（电磁场与微波技术专业论文）基于左手媒质lhm平板透镜的微波热疗方案研究.pdfVIP

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 阚俸吞 甲11 年( 月i 目 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密母 学位论文作者签名：伺钒瓠 ，僻6 月l 阳 指导教师签名：易叫 2 a 1 1 年月l 弓曰 摘要 左手媒质( l e f th a n d e dm a t e r i a l ，l h m ) 具有与普通材料截然不同的电磁特 性，近年来已成为多个相关领域的研究热点。目前对l h m 的研究重点已经转向 新型l h m 制备方法与工艺以及基于l h m 人工材料的各种应用。 l h m 平板透镜实现电磁波聚焦时，在透镜材料损耗较小的情况下可以实现良 好的聚焦，通过调整源的位置可以方便地调整其聚焦位置，而且，同一透镜允 许采用多个源联合对不同区域加热，因此，将其用于微波热疗，具有独特的优 势。本文主要在课题组前期研究的基础上，通过理论分析和数值仿真，多方面 分析、比较基于l h m 平板透镜的微波热疗方案。 论文首先介绍了l h m 平板透镜的聚焦原理以及微波热疗效果的仿真分析方 法，在此基础上比较系统地研究了影响l h m 聚焦分辨率的因素及其对微波热疗 的影响，论证了基于l h m 平板透镜的微波热疗的可行性。 对于采用r 形l h m 透镜的乳腺肿痛微波热疗方案，通过深入研究透镜损耗、 肿瘤与透镜的相对位置、耦合溶液介电常数以及源偏移对热疗性能的影响，对 该热疗方案提出了优化原则。大量的数值仿真研究结果表明：肿瘤位于r 形透镜 角对称线上时，从各方面考虑，均可获得最佳热疗效果；透镜损耗在一定程度 上降低了热疗效率；采用低介电常数的耦合溶液会有利于微波热疗；此外源在 靠近透镜表面和透镜角对称线上的偏移也会对热疗效果有一定的积极影响。 对采用单个l h m 平板透镜的浅表肿瘤热疗方案，通过大量的仿真分析，提 出了更合理、更具实用性的多源热疗方案和基于分层透镜的热疗方案。研究结 果表明，对于多源热疗方案，通过适当调整源的相位、幅值以及相对位置，我 们可以轻松获得形状多变的有效热疗区域，从而实现对形状大小多变的浅表肿 瘤的热疗。对基于内部分层的l h m 透镜的热疗方案，研究结果表明，其内部分 层位置对热疗性能的影响较小，两层透镜的折射率差异对热疗性能会带来较大 的影响，适当增加折射率差异有利于提高热疗效率。 关键词：左手媒质平板透镜，聚焦，乳腺肿瘤，浅表肿瘤，微波热疗 a b s t i 认c t o w i n gt o i t s u n i q u ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e sc o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a l m a t e r i a l s ，l e f t h a n d e dm e t a m a t e r i a l ( l h m ) h a sb e e no n eo ft h em o s ta t t r a c t i v e h o t s p o t si nw o r l d w i d er e s e a r c hi nt h ep a s td e c a d e n o w a d a y s ，m o r es t r e s sh a sb e e n l a i do nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fn o v e ll h m sa n dt h ev a r i o u sp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n so ft h i sn e w m e t a m a t e r i a l s w h e nf o c u s e db yaf l a tl h ml e n so fl o wl h ml o s s e s ，m i c r o w a v ep o w e rc a nb e t i g h t l yc o n c e n t r a t e di nb i o l o g i c a lt i s s u e t h ef o c a lp o i n ti nt i s s u e c a nb ee a s i l y a d j u s t e db yt u n i n gt h ep o s i t i o no fm i c r o w a v es o u r c e m o r e o v e r , m u l t i p l em i c r o w a v e s o u r c e sc a nb ef o c u s e db yo n el h ml e n s ，s ot h a tm i c r o w a v ep o w e rd e p o s i t i o ni n t i s s u ec a nb ee n h a n c e da n ds p e c i f i cr e g i o ni nt i s s u ec a nb eh e a t e de f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，l h ml e n ss h o w sg r e a tp o t e n t i a l sf o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r yo fp e r f e c ti m a g i n go ff l a tl h ml e n sa n dt h e n u m e r i c a lt e