（电路与系统专业论文）微波热疗天线的设计与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目：微波热疗天线的设计与研究 学科专业：电路与系统 研究生：杜永兴 指导教师：席晓莉副教授 王丽黎副教授 签名：毖 签名： 签名： 摘要 数 微波热疗技术已在很多疾病的临床治疗中得到应用，如肿瘤的热疗、热凝止血和异常 增生组织的消除等。临床研究证明在有些场合微波热疗比其它治疗方法更为有效，具有设 备简单，治疗费用低，操作方便，剂量容易控制，安全有效，并发症少，副作用小等优势。 而设计高效安全的微波热疗天线是微波热疗效果优劣的关键。 本文设计了三种分别适用于身体不同部位肿瘤治疗的微波热疗天线，具体包括适用于 体内深部肿瘤治疗的挽袖圆顶天线，适用于腔体肿瘤治疗的采用形状记忆合金加工的螺旋 天线和适用于体表肿瘤治疗的微带螺旋天线。采用基于有限元方法的h f s s 软件分析了天 线的结构参数对天线性能的影响，在此基础上，对天线参数进行了优化，通过组织模型实 验验证了数值计算结果，本研究为临床微波热疗天线的设计和使用提供了理论依据。论文 具体研究内容包括： 1 优化的挽袖圆顶天线与单极子天线和挽袖天线相比较，反射系数小，能量泄露少， 并且反射系数和热图分布不随天线插入人体组织的深度变化而变化：对顶部的设计不仅增 加了顶部的能量分布，而且改善了天线的阻抗特性。 2 设计的用于腔体的记忆合金螺旋天线和用于表面治疗的微带螺旋天线具有热图分 布合理，治疗区域的大小和形状可通过调节天线的参数进行调整等特点，天线的反射系数 较小，且对工作频率的波动和结构参数的变化不敏感。使用记忆合金材料设计的治疗腔内 肿瘤的螺旋天线，可以无损伤的通过人体自然管腔进入病灶区域，减少了患者的痛苦。 3 加工了三种经数值仿真优化的天线，配制了人体组织模型，采用三种天线对人体 组织模型进行热疗实验，测量了热疗条件下的反射系数及热疗温度分布。实验结果表明； 三种天线的反射系数和它们的热疗温度分布与数值仿真结果相吻合，验证了数值计算分析 的正确性。 关键词：微波热疗；天线；反射系数；有限元方法 本研究得到陕西省教育厅科研计划项目( 自然科学专项) 和西安理工大学科技创新与特色研究计划项目的赞助 1 t i t i e ： m a j o r - n a m e ： s u p e r v i s o r - t h ed e s i g na n dr e s e a r c h m l c r o w 埘eh y p e r t h e r m i a c i r c u i t sa n ds y s t e m s y o n g x i n gd u a s s o c i a t ep r o f x i a o l ix i a s s o c i a t ep r o f l i l i 、 ，a n g a b s t r a c t o fa n t e n n af o r s j g n a t u r e ：b ：翌生 s i g n a t u r e ：超! 垒垒! 丝l s i g n a t u r e ：兰i6 丝璺 6 t h et e c h n o l o g yo fm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i ah a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha st h e t u m o u rt h e r a p y , s t a n c h i n gb yh e a tc o a g u l a t i n g , a b l a t i o no ft h ea b n o r m a lh y p e r p l a s i at i s s u e ，e t c t h em i c r o w a v eh y p e r t h e r m i ah a sm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rm e t h o d si nm a n yc a s e s ，s u c ha s t h es i m p l ee q u i p m e n t ，l o we x p e n s e ，e a s yt oo p e r a t e ，f e wc o m p l i e a t i o n sa n dl i t t l es i d ee f f e c ta n d s oo n s od e s i g n i n gh i g he f f e c t i v ea n ds e c u r em i c r o w a v eh y p e r t h e r m i aa n t e n n a si s v e r y i m p o r t a n tt ot h ee f f e c to fm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a t h r e ek i n d so fm i c r o w a v eh y p e n h 锄i aa n t e n n