（仪器科学与技术专业论文）微波治疗仪电路设计与温度测量研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 肿瘤热疗是利用加热的方法治疗肿瘤，在治疗恶性肿瘤癌症时，通常使 用的放疗或化疗方法并非对所有的癌细胞都能杀灭，p h 值低和营养状态差等细胞， 往往还有存活率，这些细胞常成为放、化疗后复发的根源。热疗正好对这些“漏网” 的癌细胞有特别的杀伤力，因此热疗结合放疗、化疗等疗法治疗肿瘤会有更好的 疗效，这已经在临床得到验证，显示出出人意料的效果。在肿瘤热疗中常用的物 理能量有微波、射频和超声波等，其中，微波加热技术过热问题比较少，适合于 浅表肿瘤热疗，可用于直肠癌的治疗。在本文中，详细论述了肿瘤热疗的细胞和 分子生物学机理和微波加热技术，并介绍了目前广泛应用的其他加热技术。 微波热疗的关键是要将肿瘤组织加热到有效治疗温度以上。如果肿瘤温度在 治疗温度以下，不仅无治疗效果，还可能促进肿瘤的扩散，如果温度过高，又可 能损伤正常组织，因此准确的温度测量技术是微波热疗中的关键技术。在微波热 疗中，影响温度测量结果精确度的主要因素是微波的干扰，金属材料制成的温度 传感器探头在微波场中会产生感应电流，使测量结果不能反映肿瘤组织的真实温 度。在本文中，我们提出了对温度传感器探头进行屏蔽的方法，设计了温度测量 电路，通过抗干扰试验证明，屏蔽方法的效果是明显的，理论上也是可行的。 热疗过程中温度的测量是为了控制肿瘤组织的温度，使肿瘤组织的温度保持 在有效治疗温度范围内。控制肿瘤组织的温度是通过控制微波输出功率和热疗时 间来达到的，实质是对微波治疗仪电源的控制。微波治疗仪中微波由磁控管产生， 通过调节磁控管的工作电压和电流来控制微波的输出以及输出功率的大小。磁控 管必须达到启振电压才能够输出微波，而且，磁控管的输出功率和它的阳极电流 近似成正比关系，因此要求电源输出要达到启振电压，同时要具有输出电压可调 功能。在本文中，选用了微波家电中使用的磁控管作为微波源，并对其进行了改 进，使它的工作电压大大降低，提高了仪器的可靠性、安全性，降低了电源的设 计要求。文中详细论述了应用于磁控管的开关电源设计，并实际设计了开关电源 的主电路以及辅助电路。采用f l y b a c k 拓扑结构，通过调节占空比，调节电源 输出电流和电压，经过试验该电源能够为磁控管提供可调高压，使磁控管输出不 同功率微波。 在本文中，运用o r c a d p s p i c e 仿真软件进行仿真分析，缩短了电路设计时 间，降低了电路设计成本。 关键词：热疗，微波，温度测量，开关电源 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t h y p e r t h e r m i at r e a l a n e n ti sam e t h o df o rt u m o r sb yh e a t i n g i ng e n e r a l ，c a r c i n o m a c e l li sn o ta l ld e a da f t e rr a d i o t h e r a p ya n dc h e m o t h e r a p y , s u c ha st h r e ep h a s e so fm i t o t i c c y c l e ，l o wp hv a l u ea n db a dn u t r i t i o n a ls t a t u sh y p o x i cc e l lb e c a u s eo f i s h e r n i ai nt h e c e n t e ro f t h e t l , l l t i o r s t h e ya r et h ec a u s eo fc a n c e rr e c u r r e n c e i ti se f f e c t i v et ok i l lt h e m b yh y p e r t h e r m i at r e a t m e n t s og o o d r e s u l t sw o u l db eo b t a i n e dt oc o m b i n eh y p e r t h e r m i a t r e a t m e n tw i t hr a d i o t h e r a p yo rc h e m o t h e r a p y t h a th a sb e e np r o v e da n do b t a i n e dg o o d r e s u l t s m i c r o w a v e ，r a d i o f r e q u e n c y , u l t r a s o n i c a r eu s e di n h y p e r t h e r r n i at r e a t m e n t t h e r ea r ef e w p r o b l e m so f o v e r h e a tb ym i c r o w a v e h e a t i n gt e c h n o l o g y i tc a n b ea p