通过微波成像进行急性脑卒中的诊断技术具有无电离辐射、速度快、体积小和成本低的优点，有望成为CT与MRI技术的辅助或替代手段。在微波成像系统中，天线作为信号的发射与接收装置，对成像系统的性能有重要影响。目前用于脑卒中成像系统的天线种类多、性能各异，但对天线性能缺乏明确的评价标准。主要介绍了多个成像系统采用的天线，从天线带宽、近场传输角度分析了各种天线的优缺点，总结了成像系统对天线的共性设计要求，比较了各种类型成像系统的性能指标，指出了微波成像系统天线技术的发展趋势，为基于微波成像的脑卒中诊断研究提供借鉴。
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脑卒中具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点[1,2]，其分为出血性卒中和缺血性卒中，2类卒中症状相似但临床治疗手段却互斥[2,3]，早期快速诊断并给予及时干预，将极大提高治愈率并改善预后。依照中国卒中学会的临床指导准则，卒中后4.5 h内为接受溶栓治疗的黄金时期[4,5]，但当前由于交通运输等原因，大量患者抵达医院时已错过了溶栓黄金时期[6]。目前尚无有效的脑卒中诊断生物标志物[7,8]，临床上多采用CT与MRI帮助诊断，但CT具有射线辐射，且这2种设备体积较大、价格昂贵，一般只部署在规模较大医院，无法用于急救现场或偏远农村。
基于微波的成像系统可以很好地弥补上述缺陷，做到相对较低的成本、紧凑便携的系统构成，使得在救护车或急救现场的应用成为可能[9,10,11,12]。在某些情况下，患者在到达医院之前就接受治疗，这对于脑卒中的急救有重要意义。目前，脑卒中微波成像技术受到了国内外学者的广泛关注，多种形式的微波成像系统被设计，但由于成像分辨率尚未达到临床要求，这些成像系统多处于实验研究阶段[13,14,15,16,17,18,19]。采用明胶、淀粉和甘油等模拟脑部出血实验，区分出了直径30 mm的模拟出血[15]。采用硅橡胶和氧化铝制作头骨模型，并用水与甘油的混合物模拟颅内组织，并识别出了9.4 cm3的血块大小[16]。在物理模拟实验中识别出了半径12.5 mm的中风区域[17]。已经开发出相对较为完善的检测装置，在物理实验中能够区分对比度相对10%的不均匀性，3种疾病（缺血性卒中发作、核心梗死+缺血半暗带、核心梗死+缺血半暗带+水肿）的成像图片区别明显，并明确指出通过微波成像能区分中风类型[14,18]。采用人体头部进行微波成像实验，基于多种重建算法的融合，能够描绘出头部轮廓，并对头部组织的介电常数反推误差小于3%，分辨率达到2~4 mm，在临床实验中实现了脑出血与脑缺血的分类，但该报告中，并没有进一步阐述该实验的灵敏性与特异性[13,19]。
天线作为信号的发射与接收装置，对整个成像系统的性能有重要影响。这些系统采用的天线形式各不相同，天线体积、工作频带和近场分布也不一致，究竟哪种天线更有利于成像系统性能的提高尚无明确结论。本文介绍多个微波成像系统的天线设计，根据天线大小、工作带宽等技术指标分析各种天线的优缺点，总结了成像系统对天线的共性设计要求，指出了微波成像系统天线技术的发展趋势，为基于微波成像的脑卒中诊断研究提供借鉴。
微波近场成像系统如图1所示，系统由天线阵列、多端口矢量网络分析仪和计算机3部分组成。天线负责信号的收发，多端口矢量网络分析仪负责任意2个天线之间信号的检测，计算机负责信号控制与处理。天线围绕头部均匀分布，由于颅内各种组织的介电特性（相对介电常数与电导率）不同，电磁波进入颅内被脑组织散射，通过天线之间散射参数反推头部组织结构。脑卒中发生时，病变部位的介电特性发生改变[20,21]，散射电磁波的幅度与相位也发生改变，因此成像结果可以反映病变。
