皮肤癌发现得越早，医生就可以更有效地进行治疗。视觉检查法是识别这类肿瘤的常用方法，另一种方法是使用非侵入性工具，例如介电探针。这篇文章，我们将使用 COMSOL Multiphysics 分析用于皮肤癌诊断的介电探针的功能和安全性。
使用介电探针检测皮肤肿瘤
皮肤癌对全球很多人都造成影响，被认为是美国最常见的一种癌症类型。尽管这种疾病很突出，但如果能在早期发现并切除肿瘤，治愈率还是很高的。这类肿瘤可以通过每月自我检查和在专业医疗人员的帮助下识别这类肿瘤。然而，非侵入性皮肤肿瘤检测工具，例如介电探针，正在逐渐替代传统的识别手段。
介电探针能够使用频率为 35GHz 或 95GHz 的毫米波来识别肿瘤。这种毫米波对水分含量具有敏感的反射响应，因此被用作检测皮肤肿瘤的方式。肿瘤与健康皮肤散射参数 或 S 参数 不同，探针通过识别这些异常的 S 参数，可以对肿瘤进行定位。
通过仿真，我们能够评估锥形介电探针的功能，并能确保其作为检测皮肤肿瘤的替代方案的安全性。
快速、高效地模拟介电探针
以一个 2D 轴对称教程模型为例，该模型由一个金属圆形波导、一个锥形 PTFE 介电棒、一块皮肤体模、一个空气域和完美匹配层（PML）组成。
在这个例子中，我们将波导建模为一个完美的电导体（PEC），并假设它的电导率足够高，可以忽略任何损耗。波导的一端终止于一个圆形端口，另一端连接到介电棒上。介电棒要保证波导和空气域之间阻抗匹配，被设计为对称的锥形体，并在波导的边缘通过一个环形结构支撑。介电棒的尖端接触皮肤，整个设备在工作时采用低功率的 35GHz Ka 波段的毫米波。
左：介电探针模型。右：探针与皮肤肿瘤的相互作用。
确保探针设计的功能性和安全性
为了分析探针设计的有效性，我们首先观察圆形波导和没有接触皮肤体模的介电探针的电磁特性。从仿真结果可以看出，探针工作正常。
介电棒产生的电磁波在没接触皮肤的情况下的传播。
接下来，我们在模型中添加两种皮肤：健康的皮肤和包含肿瘤的皮肤。这样我们就可以计算和比较连接不同皮肤时的 S 参数。我们的研究结果表明，健康皮肤的 S11 值为 -9.84dB，而含有肿瘤的皮肤的 S 参数值为 -8.87dB。这表明，当探针接触含肿瘤的皮肤时，会发生更多的反射。我们可以预测这样的结果，因为肿瘤的水分含量高于健康皮肤。
我们在发现 S 参数方法是有效的同时，也希望确保它是安全的。为此，我们研究了皮肤表面上的温度分布，用于寻找坏死（因热而受损）组织的比例。
左：肿瘤皮肤体模的温度变化。右：坏死组织图。
对含肿瘤皮肤的分析表明，在低功率毫米波暴露十分钟后，皮肤温度变化在 0.06°C 以内。 即使在相对较热的地方，温度仍然非常接近 34°C 的初始温度。 有了这些信息，我们就可以假定这个温差对人体没有损伤。此外，仿真结果表明，坏死组织的比例可以忽略不计，说明探针引起的温度的升高对组织的影响可以忽略不计。
下一步
- 下载教程模型： 皮肤癌检测用圆锥形介电探针的建模
- 阅读这篇博客文章，了解仿真在一种癌症治疗中的应用： 肿瘤热疗：用于癌症治疗的热疗
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