p l i e d t of l a t t u m o r ，s u c h a sr e c t u mc a n c e r i nt h i s p a p e r , m e c h a n i s mo fh y p e r t h e r m i a t r e a t m e n ta n dm i c r o w a v e h e a t i n gt e c h n o l o g ya r ei n t e r p r e t e di nd e t a i l ，a n do t h e rh e a t i n g t e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d t h ek e yo fm i c r o w a v eh e a tt h e r a p yi st oh e a tt u m o ra b o v et h et e m p e r a t u r ef o r h y p e r t h e r m i at r e a t m e n t i f t h et e m p e r a t u r e i sl o w e rt u n l o rc e l lm a y b e d i f f u s e ，a n di f t h e t e m p e r a t u r ei sh i g h e rn o r m a lt i s s u em a y b eg e td a m a g e s oi t i si m p o r t a n tt om e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o ft u m o r a c c u r a t e l y b u t t h em i c r o w a v ei n t e r f e r e n c ea f f e c t st h e t e m p e r a t u r em e a s u r ei nt h ep r o c e s so fh p e r t h e r m i at r e a t m e n t t h et e m p e r a t u r es e n s o r m a d eo fm e t a lm a t e r i a lw i l lp r o d u c ei n d u c e dc u r r e n ti nm i c r o w a v ef i e l d ，w h i c hw i l l b r i n g e i t o li nt h i sp a p e r , t h em e t h o dt h a tt h es e n s o ri ss h i e l d e dw i t hm e t a ll a y e r , a n d t e m p e r a t u r em e a s u r i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a t i o np r o v e dt h a tt h em e t h o d w a se f f e c t i v e i ti sf e a s i b l ei nt h e o r y t e m p e r a t u r em e a s u r ei nh y p e r t h e r m i at r e a t m e n ti sf o rc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r e o ft h et u m o r , a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h et u m o rc a nb ek e p tt h a tf o rh y p e r t h e r m i a t r e a t m e n t t h eu s e rc a nc o n t r o li tb yc h a n g i n gt h eo u t p u tp o w e ro fm i c r o w a v ea n dt h e t i m eo f h y p e r t h e r m i at r e a t m e n t t h ee s s e n c ei st oc o n t r o lt h ep o w e r s u p p l y m i c r o w a v e i s p r o d u c e db ym a g n e t r o ni n t h em i c r o w a v eh y p e r t h e r m i aa p p a r a t u s t h eu s e rc a n c o n t r o lt h ep o w e r o u t p u to fm i c r o w a v e m a g n e t r o nd o n tp r o d u c e sm i c r o w a v e u n t i lt h