微波近场成像方法主要分为层析成像与共焦成像2类。层析成像利用散射信号重建目标的电磁参数（相对介电常数和电导率）分布，需要求解非线性病态逆问题[22,23]，算法复杂，计算量大，有的计算时间达"小时"量级，还有可能陷入局部最优解陷阱，层析成像虽然需要大量收发天线，但对天线的带宽要求较低，普通振子天线即可满足要求[24]。共焦成像算法采集到频域散射信号之后，通过傅里叶变换至时域，然后再进行时间延迟求和，从而得到目标区域介质对比的能量分布图[25]。与层析成像相比，共焦成像所需天线数量更少，但对天线带宽提出了更高要求，并且信号的频域带宽越大，时域脉冲越窄，最终成像效果越好。
无论哪种成像算法，想要取得好的成像质量，必须尽可能多的将电磁波传输进颅内，这样携带病变信息的散射电磁波才能更容易被检测到[26]。这取决于2个方面：一是天线的工作频率。一般工作频率越低，波长越大，电磁波的穿透性越好，但天线体积随之增大。二是由于表皮组织与空气的介电特性差别较大，在分界面处存在空气间隙，会产生较大反射。颅内病变组织的反射信号相对较小，通常淹没在表皮组织的反射信号中，这会导致越靠近脑部中心，成像质量越差。因此天线系统设计的重要工作之一就是减小表皮反射信号。通常采用在天线和头皮之间加载一层匹配介质[9,27]，这种介质一般是凝胶态物质，可以很好填充空气间隙，同时匹配介质相对介电常数与头部组织接近，减小电磁波反射。
微波共焦成像天线的带宽越大越好，因此一些超宽带天线进入研究者视野。其中，平面对数周期天线[28,29]与Vivaldi天线[30,31]被用于成像实验，这类天线带宽能够达到8∶1倍频程，设计方法也比较成熟，采用印刷版技术制作可以保证天线一致性与低成本，同时低剖面有利于多天线集成（图2）。这类天线的带宽取决于径向尺寸，而径向尺寸不受限制，因此这类成像系统可以比较自由选择工作频带。为了减小表皮反射信号，通常需要在天线与头皮之间增加匹配介质，而这类天线的辐射中心分布于整个径向轴上，因此无法使用匹配介质，头皮反射信号无法通过硬件系统消除。
spliter—隔离器；coupler—耦合器；limeSDR—软件无线电平台；switching network—交换网络；phantom—模型；antenna array—天线阵列
如图3所示，基于对数周期天线的成像系统进行了物理成像实验：背景容器中充满甘油-水（60∶40）的混合物模拟正常脑组织，而目标容器中采用甘油-水（40∶60）的混合物模拟脑出血，目标容器内部直径为15 mm，2种混合物的介电特性在工作频段有25%~30%的差异，成像系统能区分出距离10 cm的2处目标[28]。
为了实现与匹配介质的几何形状良好配合，部分学者选择采用小型化微带贴片天线[32,33]。传统意义上微带贴片天线的尺寸和带宽是不满足要求的，必须采用小型化技术与宽带化技术来扩展天线性能。如图4所示，Alqadami等[32]采用短路针加载与缝隙加载技术大大缩小了天线的体积，并展宽天线带宽。如图5所示，在28 mm×26 mm的尺寸内做到了0.6~2.5 GHz的工作带宽，同时采用了1个3 mm厚的介质匹配层，介质匹配层由水、甘油、明胶和氧化铝组成，相对介电常数达到50，有效减小了头皮电磁反射。这个天线采用硅橡胶介质基板，因此天线可以在一定程度上（最大45°）弯曲，并且在弯曲后保持了天线性能的稳定。但相比于超宽带天线，这种天线的带宽仍然不足，并且在工作带宽范围内的反射系数勉强达到−10 dB的要求，这2个缺点可能会导致成像质量的下降。
如图6所示，Alqadami等[32]采用半径13 mm的充满水的圆管模拟出血，在16个天线与极坐标灵敏度编码图像处理算法的作用下，可通过微波成像识别出不同位置脑出血。数据扫描与收集时间1.9 s，可以实现实时成像。