a st h a tu s e dt oc a r et h et u m o ro fd i f f e r e n t b o d ys i t e sa r ed e s i g n e di n t h i sp a p e r t h e ya r ee h o k e - v a n l ta n t e n n a , p l a n a rs p i r a la n t e n n aa n d m i c r o s t r i ps p i r a la n t e n n a t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ea n t e n n ap e r f o r m a n c ei s a n a l y z e du s i n gh f s ss o f t w a r e ，a n dt h e nt h ea n t e n n ap a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h r o u g hm u s c l e p h a n t o me x p e r i m e n t s ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ev e r i f i e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ec h o i c eo fa n t e n n ai nm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i af i e l d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 t h ec h o k e - v a u l ta n t e n n ai sd e s i g n e da n do p t i m i z e d c o m p a r e dw i t hm o n o p o l ea n t e n n a a n dc h o k ea n t e n n a , i t sr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ti ss m a l l e r , e n e r g yl e a ki sl e s s a n dt h e yd o n t d e p e n do nt h ed e p t ho ft h ea n t e n n ai n s e r t i n gi n t ot h et i s s u e t h ev a u l tn o to n l yi n c r e a s e st h e e n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h ea n t e n n at o pb u ta l s om a t c h e sw i t ht h ei m p e d a n c ec h a r a c t e rb e t t e r 2 t h ep l a n a rs p i r a la n t e n n a , w h i c hi sm a d eo fs h o em e m o r ya l l o y , u s e dt oc o r et u m o r i n s i d eb o d yc a v i t y , a n dt h em i c r os t r i ps p i r a la n t e n n au s e dt oc o r et u i n o ra tb o d ys u r f a c ea r e d e s i g n e d t h e i re n e r g yd i s t r i b u t i o n sa r er e a s o n a b l e b ya d j u s t i n gt h ea n t e n n ap a r a m e t e r s ，t h e s i z ea n dt h es h a p eo ft h et r e a t m e n tv o l u m ec 柚b ea d j u s t e d t h e i rr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t sa r e s m a l l ，a n dt h e ya r en o ts e n s i t i v et ot h e i rp a r a m e t e r sa n dw o r k i n gf r e q u e n c y t h ea n t e n n am a d e o fs h a p em e m o r ya l l o yc a ne n t e rb o d yc a v i t yt h r o u g hn a t u r ev e s s e la n dc u r et u m o rw i t h o u t d a