e a n o d ev o l t a g ei n c r e a s e se n o u g h , a n dap o s i t i v er e l a t i o n s h i pe x i s t sb e t w e e nt h ep o w e r o u t p u to fm i c r o w a v ea n dt h ea n o d ec u r r e n to fm a g n e t r o n s ot h ep o w e rs u p p l ym u s t o u t p u te n o u g hv o l t a g e ，a n dt h ev o l t a g ec a nb ec h a n g e d i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o rs e l e c t e d m a g n e t r o nf o rt h eh o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i a n c ea sm i c r o w a v eg e n e r a t o r t h ew o r k i n g i i 重庆人学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 肿瘤在现代社会中已经成为常见病、多发病，严重危害人类的生命和健康。 尤其是恶性肿瘤，人们更是谈之色变”，人们熟知的癌症就是恶性肿瘤，多年来国 内癌症死亡占各类疾病死因的第2 位，近年来每年新发病患者约1 8 0 万，死亡1 4 0 万，而且发病率逐年上升。对于恶性肿瘤，据部分城市统计资料显示，1 9 5 7 年在 引起病人死亡的主要疾病中排在第七位，占死亡总人数的5 1 7 。1 9 6 3 年就跃居 第二位。此后恶性肿瘤一直是疾病死亡原因的前三位，到4 0 年后的1 9 9 6 年，因 恶性肿瘤死亡的人数占到死亡总人数的2 1 6 6 。就是说每5 个死亡病人中就有一 个是死于恶性肿瘤。从年龄上看，3 5 岁以后恶性肿瘤的死亡率就大幅度升高，因 此，恶性肿瘤对社会生产力的破坏是巨大的，面对这一严峻挑战，恶性肿瘤的防 治和研究工作特别受到各国科学家的关注。 表1 1 我国部分城市恶性肿瘤死亡率及死因排位 t a b l e1 1t h e d e a t hr a t eo f m a l i g n a n t t u m o r a n dr a n k s o f d e a d t hr e a t s o ni ns o m e e i t yo f o u rc o u n t r y 注：资料引自中国卫生年鉴 肿瘤并不是那么的可怕，关键是要抓三早，既早期发现、早期诊断、早期治 疗，不仅早期肿瘤，即使中、晚期肿瘤，只要治疗恰当，许多病人也是可以延长 生命的。目前，应用现代科技成果进行正规的合理综合治疗后，癌症者5 年生存 率已经达到5 0 以上。而在我国由于多方面的原因，据统计癌症总的5 年生存率 只有约1 0 ，因此，在国内恶性肿瘤治疗技术的研究工作尤其重要。 治疗肿瘤有多种方法，临床上一般采用多种方法综合治疗肿瘤。热疗近年来 重庆大学硕士学位论文1 绪论 获迅速发展，是用加热的方法治疗肿瘤，在临床上已显示出很好的效果，它相比 肿瘤基因疗法、免疫疗法、生物疗法不只有理论上的基础，而且有着大量的临床 实践及基础工作作为后盾。大量的临床研究表明，热疗合并放疗或化疗的效应有 明显的互补作用，近3 0 年来肿瘤热疗发展的历史，说明这种疗法在肿瘤治疗中具 有巨大的潜力。肿瘤热疗是一种很有发展前途的治疗方法，必将在肿瘤综合治疗 中发挥积极的作用。 本课题是在当前国内外对肿瘤的预防和治疗工作紧迫，以及重庆医科大学附 属医院专家提议下开展的。 1 1 2 课题意义 微波作为肿瘤热疗的一种热源，利用热效应和非热效应杀死肿瘤细胞，是一 种无创伤、无痛苦、无毒副作用、安全有效的新疗法，研制微波治疗仪，能有效 的利用微波治疗肿瘤，它的临床应用，对于提高癌症患者的生存率、延长生存期、 减少病人的痛苦起着很大作用、它给使用单位带来了直接的、可观的、显著的社 会效益和经济效益。 热疗过程中，温度是关键因素，决定着热疗的效果，因此具有温度测量功能 的微波治疗仪才是更完备的，才是真正意义上的热疗仪。而微波治疗仪电路系统 设计的好坏直接影响着治疗仪的功率输出、稳定性、可靠性，决定着治疗仪的整 体性能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 热疗中的温度检测技术 微波热疗就是利用微波辐射对肿瘤组织的热效应杀死肿瘤细胞，在治疗中正 常组织的温度一般不应超过4 4 ，而治疗肿瘤的理想温度是4 3 以上。温度是杀 死肿瘤细胞的关键因素，热疗4 2 以上1 之差可引起细胞存活率成倍变化【1 。所 以在微波热疗中温度的监测和控制起着非常重要的作用，测温要求有较高的精度、 短的响应时间、良好的稳定性和可靠性。目前热疗中采用的测温方法主要有： 热电偶测温：热电偶具有互换性好、性能稳定、价格低廉等特点。