特性。

讨论与结论

本研究通过理论分析与实验验证相结合，明确了半圆形微波成像系统的最小通道数阈值：36个传输通道可平衡成像质量与检测效率，其SCR损失控制在临床可接受范围（<12%）。虽然通道缩减会导致目标形状失真（HWR偏离1），但基于肌肉断裂检测的核心需求是出血点定位而非精确形态描绘，该 trade-off（权衡）具有临床可行性。研究同时指出系统动态范围（DR）和信噪比（SNR）是限制通道进一步缩减的关键因素，尤其对深部小尺寸出血检测挑战更大。

该成果的创新性在于突破了传统微波成像追求最大通道数的设计范式，通过通道优化策略显著提升了设备便携性和检测速度。所建立的定量评价体系为后续SDR设备开发提供了直接参数依据，推动微波肌肉损伤检测技术向赛场、基层医疗等场景落地迈出关键一步。未来研究需聚焦复杂组织phantom（如含骨骼模型）验证、多种出血类型（弥漫性/肌间出血）适应性优化等方向，进一步加速该技术的临床转化进程。