m a g e ，w h i c hc a nr e d u c ep a t i e n t s s u f f e r i n g 1 西安理工大学硕士学位论文 3 t h r e ea n t e n n a st h a to p t i m i z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r em a d e ，a n dt h em u s c l e p h a n t o mi sc o n f e c t e d u s i n gt h et h r e ea n t e n n a s ，t h er e f l e c t i o n c o e f f i c i e n ta n de n e r g y d i s t r i b u t i o na r eb o t ho b t a i n e da tt h eh y p e r t h e r m i ac o n d i t i o n 1 m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h e a n t e n n a s r e f l e c t i o nc o e ，f f i c i e n ta n de n e r g yd i s t r i b u t i o na r ec o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t sw e l l t h e r e f o r e t h ev a l i d i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sv e r i f i e d k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a ：a n t e n n a ；r e f l e c t i o no d e f ! 丘d e n t ；f i n i t ed e m e n tm e t h o d 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：奎堕茎2d 7 年弓月7 日 学位论文使用授权声明 h7 y 。举a j ! 垒：登l _ 在导师的指导下创作完成毕监论文。本火已通过论囊的餮辩+ ，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究堡上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研日的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：奎照耋导师签名游；月；f 日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 肿瘤热疗学是近3 0 年来迅速发展起来，由生物、物理、工程和临床几方面相结合而 产生的交叉型学科，其研究内容多涉及这些专业的前沿领域。肿瘤热疗( t u m o r h y p e r t h e r m i at r e a t m e n t ) 原意是加热治疗肿瘤，包括利用各种物理能量( 如微波姗、射 频r f 和超声波u s 等) 在人体组织中所产生的热效应，使组织细胞温度升至4 1 0 c 以上的 有效治疗温度，并维持一定时间，达到加速癌细胞死亡，而正常细胞组织受损伤较小之目 的。微波热疗就是采用微波加热肿瘤组织，达到加速癌细胞死亡目的的一种热疗方法。 医用电磁波频率为1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 姗i z ，4 0 6 8 m h z ，4 3 3 枷z ，9 1 5 m h z 和2 4 5 0 幡zn 。1 。 其中4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 是微波频段。一般来说，波长越短方向性就越好，能量 易于集中，但透入深度小；反之，波长越长方向性越差，能量不易集中，但透入深度大“1 。 微波热效应是组织受微波照射后，其内的离子、极性分子在高频电磁场作用下，作交 变直线运动和变力螺旋运动，相互频繁碰撞，电磁能转化为热能使组织温度升高所致。微 波热效应主要受以下因素影响：微波发射功率，治疗时间。微波发射功率越大，时间 越长，热效应越强；此外，血液循环不良的组织，微波加热后散热困难，易形成局部高热 而滞留。 1 1 1 微波热疗的抗肿瘤机理 当微波能量作用于肿瘤组织时，其在肿瘤组织中产生的高热效果能抑制肿瘤细胞的 d n a 和r n a 的复制、蛋白质合成和肿瘤细胞的繁殖，能使肿瘤骨架散乱，细胞的许多重要功 能受损，直接导致肿瘤细胞的死亡。 微波加热后，局部组织温度每升高1 ，细胞代谢率增高1 0 1 5 。正常组织有良 好的血循环系统，加热后血管扩张，血流加快带走热量，所以散热良好，温度升高不明显。 热疗时肿瘤组织的血流很快下降，一方面是由于肿瘤组织的微循环发生障碍所致，另一方 面是由于肿瘤周围正常组织的血管反应性扩张，血流发生“改道现象”，造成肿瘤组织的 血流相对减少，仅为正常组织的1 0 “1 。