但是测 温环境是在微波的近场，热电偶是由金属材料制成，必然受到电磁场的干扰，因 此要采用停机测温的方法，国内用的比较多。 热敏电阻高阻导线测温：该方法可用碳纤维制成非金属导线，再用导电胶 与热敏电阻连接经过一定工艺加工而成，抗电磁干扰。但是，该测温传感器互换 性、稳定性、机械强度差。天津大学设计并应用了该温度传感器【l j 。 重庆大学硕十学位论文1 绪论 光导纤维测温：这种测温方法首先在美国应用于热疗仪，它是利用光学原 理把温度转化成电信号，这是目前较为理想的测温方法，抗电磁干扰、抗腐蚀但 是设备复杂、价格高。 微波无损测温、磁共振成像、超声波测温属于非接触式测温不会产生由于 测温引起病人的痛苦、伤口感染和身体移动引起的测量误差等不利因素。但是设 备比较复杂、昂贵。目前，美国b s d 公司的b s d 2 0 0 3 d m r 热疗系统采用了磁共 振成像。 萤光测温仪：它的基本原理与光导纤维测温仪相似，主要区别是传感器不 同，它是利用一种衡土磷化物化传感的探头，一根很细而化学稳定性好的光纤与 它相接，光纤另端馈入光学系统，该光学系统中有一只高强度的碘化钨紫外光 激发时将放出一种萤光，其萤光的强度与磷化物的温度有直接关系，根据萤光的 强度可得出被测点的准确温度。其能抗高频辐射的干扰；化学稳定性好，抗腐蚀 能力强；体积小，响应灵敏度高；探头不导热，测温精确度高，设备也比较复杂、 昂贵。 无损测温及抗电磁波干扰测温是测温技术的重要研究方向，但在目前较先进 的接触式测温技术和设备仍然占有十分重要的地位。微波治疗仪的电路系统采集 温度信号，控制微波源输出功率，因此治疗仪电路系统的好坏直接影响仪器的整 体性能。 1 2 _ 2 微波治疗仪电路系统 微波治疗仪电路系统主要包括电源电路、m c u 控制电路和其他辅助电路。电 源电路是微波治疗仪的心脏，其质量的好坏直接影响着设备的可靠性。现代电子 设备使用的电源大致有线性电源和开关电源两大类，线性电源主要缺点是变换效 率低、体积大笨重，开关电源变换效率高、体积小、稳压范围宽，在现在所用的 直流稳压电源中，开关电源已占7 0 左右。目前，国内许多厂商已经把开关电源 应用到微波治疗仪中，例如科健医疗电子设备公司的k j 6 2 0 0 多功能微波治疗仪。 成都锦波医疗器械有限责任公司的w b 1 0 0 d 微波多功能治疗机( c e 型) 则采用的 是桥式全波整流电源。开关电源的应用对微波治疗仪的性能有明显的提高。m c u 控制系统比较成熟，已经广泛应用于国内外热疗仪器当中。 1 3 本文研究目的和内容 1 3 1 本文研究目的 设计微波热疗中温度测量方案，在此基础上设计测温电路，对微波源进行改 进，进而设计微波治疗仪电源系统，并通过试验实现所设计方案。 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 - 3 2 本文研究内容 肿瘤热疗机理。 探索热电偶在微波热疗中抗干扰测温技术。设计测温电路和标定。 在理论研究基础上制作改进型温度传感器。 微源( 磁控管) 的改进。 微波源高压电源设计 d 重庆大学硕士学位论文2 肿痛热疗 2 肿瘤热疗 热疗已有长期的历史，最早可追溯到公元前5 0 0 0 年，据说在埃及一位名叫 e d w i ns m i t h 的医生文稿案卷中记载曾用加温治疗过乳腺肿物。但升高体温治疗癌 症的首次论文报道应该是1 8 8 6 年德国医生b u s h 报告1 例经病理证实的面部肉瘤， 因两次感染丹毒，高烧后肿瘤消失，患者存活i 2 i 。1 9 世纪热疗的文献大多出现在德 国，当时加热技术较为简陋，随电的应用逐渐广泛，1 9 世纪末w e s t e r m a r k ( 1 8 9 8 ) 首次使用了射频线圈作辐射器对宫颈癌进行热疗；d e n i e r ( 1 9 3 6 ) 首次使用了微波 ( 3 7 5 m h z ) 进行热疗；二次世界大战后微波技术迅速发展，但直到六十年代s c h w a n ( 1 9 5 9 ) 、l a h m a n 等人相继发表文章介绍用微波透热治疗动物和人体肿瘤情况。 近3 0 年来，随着多学科的介入，人们开始用科学的态度及手段对肿瘤热疗进 行深入研究，作了大量的基础与临床工作，为临床应用奠定了初步的理论基础。 各国学者在肿瘤热疗方面进行了广泛的学术交流。1 9 7 5 年起已召开了七届国际肿 瘤热疗会议，会议代表最多时达7 0 0 余人，涉及3 4 个国家；研究内容及其广泛， 涉及物理、生物、临床三个方面众多课题，我国热疗起始于七十年代末，几乎与 国际热疗热潮同步，发展迅速，到1 9 9 5 年我国已经召开了六次全国肿瘤热疗学术 会议。肿瘤热疗已作为肿瘤治疗的有效手段正被我国医学界所接受。 目前热疗生物学的研究已从人体、试验动物水平进入细胞水平、分子水平的 研究，其结果已为肿瘤临床热疗奠定了可靠的生物学基础；而许多优秀的物理、 工程学家则利用现代高新技术对临床肿瘤的加热方法与技术、测温方法与技术进 行了大量的研究，取得了可观的成绩，并为临床治疗各部位肿瘤提供了各种加热 技术与装置，以满足临床研究的基本条件与要求；临床学者则对热疗的应用，热 疗与其它常规肿瘤治疗方法的配合进行了研究，往往收到出人意料的效果。同时 又对热生物学及加热技术方面提出不少需要解决的问题。 