偶极子天线是最常见、最简单的一种天线，基于偶极子天线进行变形、改进，以实现系统要求的例子非常多[34,35]。如图7所示，Mobashsher等[34]采用槽加载折叠偶极子天线来实现成像系统。为了实现紧凑的天线结构，天线向侧面与背面延伸，由平面天线变形成立体天线。其中顶面是天线的主辐射单元，背面由2块垂直铜板连接，形成环形结构，充当主辐射单元的寄生结构，展宽天线带宽的同时减小背面辐射。侧面延伸部分可以减小顶面与背面的耦合效应，进一步改善天线带宽。在80 mm×10 mm×10 mm的空间内，做到1.0~2.4 GHz的工作频带，有利于天线集成。同样的，这种天线用于微波成像时也需要覆盖匹配介质。
如图8所示，Mobashsher等[34]基于上述天线构建了16天线成像阵列，虽然图中展示的是真实人体，但文献目前只进行了物理模型试验，采用3D打印模型构建头部外壳，采取甘油和水等模拟人体组织和出血，对头部假体内3个不同位置（右浅、左深和后深）的2 cm×2 cm×0.5 cm的脑出血目标进行成像，分析系统的检测能力，成像结果均能准确揭示出血位置。
signal post-processing unit—信号处理单元；microwave transceiver—微波收发器；switching network—交换网络
如图9所示，采用变形偶极子天线构建成像系统，为了展宽频带缩小体积，不仅采用短路针加载技术，天线辐射单元的形状也变得更为激进，大面积的镂空与弯曲结构极大地延长了电流的传输路径，从而达到减小天线面积的目的。在不同频段分别作为电偶极子和磁偶极子工作，电偶极子是由2个多缝辐射元件产生的，而磁偶极子是在低频段通过短路引脚实现的，磁偶极子和电偶极子共同形成一个紧凑的偶极子。这个偶极子天线最大特点是采用了高介电常数（εr＝13）柔性基板与薄金属接地面，因此从天线形式上也可以将其定义成微带贴片天线。高介电常数柔性基板在缩小天线体积同时，天线也可以一定程度弯曲，从而可以与头部更加贴合，天线尺寸为25 mm×28 mm×5.6 mm。值得注意的是，该天线在设计时，并不是基于自由空间，而是考虑直接向头部组织辐射电磁波，因此用于头部仿真实验时，并未在天线与头部之间加装匹配介质，天线反射参数也取得了较好结果，实测的S11反射系数−7 dB，工作带宽覆盖1.0~4.3 GHz频段[36]。
这类天线基于偶极子天线变形而来，偶极子天线在H面是全向辐射，虽然上述天线通过加入接地面，抑制了背面辐射，但天线的侧面辐射会引起较大的天线互耦，这对成像质量有负面影响。如图10所示，Alqadami等[36]进行物理实验，采用不同比例的甘油与水的混合物模拟健康脑组织与脑出血，其中脑出血填充在直径21 mm的圆柱体内，成像结果表明天线阵列能够检测和定位头部不同位置的出血。深部目标（头部中心）的重建图像表明，电磁波穿透深度能够达到头部中心。
传统加脊喇叭天线的带宽能够达到10∶1倍频程，满足成像系统要求，但是喇叭口径通常超过最低工作频率的半波长，如此大的截面无法做到多天线集成。如图11所示，采用高介电常数凝胶介质填充喇叭内部，使得天线做到了小型化[19,37,38]，其中Al-Saffar等[19]采用凝胶的相对介电常数εr为45.5，Rashid等[37]采用的εr为50。介质内波长是真空波长的1/
，上述高介电常数填充使得喇叭天线的口径减小到约1/7。对于最低工作频率1 GHz的喇叭天线，原口径约为198 mm[39]，介质填充后，口径可减小到28.3 mm，这个截面尺寸已经可以进行多天线的集成。
高介电常数介质填充带来的另一个好处为天线的辐射波阻抗与头部电磁波的传输波阻抗更加接近，可以实现更加平稳的过渡，减小头皮反射。如图12所示，目前所公布的微波共焦成像实验系统中，正是采用了这种天线形式的成像系统，用于真实人体头部的成像实验效果较好，分辨率达2~4 mm，在临床上实现了一名63岁缺血性脑卒中患者与一名51岁出血性卒中患者的微波成像，并通过信号处理，将出血性中风用红色编码进行分类，而缺血性中风用蓝色编码，并将其覆盖在灰度介电常数图上[13]。