同时，血流作为散热的主要载体，血流减少后， 肿瘤组织散热困难，导致热量在肿瘤内蓄积，肿瘤部位温度高于邻近正常组织3 5 。c “， 因而肿瘤组织较正常组织温度升高明显而被选择性地杀伤。血流减少进一步导致氧分压降 低。血供不足及氧分压降低等因素严重影响了肿瘤组织的正常代谢，导致酸性产物大量蓄 积，肿瘤内p h 值迅速降低。实验发现降低p h 值时能增加热疗对细胞的杀灭作用“。临床 研究 1 亦揭示p h 值与肿瘤的完全缓解率( c r ) 呈显著正相关。微波热疗可抑制肿瘤源性的 血管内皮生长因子( v e g f ) 及其产物的表达，从而阻碍肿瘤血管内皮增生及细胞外基质的 再塑形，抑制肿瘤生长及转移“1 。热疗时超氧化物及自由基的形成可能是热疗致肿瘤细 胞死亡的另一重要原因“”。 西安理工大学硕士学位论文 另外，局部热疗可提高机体免疫功能。高温促进了免疫细胞的活性及细胞因子的合成。 体温升高至4 0 。c 以上时，淋巴因子激活的杀伤细胞( l a k ) 的活性、淋巴细胞增殖能力和淋 巴细胞对肿瘤细胞的细胞毒活性均明显增高1 “。在热疗过程中，还发现外周血中一些细 胞因子升高，这些细胞因子可能刺激肿瘤免疫的产生“”。此外，高温还可增强巨噬细胞 对肿瘤的吞噬作用1 ”。 1 1 2 微波热疗与放疗、化疗相结合的机理 热疗的放射增敏性：热疗与放疗联合应用具有明显的协同或相加作用，其主要机制如 下n 1 ：热疗和放疗对细胞分裂周期各时相细胞的敏感性不同，射线对m 期最敏感，对s 期 最不敏感，而热疗对s 期最敏感。热疗能更容易杀死那些对放射线不敏感的乏氧肿瘤细 胞。放射线可致肿瘤细胞d n a 损伤，而热疗既能阻碍d n a 的合成又可抑制肿瘤细胞损伤后 d n a 双链的修复。放疗可减少肿瘤细胞的热耐受性，提高热疗效果。 热疗的化学增敏作用：热疗与化疗联合应用增强疗效机理可能与下列因素有关： 热疗可增强细胞膜的通透性，有利于抗肿瘤药物的渗透吸收。加温可使药物的摄取及药 物反应速度加快。热疗改善了肿瘤周边的血液循环，血流量增加有利于药物进入肿瘤内 【1 3 l o 1 i 3 微波热疗的临床应用 自c r i l e n ”首次利用微波治疗肿瘤以来，微波热疗目前已广泛应用于多种类型的恶性 肿瘤的治疗，取得了令人可喜的结果。 1 9 9 0 年b i c h e r 等“”报道了9 1 例乳腺癌患者的治疗情况，他们采用9 1 5 m h z 或3 0 0 m h z 微 波，每周热疗2 次，每次1 小时，肿瘤内温度超过4 2 。c 的累计时间至少3 0 分钟，共行5 周治 疗，治疗结果完全缓解6 0 例，部分缓解2 6 例，稳定3 例。 1 9 8 5 年w i n t e r “”报道2 4 5 0 m h z 微波加热治疗1 2 例复发胶质瘤，收到较好疗效。马景 鉴等“ 应用局部微波加热治疗脑胶质细胞瘤2 4 例，治疗中将微波热疗天线插入肿瘤实质 内，加热2 0 4 0 分钟，然后观察组织病理学、超微结构、多胺及d n a 的含量和酶的变化， 表明局部微波热疗对脑胶质细胞瘤有一定的抑制和杀伤效应。加热剂量以4 3 0 c ，2 0 分钟为 宜。赵克明等“8 1 采用微波热疗，化疗和放疗相结合，共治疗1 5 例脑恶性肿瘤。 河南省食管癌加温协作组“”给8 2 例食管癌腔内微波热疗加放疗，热放顺序不拘，2 次周，共6 8 次，结果1 、2 、5 年生存率分别为6 0 9 、3 1 7 和1 4 6 。此外，微波热疗 还可治疗直肠癌、胃癌“1 、肝癌2 2 1 等。 1 2 微波热疗系统的研究现状 1 2 1 微波热疗设备的研究现状 微波热疗设备一般由以下四部分组成：微波源、热疗天线、测温及微机控制。微波源 是微波热疗仪的关键部件，它是产生一定功率和频率的微波功率发生器。目前国产的微波 2 i 绪论 热疗机种类很多，但一般都采用9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 两种频率，空气中的波长分别为3 2 7 8 厘米和1 2 2 5 厘米。在一般肌肉组织中，9 1 5 删z 的微波有效穿透深度约为5 7 厘米，2 4 5 0 删z 约为1 - 3 厘米。微波源的功率大小可根据肿瘤情况及加热方式( 体内、体外) 的不同而合理 选择，仪器功率范围一般为1 0 4 0 w 。北京凯士力公司的p w h - 型机使用于鼻咽、食管、直 肠等治疗。大功率的微波机有美国的b s d 公司设计的b s d - 2 0 0 0 ，用5 0 - - 1 1 0 m h z 工作频率， 包含 1 2 个天线，每个天线的功率为5 0 0 w ，主要用于全身肿瘤治疗1 。还有美国 l a b t h e r m i c s 公司设计的d e c a d ei i 型植入微波热疗系统等嘲1 。 精确定量加温技术与测温技术是微波热疗提高疗效的关键技术问题，精确的温度控制 系统是热疗实现的基本前提。有些设备采用了国际上公认的高阻抗介质导线热敏电阻测温 探头( 如b o w m a n 探头等) “，成功地解决了电磁场环境下引线的自加热效应和次生电磁辐 射产生的干扰问题，同时采用计算机控制技术，对温度传感器进行自动校准，大大提高了 测温的准确性和可靠性。