2 1 肿瘤热疗机理 细胞的存活与温度和时间两个重要因素有关，如图2 1 所示为在同一温度，随 时间延长细胞存活曲线口1 。1 9 7 7 年d e w a y 等人的细胞学动物学试验证明【4 】，加热 对细胞有直接的细胞毒性作用，试验发现组织受热升温至4 1 4 5 ( 有效治疗 温度范围) ，并维持数十分钟以上，可以杀灭哺乳动物的癌瘤细胞。这一结论已在 临床肿瘤热疗中得到验证，并已成为临床肿瘤治疗时的一项最基本的生物学量化 依据。而热的细胞毒作用、肿瘤组织血管、微环境结构特点以及肿瘤的生理环境 因素为肿瘤热疗奠定了基本的生物学基础。 重庆人学硕士学位论文 2 肿瘤热疗 h 。a k 图2 1中国仓鼠卵巢细胞以不同温度、不同时间加温后的细胞存活曲线 f i 9 2 1t h e c u r v eo fc e l lc u r v i v a lf o rc h i n ar a ta f t e r h e a t i n go n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt i m e 热疗的细胞和分子生物学机理 加温可以引起细胞生物大分子显著变化。生物大分子靠氢键等的相互连接形 成对外环境的稳定性。4 0 c 4 5 。c 可以诱发蛋白结构的改变，并与p h 的高低有关。 另外，受热后细胞膜的主要成分，磷脂质、脂肪酸、胆固醇、蛋白质等受到影响， 生物膜在常温下多呈液晶态，温度变化可影响膜的相变及流动性。生物膜的各种 主要功能( 能量转换、物质运送、信息传递等) 都与膜的流动性密切相关。高热 可使瘤细胞线粒体膜的流动性改变，致膜上酶复合体及多酶体系的有序性破坏， 酶失去其功能，瘤细胞也随之死亡。g 1 和s 期细胞过热后，膜损伤严重，染色体 发生畸变，后者形成多核巨细胞，分裂后死亡。 高温对r n a 、d n a 和蛋白质合成造成影响，会引起细胞内r n a 和d n a 合 成减弱，核分裂减少，均反应抑制癌细胞繁殖和生长，阻止癌细胞进入分裂期。 细胞受热会出现核固缩、胞浆稀疏、有丝分裂障碍、胞体溶解等变化：血管受 热出现血管扩张、渗透性增加而致组织水肿、缺血、缺氧、出血等变化。s a l e m a n 认为，加热至4 2 5 可使血管内皮细胞和血脑屏障损伤。s h r i v a s t a r 等通过加热鼠脑 实验表明。4 2 。c 1 0 r a i n 或4 4 3 m i n 可使血管阻力增加2 倍。i k e c l a 等研究了狗脑 对射频热疗的急性期反应，发现4 3 4 5 m i n 灰质可出现凝固性坏死，而在白质则 需要6 0 r a i n 。r o b e r t 等在研究了激光间质内热疗对猫脑组织损伤后，将损伤区域描 述为：中心坏死腔、致密凝固带、疏松凝固带、交界带等口 。 高温对细胞生化代谢产生影响。一般认为，高温对癌细胞的杀灭效应在于癌 重庆大学硕士学位论文 细胞内的代谢变化，受热后的组织内p h 降低，从而增强了对癌细胞的热杀伤效应， 可抑制肿瘤细胞对热损伤的修复和产生耐热性。使肿瘤淤血、缺氧，则肿瘤细胞 内呼吸受到抑制。 热疗的生物学合理性 肿瘤组织血管，微循环结构特点以及肿瘤的生理环境因素，构成高温治癌的生 物学基础。肿瘤是新生物，其内血管的生长是由周围正常组织的血管向肿瘤内生 长而逐渐形成的，而神经的生长很缓慢，这样肿瘤内的血管很多是管壁不完整， 无神经支配的状态，由此形成很多的血窦以至不能形成完整的动静脉系统，血流 不通畅。肿瘤的血管结构及微循环与正常组织相比( 如图2 2 3 ) ，肿瘤血管网系统 先天不良，表现为肿瘤血管结构粗糙紊乱，不规则扩张扭曲；毛细血管壁缺乏弹 性，脆弱，易破碎：毛细血管的大量窦状隙平时处于开放状态，温度的升高不能 改善血流；肿瘤增大压迫血管易形成闭塞。因此使肿瘤血流速度缓慢，血流量低， 散热不良，热量聚集，温度往往高于临近组织3 7 、这种温差可使肿瘤处于 杀伤温度时，正常组织温度仍较低而不受损，从而形成高温作用于肿瘤组织的选 择性。 掺掺 图2 2 加热时肿瘤温度为什么高于正常组织温度解释 f i g 2 2t h e e x p l a n a t i o nw h y t h e t e m p e r a t u ro f t u m o r i sh i g h e r t h a nt h en o r m a lt i s s u e a n da f t e rh e a t i n g 2 2 肿瘤热疗加温方法 2 2 1 引言 肿瘤热疗是用加热方法治疗肿瘤，准确的说就是利用各种物理能量作用在人 体组织中而产生热效应，使组织温度上升至有效治疗温度区域，并维持一定的时 间，以达到即杀灭肿瘤细胞又不损伤正常组织的目的的一种治疗方法。肿瘤热疗 箩 一- 蛭 羞 蕾 只 蠹 t 越 血 播 鼙 厂(l 重庆大学硕士学位论文 2 肿瘤热疗 中常用的物理能量有微波、射频和超声波等，其共同特点为都是波动能量。 微波加热技术过热问题比较少，单个辐射器加热浅表部位，低频环形天线辐 射器可加热深部，如果用多元辐射器可扩大治疗面积。但是微波在人体的穿透深 度浅，常常作浅表加热，如乳腺、头颈、肢体以及腔内的直肠、宫颈等部位的加 热，微波对金属的温度传感器产生干扰，还要注意对人体的微波防护。