这种天线具有小型宽带的特点[40,41]，Khajavi等[41]采用印刷曲折蝴蝶结天线进行脑部成像，曲折结构进一步延展了天线长度，从而实现了天线的小型化。蝴蝶结的金属形状可以拓宽天线的带宽。如图13所示，在18 mm×18 mm的面积上实现了0.5~4.5 GHz的天线带宽。此外，Khajavi等[41]设计此天线时，考虑了头部组织的介电常数对天线的影响，头部组织紧贴天线表面，因此天线的辐射阻抗不再是自由空间辐射阻抗，而是由多层头部组织构成的等效辐射阻抗。这样设计的优点是即使不用匹配介质，天线也能将电磁波传输进头部深处。缺点是一旦天线与头部出现即使很小的缝隙，天线性能就会迅速恶化[42]。
为了实现天线的单向辐射，通常采用金属接地面抑制背向辐射，但这会导致天线的工作频带变窄。Alqadami等[43]采用电磁缝隙结构作为天线的反射面抑制后瓣，实现了低横截面的天线，提高了天线的增益和效率。
表1比较了各种微波成像系统参数与性能，需要注意的是，由于不同文献在物理模型大小、形状、脑组织模拟材料等方面区别较大，所以分辨率的横向比较并不完全科学准确。大部分文献并没有给出分辨率的准确数据，只是给出了实验案例。如部分文献采用圆柱状填充物模拟脑出血，此时分辨率即为圆柱直径，部分文献采用椭球状填充物模拟脑出血，此时分辨率即为椭球尺寸。大部分微波成像系统采用了共焦成像方法，相比于层析成像，这种方法具有成像时间短、算法相对简单的优势，而多频层析成像的分辨率则要更高一些。
基于微波成像的脑卒中检测技术正处于快速发展中，所采用的天线也呈现百花齐放之势，但哪种天线最为合适尚未取得统一结论。总结上述文献，微波成像系统对天线的共性设计要求是：（1）天线带宽较大，并且工作频率尽量低；（2）天线截面较小，易于集成更多天线；（3）减小表皮反射信号。除此以外，为了减小外界干扰，一般采用单向辐射天线。多项研究均采用柔性介质材料制作天线，使天线可以一定程度弯曲，更好贴合头部。但这么做的利弊值得商榷，实际上即使是非柔性天线，只要天线截面做的较小，加载匹配介质后，天线与头部也可以较好贴合。且柔性天线的弊端是采用了柔性材料后，天线的加工精度与一致性反而受到限制。
同时微波成像天线的设计工作目前还相对不完善：（1）天线近场分布规律研究不够完善。传统天线利用天线的远场，微波成像利用天线的近场（甚至是感应场）。近场与远场的分布规律完全不同，如对称振子天线的近场能量最大处在振子两端，而这个方向却是远场能量最小方向。只有部分研究对近场做了仿真研究，给出了近场分布的仿真结果[16,34]。天线近场（感应场）分布随位置变化剧烈，不易进行实测工作，电磁仿真可能是研究近场的唯一手段。近场分布规律对成像系统至关重要，比如希望电磁波经过脑组织后再被其他天线接收，而不是它们之间直接耦合。天线近场分布规律应该成为评价微波成像系统天线性能的一个重要指标。（2）匹配介质的研究不够完善。匹配介质作为天线与头部之间电磁波的传输媒质，其重要性得到了一致公认。大部分研究都采用了匹配介质，但缺少关于匹配介质的介电特性、厚度和物理特性的详细研究，这些参数如何影响电磁波反射需要进一步分析。目前趋势是将匹配介质与天线进行一体化设计，如介质覆盖的微带贴片天线[32]与介质填充的波导喇叭天线[19,37,38]，使天线的辐射阻抗产生变化，接近头部的电磁波传输阻抗，避免介质匹配层对天线反射系数的影响。
基于微波成像的脑卒中诊断技术正处于快速发展中，成像系统的有效性在很大程度上取决于所使用天线的性能。一定程度上，微波成像天线技术的研究相对缓慢，天线形式、带宽和工作频率等多项技术指标还处于试探研究状态，并未达成研究共识。平面对数周期天线具有良好的带宽，但天然不适应匹配介质；小型化微带贴片天线的带宽扩展潜力有限；变形偶极子天线也面临带宽问题，同时天线加工一致性受到考验；介质填充喇叭的工作频带内反射系数整体偏高。同时这些天线近场分布均有待于进一步研究。天线技术正成为微波成像系统的发展瓶颈，同时也为广大研究者提供了广泛的研究机会。
所有作者均声明不存在利益冲突