目前临床上采用的是创伤较小的半导体热敏电阻或热电耦等测温 元件置于肿瘤中心，为避免微波的干扰，测温要采用间断式的，即在测温瞬间停止微波输 出。当然，最好的方法是无损测量温度和连续测量，目前无损测温方法是研究的前沿课题， 有的方案采用微波辐射测量技术，有的方案采用c t 或m r i 断层成像中肿瘤形状的改变及组 织密度的改变与温升之间的关系进行测温“1 ，有的采用辐射计、光纤测温装置等。天津 医科大学研制了肿瘤热疗热剂量仪属于用热敏电偶测温汹1 。湖南大学也研制了用热电偶 测温装置”。林应文等对光纤温度计进行了研究2 8 1 ，最近a m i n i 等利用光谱分析了组织 的加热温度，优点是无损测量并不受电磁干扰。 微波热疗仪大多采用计算机控制，主要控制治疗过程中的微波输出功率和治疗时间 等，由于微波源本身的特性，使得微波输出的稳定性不高，而采用计算机控制就可以克服 了上述问题。 1 2 2 微波热疗系统的热疗天线的研究现状 从第一次微波应用于治疗肿瘤以来，微波热疗热疗天线的设计与研究就一直没有中断 过，热疗天线是微波热疗系统中最重要和最复杂的一环。微波热疗热疗天线实质上是能量 转换器，亦即将从微波发生器传输线送来的高频电流能量转变为高频电磁场能量，辐射到 人体需要治疗的部位上去，达到很好的治疗效果。 微波热疗热疗天线从临床应用角度分为：，体外热疗天线；，腔内热疗天线， 植入式热疗天线。而后两种都属于介入式热疗天线，腔内热疗天线为无损介入，植入式热 疗天线为有损介入。 设计性能较好的介入式医用微波热疗天线是微波医学工程中突出的难点。医用热疗天 线基本性能要求汹“1 ：热图与治疗部位应具有良好的一致性，才能实现高效率治疗， 而不损害周围正常组织和器官；传输线的特性阻抗与热疗天线的输入阻抗匹配程度越 好，反射回传输线的功率越小，微波功率的利用率越高，同时保证微波发射器正常工作和 。 3 西安理工大学硕士学位论文 稳定；能承受一定的微波功率电平，在这个电平下，不会出现击穿、打火及严重的发热 现象。 a 体外热疗天线 微波体外热疗天线的结构和体积一般不太受到限制，主要有波导式，平面螺旋式，微 带式等结构形式。 波导式热疗天线是由波导管的截面形成，天线能量传输损耗小，辐射功率大，但使用 不便。i i 备床应用的结构有圆形，长方形和喇叭形以及他们的变异等。馈源从波导的一端输 入，治疗时可将波导管直接对准治疗部位进行照射，为了改善其热分布和减小热疗天线尺 寸和重量，常在一壁或两壁上加一个脊，或在波导中填充介电常数高的绝缘材料3 ”。单 波导天线照射的范围和深度有限，采用波导热疗天线组成的阵列天线可以在表面下一定深 度内达到理想的均匀加热。1 9 9 0 年王保义已研制成工作在4 3 3 m h z 或9 1 5 m h z ，由1 6 个波导热 疗天线构成的平面阵，可提高加热深度和范围，对大面积肿瘤疗效显著“1 。 平面螺旋式热疗天线结构一般为阿基米德螺旋。1 9 8 4 年s t a n f o r d 大学研制了用9 1 5 m h z 及4 3 3 m h z 为能源的磁感应圈，其结构与饼状电极相近，线圈直径有4 c m 及1 0 c m 两种，它的 优点是结构简单，应用灵活，有效加温面积大，有效加温深度较好，此热疗天线旋转可治 疗较大面积，主要用乳癌的胸壁复发m 1 。z e j ig u 等1 9 9 9 年设计的螺旋天线有9 4 圈( 如 图卜1 ) ，螺旋导体由t e f l o n 覆盖，使用频率为9 1 5 m h z ，实验测量结果的反射系数为一3 6 2 d b “1 。s t a u f f e r 等2 0 0 0 年设计了一种双模的平面螺旋天线( 如图1 - 2 ) ，由两层导体和螺旋 天线组成，分别作用于9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 汹1 ，不同频率下会作用出不同的热图，用于治疗 表浅肿瘤，可以均匀的对肿瘤加热。l e e 等1 9 9 2 年研究出用螺旋天线组成阵列来治疗大面 积的体表肿瘤，频率在9 1 5 m h z ，这种天线有很好的共形性，能针对身体的不同部位，方便 的变换治疗的状态盯1 。s v e i nj a c o b s e n 等2 0 0 5 年设计了直径为3 0 m m 的阿基米德螺旋天线， 反射系数低于一1 3 d b 的频带范围在2 8 g h z 嬲1 。 4 图1 1 螺旋结构的热疗天线 f i g 1 1t h es p i r a la n t e n n a f o rm i c r o w a v eh y p c r t h c r m i a 图1 2 微带螺旋结构的热疗天线 f i g 1 - 2t h es p i r a lm i c r o s t r i pa n t e n n a f o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a l 绪论 微带热疗天线近年发展较快，这类热疗天线的优点为尺寸小、轻便、宽频带，缺点是 不能负荷较大功率。为了治疗大面积肿瘤，可以采用组阵的方式增加治疗面积。