c h n i q u et os i m u l a t em i c r o w a v eh y p e r t h e r m i ao ft u m o ri nt i s s u e ，d e t a i l e d a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sa l ep e r f o r m e di nc h a p t e ri it oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r st h a t d e g r a d et h ef o c u s i n gp r o p e r t yo faf l a tl h m l e n sa n dt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c e so n m i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a t h ef e a s i b i l i t yo fm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i aw i t hf l a tl h m l e n si st h u sd e m o n s t r a t e d f o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i ao ft u m o ri nr o u n db r e a mw i t ha p p l i c a t o ro ff - s h a p e d l h ml e n s ，ac o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o no fa l lr e s p e c t sr e l a t e d ，i n c l u d i n ge f f e c t so f l h ml e n sl o s s e s ，s o u r c eo f f s e t s ，c o u p l i n gm e d i as u r r o u n d i n gt h el e n s e s ，a n dt h e r e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h et u m o ra n dl e n s ，a lep e r f o r m e dt od r a wad e s i g ng u i d e t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，l o wl h ml o s s e sa n dl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n tc o u p l i n g m e d i aa r ep r e f e r r e df o re f f i c i e n th y p e r t h e r m i a ，a n dt h ef s h a p e dl h ml e n ss h o u l d b ep r o p e r l yd e p l o y e dt oe n s u r et h a tt h et u m o rt ob eh e a t e di so nt h es y m m e t r i cl i n e o ff s h a p e a st h es o u r c e sm o v et o w a r dt h el e n ss u r f a c ea n ds y m m e t r i cl i n e ，t h e h y p e r t h e r m i ap e r f o r m a n c ec a n b ei m p r o v e d f o rm i c r o w a v eh y p e r t h e r m i ao fs u p e r f i c i a lt u m o rw i t ha p p l i c a t o ro fas i n g l ef l a t l h ml e n s ，s c h e m e sb ya p p l y i n gm u l t i p l es o u r c e sa n dl a y e r e df l a tl h ml e n sa l e d e m o n s t r a t e d i ti ss h o w nt h a tb ya d j u s t i n gt h ea m p l i t u d e ，p h a s ea n dr e l a t i v e d i s t a n c eb e t w e e nt h el e n sa n ds o u r c e s ，t h ep r o p o s e dm u l t i s o u r c es c h e m eh a st h e a b i l i t yt oh e a td i f f e r e n tr e g i o n so fd e s i g n a t e ds h a p ea n ds i z e f o rt h ep r o p o s e d l e n s - l a y e r e ds c h e m e ，i ti ss h o w nt h a td if f e r e n tl a y e rr a t i oe x e r t sl i t t l ei n f l u e n c eo n h y p e r t h e r m i ap e r f o r m a n c e ，a n di n c r e a s