射频加热 设备比较简单，可加热较大体积肿瘤，组织间加温肿瘤长度不受限制，可用于加 热大的浅肿瘤、胸部、四肢等的深部肿瘤，以及组织间大块肿瘤。但是无水冷的 时候脂肪极易过热疼痛，电场分布不易均匀控制，只可用于脂肪薄的部位。用超 声加热脂肪不会过热，测温容易，穿透、指向及聚焦性能好，因此可应用于浅表 或深部肿瘤，但是不能穿透含气空腔，还要注意避免骨疼痛。本课题主要是针对 治疗直肠癌热疗仪，因此选用微波作为加热能源。 2 2 2 微波加热技术 微波通常指频率3 0 0 m h z - - 3 0 g h z 的电磁波，从人体热疗来看，微波热疗低 频端可到l o o m h z ，高频端则达3 0 0 0 0 m h z 。微波在进入不同性质的媒质时要被吸 收和衰减，并在界面处产生折射和反射，微波因此在媒质中不断损失能量，对于 平面电磁波来说，其能量随传播距离成指数函数衰减。热疗中常选用2 4 5 0 m h z 作 浅表肿瘤的治疗，2 4 5 0 m h z 微波在肌肉组织中传播，振幅衰减为原振幅的1 e 时 距离( 物理上称为穿透深度) 约为1 7 c m ，频率越高，穿透深度越小。 微波对肿瘤的作用分为热效应和非热效应，微波照射肿瘤组织，肿瘤内的水 分子在电磁场作用下运动，相互频繁碰撞、摩擦而产生热量，电磁能转化为热能， 使肿瘤组织温度升高。由于肿瘤组织内血管结构紊乱，反应性差，肿瘤组织散热困 难，致肿瘤组织内热量积蓄，温度明显升高，而邻近正常组织由于血循环良好，散 热快，所以升温并不明显。此外，肿瘤组织因缺氧，营养状态低下，p h 值较正常组 织为低，使其更不易于耐受高热。g 1 期和s 期肿瘤细胞受热作用后，激活溶酶体 活性，抑制d n a 、r n a 及蛋白质合成，增加热休克蛋白合成，从而起到杀死肿瘤细 胞的作用。高温使细胞膜通透性改变，引起低分子蛋白外溢，核染色质蛋白含量升 高，产生染色质结构的改变，导致癌细胞的破坏。微波辐射肿瘤组织，肿瘤组织不 升温，仍能抑制肿瘤细胞的分裂增殖，目前认为主要与免疫效应有关，即微波照射 肿瘤刺激宿主免疫调节系统，增强n k 细胞、t 淋巴细胞和巨噬细胞的细胞免疫 力，刺激机体的细胞免疫系统，增强细胞免疫，同时微波辐射可增强体液免疫及红 细胞免疫：或者间接通过增强肿瘤细胞的免疫原性【6 7 ，8 j 微波产生的高热具有以下抗肿瘤特点： 更易杀伤s 期肿瘤细胞，与电离辐射有协同作用。 可杀伤对电离辐射及某些抗癌药不敏感的肿瘤内乏氧细胞。 蘑庆大学硕士学位论文2 肿瘤热疗 对低p h 值的细胞( 见于某些肿瘤) 有更大的杀伤作用。 局部高热可增强宿主抗肿瘤免疫。 2 2 3 微波辐射器 微波加热是通过辐射器实现的，微波辐射器分为外部加温用微波辐射器和内 部( 腔道或组织间插值式) 加温用微波辐射器。本课题所用的辐射器是应用于直 肠的，辐射器可以采用单偶极子结构，也可采用螺旋线结构( 如图2 3 、图2 4 所 示，分别为一种螺旋天线辐射器实物图和内部结构图) 。我们采用的结构是单偶极 子螺旋线结构( 如图2 5 ) ，它把单偶极子天线和螺旋天线结合在一起，使辐射器 总体性能得到提高。 微波辐射器作为一种特殊的专用天线，本质上是一类能量变换器，能够根据 治疗的需要，将微波能量辐射到指定的人体部位上去。微波在人体组织内传播时， 频率为2 4 5 0 m h z 时的衰减为2 6 d b c m ( 1 入人体的深度也不同，例如2 4 5 0m h z c i n 衰减3 ) 。但是辐射探头不同，其深 的微波虽一般可以深入人体高水份组织 1 7 c m 深，但改变辐射器的设计，却可使之达到5 c m 的深度，所以微波辐射器的合理 结构设计是提高微波热疗效果的关键。根据病灶区的部位、形状、大小，合理选择 不同的辐射探头，是控制微波在肿瘤内的热场分布的有效措施。 ，输- 翮i ! 图2 3 微波辐射器实物图图2 4 辐射器内部结构示意图图2 5 辐射器内部结构示意图 f i 9 2 3t h em i c r o w a v ef i 9 2 4 t h es m l c n i r eo f f i 9 2 5 t h es t r u c t u r eo f a p p l i c a t o r m i c r o w a v ea p p l i c a t o r m i c r o w a v ea p p l i c a t o r 2 3 本章小结 本章对肿瘤热疗的相关技术和机理进行了探讨和概述。从生物学角度探讨了 热疗机理，证明加温可以引起细胞生物大分子和生化代谢的显著变化，具有细胞 毒作用，加温治疗肿瘤具有生物学依据和合理性。同时也表明，温度是热疗的关 键因素，热疗过程中需要有严格要求。介绍了目前主要的加热技术，并对它们进 重庆大学硕士学位论文2 肿瘤热疗 行了比较，微波加热技术适用于浅表肿瘤，没有脂肪过热等优点，很适合直肠癌 的热疗，简要说明了我们设计的用于直肠癌的单偶极子螺旋天线辐射器。 重庆人学硕士学位论文 3 微波热疗中的温度检测 3 微波热疗中的温度检测 微波热疗是否有效，关键问题是要将肿瘤加热到有效治疗温度以上。如肿瘤 温度在治疗温度以下，不仅无治疗效果，还可能促进肿瘤的扩散，如果温度过高， 又可能损伤正常组织，在4 2 c 左右l 之差可引起细胞存活率的成倍变化。