e d w a r d 等2 0 0 2 年研制的c f m a 型微带热疗天线( 如图l 一3 ) ，重量轻并且很容易与身体共形，用于 治疗体表肿瘤，工作频率分别为4 3 4 ，7 0 ，4 0 ，和2 7 m h z 脚。s t a u f f e r 等设计了工作在9 1 5 m h z 的边长为2 c m 的微带天线以及天线阵列，加热面积大( 如图1 - 4 ) 蚰，。c r e s s o n 等计算了一 种工作在4 3 4 和9 1 5 m h z 微带天线“。b a h l 等设计了一种工作在9 1 5 m h z 和4 3 3 m h z 的圆环形微 带天线，在两种频率下热图比较一致，反射系数也都低于- 2 0 d b “”。k o b a y a s h i 等设计了 一种矩形微带天线，它的体积为1 5 0m mx1 2 0m i l lx7m m 重量轻并且柔软，工作在4 3 0 m h z ， 可以很好的与身体共形”1 。m i c h e l 等研究了由两个矩形微带天线组成的天线工作在9 1 5 m h z 时天线的性能，作用范围大，聚焦效果好“1 。螺旋天线也可以有微带线做成“1 。 图1 3e d w a r d 设计的微带结构的热疗天线图1 4s t a u f f e r 设计的微带结构的热疗天线 f i g 1 3t h em i c m s t r i pa n t e n n at h a te d w a r dh g 1 - 4t h em i c t o s t r i pa n t e n n a t h a ts t a u f f e rd e s i g n d e s i g nf o rm i c r o w a v eh y p e r t h c r m i a f o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a b 介入热疗天线 由于体外热疗对深部肿瘤有加热深度不够，无法精确定位，表面损伤严重等问题，对 某些深部组织( 如肝脏，前列腺等) ，和特殊部位( 如颅内) ，一般限于部位特殊不便从 体外热疗，所以将热疗天线插入到肿瘤中治疗，特别是某些深在肿瘤，术中发现不易切除， 更需要把天线插入到瘤内加热。 人体内存在一些自然管腔，如口腔、鼻腔、食管、直肠、阴道、子宫腔、尿道等，这 些特殊部位给热疗提供了较为方便的加温方法。微波热疗天线可以无损伤地放入到这些腔 道中直接对肿瘤加温，加热效率高，加热范围容易控制，同时减少了对正常组织的损伤。 但腔内加温的共同缺点是微波能量轴向衰减较快，温度分布不均匀，有效加热深度不够。 介入式热疗天线要求体积小，质量轻，保证足够的机械强度，以免使用时发生危险。 介入热疗天线的工作频率一般在9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z ，根据体腔及病灶区的位置及大小的不 同设计不同形状的天线，常用的介入天线为体积小、结构简单的同轴馈电天线，基本结构 由t a y l o r 在1 9 7 2 年提出，由于其辐射效率高，方便使用等优点被广泛的应用“”。这些 天线均为柱状结构，辐射能量呈轴对称分布，加热范围有限，加热区域形状调节困难，而 且这种天线的能量分布与插入组织的深度有关“”，所以近年设计了一些改进的热疗天线， 5 西安理工大学硕士学位论文 提高了天线的辐射特性和辐射效率。如s t e f a n o 等设计了一种工作在9 1 5 b i l t z 频率下的天线， 最大外径为1 2 m m ，不受天线插入组织深度的影响( 如图1 - - 5 ) 咖1 。y a n g 等2 0 0 6 年设计了 一种治疗肝癌的热疗天线，并且反射系数在2 4 g h z - 1 0g h z 的范围内都低于- 1 0 d b ( 如图l - - 6 ) ”。b r a c e 等2 0 0 5 年设计了用于肝癌的热疗天线，工作在2 4 5 g h z 时反射系数为 一4 6 2 d b ，并且以5 0 w 的功率连续加热7 分钟，受到损害的组织直径为3 8 c m ( 如图1 7 ) “1 。 d i e t s c h 等2 0 0 0 年用于治疗前列腺增生的螺旋热疗天线，工作在9 1 5 m h z ( 如图l - 8 ) 旧1 。 a h n 等2 0 0 5 年设计的缝隙型天线在同轴线的顶部和中间各有一个圆柱体，它们之间形成缝 隙。工作在2 4 5 g h z 。热图为橄榄球形，反射系数为- 2 2 8 d b ( 如图l 一9 ) 啊1 。针对大面 积肿瘤的热疗天线阵也得到广泛的研究和使用嘟“1 。 睦警臻。 r 叩憋紫 礓嘲缫鍪黧黧鬻蒜纛鬻黧雾黧鋈鍪 口菪 图1 - 5s t e f a n o 等设计的介入式热疗天线 f i g 1 - 5t h ei n t e r p o s i t i o na n t e n n at h a ts t e f a n o d e s i g nf o rm i c r o w a v eh y p c r t h e n n i a 蠖蚕 ，一- “ 舯h n 斛 图1 6y a n g 等设计的介入式热疗天线 f i g 1 - - 6t h ei n t e r p o s i t i o na n w n n at h a ty a n gd e s i g n f o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a 旷翮 6 1 绪论 的微波热疗设备虽在不断更新换代但仍不成熟，尚存在很多问题。 目前的微波治疗系统在控制治疗功率与时问方面技术较为成熟，解决深部肿瘤加热的 受限性问题的关键是估算消除肿瘤组织所需要的热剂量和研制符合各种治疗要求的热疗 天线。 热疗天线设计的主要理论依据是天线理论。然而，由于医用微波热疗天线与一般微波 天线在应用上的较大区别使其场分布的研究有所不同，使现有的微波天线理论直接用于指 导医用微波热疗天线研制工作存在一定的困难： 第一，普通天线理论主要研究的是天线的远场分布，一般的天线辐射图形都是指远区 的辐射分布，并不包括近区场的分布。在微波热疗中，常将热疗天线伸入人体某些管腔内 进行治疗，或将探针式热疗天线直接插入肿瘤内进行加热，热疗天线与病人肌体距离很近 或直接接触，近区场起了决定性的作用，它的加热图形与该热疗天线在远区自由空间的辐 射图形差异非常大，因此医用微波热疗天线设计时应主要考虑近区场的作用。 第二，研究热疗天线在组织中的场分布、不同组织吸收电磁功率密度的分布，对于预 计治疗效果，拟定正确的治疗方案，具有决定性的作用。通常的天线理论分析中，天线周 围为均匀、无耗、无限大介质环境，而临床应用的医用热疗天线处于结构复杂，电参数差 异较大的多种有耗构成的生物组织中。在这样的条件下求解天线问题，是复杂的边值问题， 精确的估算天线导体上的电流分布并据此计算热疗天线的近场分布存在很大困难，因此， 医用热疗天线的研制工作，除了用传统天线理论作参考外，必须依赖于数值计算的方法， 经过大量的数值实验设计优化适合临床应用的天线结构，然后再通过实验测量对设计结果 进行验证，以得到临床要求的热疗天线。 第三，对于各种热疗天线存在各自设计或使用方面的问题。体外电容式，波导式热疗 天线通常体积比较大，难以移动。体外使用的微带螺旋天线形状往往固定，没有给出天线 的参数对天线性能影响的规律。体内植入有损热疗天线由于要插入到肿瘤中，会产生肿瘤 的扩散和在移植，并且根据人体的结构，介入热疗天线通常都是单极子天线，或者是缝隙 天线，使天线的辐射范围和深度都有很大的限制，并且天线的热图和反射系数随插入深度 的变化而变化。 纵观微波热疗抗肿瘤研究的现状，无论是基础理论研究，还是临床应用，都存在值得 进一步研究的问题。微波热疗治疗肿瘤，效果是肯定的。随着微波外科的发展，相信在不 久的将来，微波热疗会成为治疗肿瘤的一种常规方法。 1 3 本文的工作 由于设计各种微波热疗天线是解决微波治疗肿瘤的关键，也是目前微波热疗急待解决 的问题之一。本文针对人体组织模型，应用数值计算方法，分析天线在组织中产生的电磁 场分布和s a r ( s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ) 分布，以及天线在工作频率下的反射系数， 设计出3 种微波热疗天线。通过生物组织模型实验和矢量网络分析仪对数值结果进行了验 7 西安理工大学硕士学位论文 证。具体工作如下： i 、采用a n s o f t 公司的h f s s 电磁场仿真软件( 基于有限元方法) ，设计优化了一种可 用于有损介入治疗的挽袖圆顶微波热疗天线。通过与传统的单极天线和挽袖天线的性能进 行比较，给出了该天线在2 4 5 0 m h z 下的反射系数及其s a r 分布不随插入深度的变化而变化的 优点。研究了天线结构参数对天线性能的影响，并给出设计的规律，最后给出了优化后的 挽袖圆顶天线随频率变化的反射系数和工作在2 4 5 0 m h z 频率下天线在组织中产生的s a r 分 布图。 2 、设计、分析、优化了可用于腔内微波热疗的平面螺旋热疗天线。采用记忆合金制 造，设计一种用于腔内肿瘤治疗的背腔式阿基米德螺旋天线，通过h f s s 电磁场仿真软件， 对天线治疗模型进行参数的分析，比较。给出了设计规律和设计的参数。画出了螺旋天线 随频率变化的反射系数，给出了工作在2 4 5 0 m h z 频率下的s a r 分布图。 3 、设计、分析、优化用于体外肿瘤治疗的微带天线。在螺旋天线研究的基础上，设 计一种螺旋微带天线，通过h f s s 电磁场仿真软件，对天线治疗模型进行参数分析，总结了 参数对天线性能影响的规律，并与螺旋天线进行了异同的比较。给出了具体的设计参数。 画出了微带天线随频率变化的反射系数，给出了工作在2 4 5 0 m h z 频率下的s a r 分布图。 4 、根据上面的仿真参数，分别制作了挽袖天线，腔内平面螺旋天线和体外微带天线。 参与制作了2 4 5 0 m l z 微波发生仪。按照国际通用的配方，配置了微波热疗的人体组织模型 和掺有热致变色材料的人体组织模型。用矢量网络分析仪分别测量了以上3 种天线随频率 变化的反射系数，并与数值计算的结果进行了比较，分析了误差原因。搭建了微波热疗系 统，并在此系统上分别进行了3 种天线的微波热疗实验。使用掺有热致变色材料的人体组 织模型进行实验，观察加热温度的分布，并用热敏电阻探头对温度进行了测量，画出了实 验测量的温度分布图，与数值计算的s a r 分布图进行比较，分析了误差的原因。 