3 7 。c 4 6 。c 范围内临床的测温精度应该在士o 2 。c 之内 1 ，所以准确的测温是微波热疗中 的关键技术。 微波热疗利用的是微波近场，在这种条件下，由金属材料制成的温度传感器在 强电磁场下将产生感应电流，对测温电路直接形成干扰。同时，由于热效应，使其自 身温度升高，也会引起温度测量的误差。高频的趋肤效应，进一步加剧了自身温度 的提高，使测温误差很大。为解决这一技术难题，我们设计了抗电磁波干扰温度传 感器，将测温探头与微波辐射器放入同一治疗导管内，只测量治疗导管周围生物组 织的温度，这种方式是腔内理疗机测量温度行之有效的方式之一。 3 1 微波热疗抗干扰测温方案 微波热疗中，通常用于测温的传感器有热电偶、高阻导线热敏电阻、光纤温 度传感器等。我们选用了热电偶温度传感器，它具有测量精确可靠、结构简单牢 固、使用方便、价格低廉等特点。微波热疗时测温范围一般在零到几十摄氏度之 间，在此范围内热电偶的热电势和热电势率应足够大，对温度应成单值关系，并 且最好是线性的，热电特性的稳定性、均匀性和复现性要好，热传导小。从镍铬 一镍硅k 型热电偶分度表( 表3 1 ) 可以看出，它的热电势率平均为4 0 u v c 。该 热电偶稳定性、复现性、线性度较好。过去常用铜康铜热电偶，而镍铬。镍硅 表3 1 镍铬一镍硅热电偶分度表( 分度号k 参考端温度0 c ) t a b l e3 it h ec o n n e c t i o n o f t e m p e r a t u r ea n dv o l t a g e f o rn i - - c rt h e r m o c o u p l e ( t y p e1 4 , r e f e r e n c et e m p e r t u r eo ) 墨芷 热电葡势t w j f 。c n ”一0 一事1 61 o b l 0 一0 m一0 ，旬l o 3 i 0 3 j 7 o 5 l ， 日，1 日 1 ，1 2 2 i 5 2 9 1 9 棚 ：，i l o s 2 3 5 3 2 4 0 72 2 7 s 7 2 8 9 2 3 1 8 3 3 ，4 9 3 重庆大学硕士学位论文3 微波热疗中的温度检测 的热传导系数明显低于铜一康铜的热传导系数 1 1 】，也容易购买，因此更适用于微 波热疗测温。 热电偶是由金属材料制成，在微波场中会受到干扰，引起很大的测量误差， 因此必须对热电偶进行改进，使其具有抗微波干扰的能力，能够精确的测量。设 计具有双层屏蔽的热电偶( 如图3 1 ) ，可以有效的抑制微波的干扰，从理论和实 验上是可行的。 3 2 微波热疗抗干扰测温机理 实验中采用的微波辐射器的最大辐射方向与螺旋轴线垂直，对热电偶设计绝 缘型的双层屏蔽体来屏蔽微波( 如图3 1 ) 的干扰，屏蔽效能的大小与电磁波的性 质以及屏蔽体的结构和材料性质有关。如图3 2 为金属管壁屏蔽原理示意图，管壁 左侧为水( 或空气) 右侧为空气，两侧有波阻抗突变，从而入射到界面的电磁波 在界面上会产生反射的电磁波和透射的电磁波。当电磁波e l i 入射到水( 空气) 一金 属界面上时，产生反射的电磁波e l 开口透射的电磁波e 2 i ，e 2 i 在金属管壁内继续传播， 其振幅按指数规律衰减，对于铜其趋肤厚度( 穿透深度) 可用下式计算： 占。1 1 【1 2 1 ( 3 1 ) 巧l l o 其中厂为电磁波频率、声为铜的磁导率、d 为铜的电导率 没有衰减掉的电磁波到达金属管壁的右边界产生反射和透射，反射部分场强为e z ， 其在金属管壁内传播同样要按指数规律衰减，然后在左界面反射和透射，反射部 分在两个界面之间来回多次反射。微波的频率很高，入射波经过金属管壁的 图3 1 改进型热电偶示意图 f i 9 3 1 t h es k e t c hm a p o f t h e i m p r o v e d s e n s o t 反射和衰减，多次反射现象并不显著。 k 。! _ 一 图3 2 屏蔽原理示意图 f i 9 3 2t h e s k e t c hm a pf o rs h i e l dt h e r m o e o u p l e p r i n c i p l e 透射过外层金属管壁的电磁波e 3 i 会被内层屏 霞庆大学硕士学何论文3 微波热疗中的温度检测 蔽。对于内层金属管壁可做同样的分析， 电偶的每层屏蔽层都使电磁波受到衰减， 总的损耗是两层损耗之和，改进型的热 再者外屏蔽层对电磁波的反射和内屏蔽 层的反射作用使外界环境的电磁干扰受到很大的消弱，因此绝缘型的双层屏蔽热 电偶可以屏蔽电磁波干扰，可通过后面的实验得到验证，同时可以看出两层屏蔽 比一层有更好的屏蔽效果。 3 3 温度传感器 热电偶温度传感器是一种能将温度转换成电动势的器件，它的测温原理基于 热电效应，属于接触式测温传感器。 3 - 3 1 热电偶测温原理 热电偶是用材料不同，具有一定热电特性的材料的两根导线a 和b 作为热电 极，将它们的一端焊接在一起制成的。焊接的一端称为热端，另一端称为冷端， 与仪表相连( 如图3 3 ) 。用热端测量温度，冷端温度应保持不变，只要连接点的 温度相同，热电势就仅取决于热端与冷端的温度，而与仪表接线柱的材料无关。 