8 2 热疗天线的数值仿真方法介绍 2 热疗天线的数值仿真方法介绍 微波热疗天线主要研究天线的近场能量和s a r 分布，由于生物组织结构和边界的复杂 性，无法采用解析方法求解，所以热疗天线常采用电磁场数值计算的方法进行设计和优化。 目前，常用的电磁场数值计算方法主要有：有限元法，矩量法和时域有限差分法等。 有限元法的特点是适用于求解各种形式( 几何上、物理上) 复杂的问题，精度高，通用性 强m 。而a n s o f t 开发的基于有限元法的h f s s 电磁场计算软件集成了实体模型输入、自 动设置网格、精确仿真和图形化后处理等功能，所以我们选用h f s s 软件进行天线的数值 仿真。本章将首先对软件涉及的有限元方法作简单介绍，然后具体介绍采用h f s s 进行热 疗天线设计的基本方法。 2 1 有限元法的简介b 刀 有限元法是工程中广泛应用的数值计算方法。多年来已经成为电磁场数值计算的主要 方法。有限元法可以从变分原理导出。 2 1 1 变分法 变分法是利用变分原理求解边值问题的一种方法。变分原理是指，微分方程边值问题 的解等价于相应泛函极值问题的解。利用这一原理，就可将边值问题的复杂求解转换为相 对简单的泛函极值的求解。 里兹法是求解泛函极值的一种直接解法。其基本思想是选择一个定义于整个求解域并 满足边界条件的试探函数，试探函数的形式一般为含有n 个待定系数的多项式；然后将试 探函数代入泛函表达式中，并利用泛函有极值的条件一泛函对各待定系数的偏微分为零， 建立起n 个关于待定系数的线性方程；联立求解这些方程计算出各个系数，就确定了使泛 函实现极值的试探函数，该函数就是原边值问题的近似解。 2 1 2 有限元法 有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法。它吸取了差分法对 求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的合理方法。从实质上看，有 限元法与里兹法是等效的，它属于里兹法的范畴，多数问题的有限元方程都是利用变分原 理来建立的。但由于有限元法采用了离散处理，所以它的计算更为简单，可处理更为复杂 的电磁问题。 有限元方法的分为以下几个步骤： ( 1 ) 区域离散。离散就是将一个连续的求解域人为的划分为一定数量的单元，单元又 称网格，单元之间的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递。通过离散， 一个连续体便分割为有限数量单元组成的组合体。在任何有限元分析中，区域离散是第一 步，也是最重要的一步，区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果 9 西安理工大学硕士学位论文 的精确度。 ( 2 ) 插值函数的选择。在每一个离散单元的结点上的值是我们要求解的末知量，离散 单元内部其它点上的值是依靠对结点值进行插值得到的。 ( 3 ) 方程组的建立。对m a x w e l l 方程利用变分方法建立误差泛函，对于问题已经离散 化为很多个子域的组合，我们可以首先在每个单元内建立泛函对应的小的线性表达式，其 次将其填充到全域矩阵中的相应位置，最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。 ( 4 ) 方程组的求解。方程组的求解是有限元分析的最后一步，线性代数方程组的求解， 可以用消元法，也可以用迭代法。非线性代数方程组的求解，最常用的有牛顿一拉夫逊法 和简单迭代法。 2 2 a n s o t ：th f s s 软件简介 h f s s ( h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r ) 是a n s o f t 公司开发的可用于任意三 维无源器件的高性能电磁场仿真软件，它采用图形用户界面，是一个互动式仿真系统，仿 真系统的基本网格元素是四面体。这使用户以比其他方法少得多得时间求解任意三维几何 形状的电磁问题，特别是那些具有复杂曲线和形状的三维电磁场问题。 a n s o f th f s s 软件在天线的仿真设计方面由于其精确的分析结果，并且在天线设计过 程中可以通过对设计模型的仿真和优化而得到最优的天线结构，成为现代天线设计过程中 一个重要的仿真软件。用这个软件仿真天线的主要步骤如图2 - 1 所示： 1 0 解算类型选择 停一网格剖分 计算结果后处理 建立计算模型 电场能量分布图 7 弋7 设置材料电参数 小、 否 解算h 、 激励设置 叫叫 边界设置 s a r 分布圈 解算条件 7 设置频率 结束条件 _ | 是否满足设置定义 天线反射系数 网格剖分条件等 图2 - - 1h f s s 数值计算天线的主要步骤 h g 2 1t h em a i ns t e po fc a l c u l a t i o nt h ea n t e n n au s eh f s s 2 热疗天线的数值仿真方法介绍 2 2 1 解算前处理 解算类型选择：h f s s 共有三种求解模式( d d r i v e nm o d a l ：根据波导模式的入射和反射 功率表示s 参数矩阵的解。( 萤d r i v e n t e r m i n a l ：根据传输线终端的电压和电流表示s 参数 矩阵