当热电偶的热端和冷端的温度分别为t l 和t 2 ， 且t l 不等于t 2 时，则在回路中将产生热电势，热电。，长2 势e a b f mt 2 1 是温度t l 和t 2 的函数，可表示成f 了一 e a b ( t 1 ，= e a a ( t 1 ) - - e a b ( t 2 1 ( 3 2 ) 图3 3 热电偶示意图 式中e a b n ”由热端温度t l 决定，e a b ( t 2 ) 由冷端温度 f i 9 3 3t h e r m o c o u p l e t 2 决定，并且它们也受热电极不变，即e a b ( a ) 为一常 数，热电势e a a m ，t 2 ) 材料特性的影响。若将冷端温度t 2 保持就是热端温度t l 的单 值函数，此函数称为热电偶的热电特性。当热电偶的热电特性为已知时，从指示 仪表上测出热电势值，就可得到热端温度值。预先进行温度定标后，在指示仪表 上就可直接读出热端的温度值。 3 3 _ 2 中间温度定律 如图3 4 所示，热电偶的两个结点温度为t l 、t 2 时，热电势为e a b ( t l ，t 2 ) ：两 结点温度为t 2 、t 3 时，热电势为e a b ( t 2 ，t 3 ) ，那么当两结点温度为t l ，t 3 时则 e a b ( t l ，t 3 ) = e a b ( t l ，t 2 ) + e a b ( t 2 ，t 3 )( 3 3 ) e ( t 1 t 2 ) a + t 2 t 3 e ( t 1 ，t 3 ) a t 1 = ) t 3 图3 4 热电偶中间温度定律 f i g 3 4t h el a w o f t h e r m o c o u p l e 卷 k 儿 重庆大学硕士学位论文 3 微波热疗中的温度检测 3 3 3 改进型热电偶温度传感器 对镍铬一镍硅热电偶设计屏蔽体，两屏蔽层间涂上很薄一层绝缘胶，室温放置 2 4 小时，内外层屏蔽管在热电偶引出端一点相连并连接到地端，方可起到屏蔽的 作用，否则干扰可能更大。 3 3 4 热敏电阻温度传感器 热敏电阻按其物理特性分为正温度系数( p t c ) 热敏电阻、负温度系数( n t c ) 热敏电阻和临界温度系数( c t c ) 热敏电阻。其中，负温度系数热敏电阻在测温电路 中应用较为广泛，具有灵敏度高、热响应速度快、使用寿命长、价格低、容易购买 等优点，热敏电阻非常适用于高分辨率的测温设备中。负温度系数热敏电阻随温 度得升高电阻值降低，电阻值与温度的函数关系是指数形式，因此要进行线性化。 r t = r o e a t cu t ) 州尼9 8 1r 3 4 1 其中，r o 是热敏电阻在室温2 5 下的阻值，b 是热敏电阻材料的开尔文( k e l v i n s ) 常数，t 是热敏电阻的绝对温度。 3 4 温度测量电路设计 镍铬一镍硅热电偶在0 8 0 范围平均热电势率是4 0 u v ，我们所用的液晶 显示模块u p 5 0 3 5 的输入电压范围是+ 1 9 9 m v ，必须对温度信号电压放大后，才能 输入显示模块进行显示。u p 5 0 3 5 是3 ( 1 2 ) 位显示模块，把最后一位作为小数十 分位，对应温度最小分度是0 1 ，输入每增加l m v 对应显示增加1 0 ，模块个 位显示加1 。 热电偶输出的热电势是两结点温度差的函数，为了使输出的电势是被测温度 的单一函数，通常要求冷端t 2 保持为0 。c ，但是在实际使用中要做到这一点比较 困难，因此我们为热电偶设计温度补偿电路。 3 4 1 测量电路方案设计 温度测量电路包括热电偶滤波和放大电路、热电偶温度补偿电路以及显示模 块，电路结构组成如图3 5 所示。 图3 5 温度测量电路组成图 f i 9 3 5t h e s t r u c t u r eo f t h et e m p e r a t u r em e a s u r i n gc i r c u i t 如图3 6 ，r 1 2 和c 1 组成低通滤波器。热电偶的热电势与温度的关系如表3 1 所示 重庆人学硕+ 学位论文3 微波热疗中的温度检测 由表可知，k 型热电偶在0 c 时产生热电势为0 m y , 6 04 c 产生热电势为2 4 3 6 m v ， 如果设置运放的增益为2 4 6 3 l 倍，则0 c 时运放输出电压为0 m v ，6 0 时运放输 出电压为6 0 m v 。同相比例放大器的增益和输出电压分别为： a d _ l + r 1 4 瓜1 3( 3 5 ) u l = ( 1 + r 1 4 r t 3 ) u i( 3 6 ) 通过调节r 1 4 改变增益大小。 热电偶需要冷端补偿，即测试热电偶冷端温度电压，我们采用热敏电阻温度 传感器实时测量冷端温度( 如图3 6 ) 。由于热敏电阻的阻值与温度的函数关系是 指数形式，可利用电桥和差动放大电路的特性，将热敏电阻( r x ) 作为电桥的一 个桥壁，与运算放大器构成电桥差动线性补偿电路，实现测温。如果u 0 l 、u o z 、 u 0 3 分别对应温度范围t l 、t 2 、t 3 的输出电压。如图3 6 所示，e r 为电桥电源电压， u o 为电桥输出电压，取r 4 = r