i n ga p p r o p r i a t e l yt h er e f r a c t i v ei n d e x d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w ol a y e r si sb e n e f i c i a lt oh y p e r t h e r m i ap e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：l e f t - h a n d e dm e t a m a t e r i a l ( l h m ) f l a tl e n s ，f o c u s ，b r e a s tc a n c e r , s u p e r f i c i a lt u m o r , m i c r o w a v eh y p e r t h e r m i a 目录 第一章绪沦l 1 1左手媒质及其研究概述1 1 2肿瘤的热疗技术简介2 1 3本文的主要研究方法5 1 4本文主要研究内容6 第二章基于左手媒质平板透镜的微波热疗可行性分析8 2 1左手媒质的人工实现8 2 2微波热疗的数值仿真1 0 2 3左手媒质平板透镜实现超分辨率聚焦的原理13 2 4影响聚焦分辨率的主要因素及其对热疗效果的影响1 5 2 5本章小结1 8 第三章基于左手媒质平板透镜的乳腺肿瘤热疗方案研究2 0 3 1热疗方案的选择及说明2 0 3 2肿瘤与透镜的相对位置对热疗效果的影响2 1 3 3透镜损耗对热疗效果的影响2 2 3 4耦合溶液介电常数对热疗效果的影响2 5 3 5源偏移对热疗效果的影响2 6 3 5 1 单源偏移对热疗效果的影响2 7 3 5 2 双源偏移对热疗效果的影响2 9 3 5 2 1 双源对称偏移2 9 3 5 2 2 双源非对称偏移一3 l 3 5 3 探讨源偏移对肿瘤内温度分布的影响3 1 3 6本章小结3 3 第四章基于左手媒质平板透镜的浅表肿瘤热疗方案研究3 5 4 1浅表肿瘤特性及其热疗方案说明3 5 4 2多源热疗方案性能研究3 6 4 2 1 双源横向距离d 对热疗效果的影响3 7 4 2 1 1 双源同幅同相3 7 4 2 1 2 双源异幅同相3 8 4 2 1 3 双源同幅异相一4 0 4 2 1 4 双源异幅异相4 2 4 2 2 双源纵向位置差异对热疗效果的影响4 3 4 3分层透镜热疗方案性能研究4 7 4 4本章小结”51 第五章结论与展望5 3 参考文献5 5 致 射6 7 在读期间发表的学术论文及科研情况6 8 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 物理学中，介电常数r 和磁导率f 是用于描述物质电磁性质最基本的物理量 自然界中存在的媒质，介电常数和磁导率都大于o ，且电场强度、磁场强度和波 矢量满足右手定则，这一定律被认为是物质世界的常规，具有不可动摇的地位。 左手媒质( l e f t h a n d e dm e t a m a t e r i a l ，l h m ) 的提出和人工实现改变了我们对这一 定律的认识。 1 1左手媒质及其研究概述 左手材料这一概念最初由前苏联科学家vgv e s e l a g o 于19 6 8 年提出i l l ，他 假设这种材料为介电常数和磁导率同时为负的各向同性介质，并指出电磁波在这 种介质中传播时电场矢量、磁场矢量和波矢量三者应当成左手系。然而在这一概 念提出后的三十年里，既未在自然界找到实际的左手材料，也不能得到实验的验 证，因此这一假设并未立刻被人们接受。直到上世纪末，得益于电磁媒质领域所 取得的重大突破，左手材料开始受到科研工作者的广泛关注。 1 9 9 6 年，英国伦敦帝国理工学院j b p e n d r y 等人发现周期排列细直导线可 以在微波频段下实现等效负介电常数1 2 j ，1 9 9 9 年该研究小组又报道了由周期性排 列的金属谐振环构成的电磁媒质其等效磁导率在微波波段也可以为负的研究成 剁3 1 。2 0 0 0 年，美国加州大学圣迭戈分校d r s m i t h 等人借鉴p e n d r y 的理论将 细金属丝和金属谐振环按照一定的周期规律排列在一起，首次制作出在 4 2 g h z - 4 6 g h z 频率范围内等效介电常数和等效磁导率同时为负的左手媒质 ( l e f th a n d e dm e t e m a t e r i a l ，l h m ) 引。同年，p e n d r y 在“p 枷i c a lr e v i e wl e t t e r s ”杂 志上撰文【5 】从理论上阐述，使用左手媒质制作的“完美透镜”( p e r f e c tl e n s ) ，可 以突破传统透镜的“衍射极限( d i f f r a c t i o nl i m i t ) 从而实现超分辨率成像。2 0 0 1 年，s m i t h 等人又制作出了x 波段上的左手媒质1 6 j ，并且通过实验证明了当电磁 波斜入射到左手媒质和空气的分界面时，折射波的方向与入射波的方向同处在分 界面法线的一侧，即证明了左手媒质的负折射特性。2 0 0 3 年，左手媒质及其相 关领域的研究发现被 s c i e n c e ”杂志评为2 0 0 3 年十大科学进展( b r e a k t h r o u g h ) 之一 【7 1 。2 0 0 6 年d u k e 大学的科学家们提出利用左手材料可以制作“隐形斗篷”，被 s c i e n c e ”杂志评为2 0 0 6 年十大科学进展( b r e a k t h r o u 曲) 之一瞄j 。目前左手材料已 l 江苏大学硕士学位论文 成为全世界科学技术领域所关注的热点之一【9 h 1 5 1 ，近年来，国内对这方面的研究 也非常重视，各大学和科研究机构相继发表了不少相关的研究论文【1 6 】一【2 0 j 。同时， “新型人工电磁介质的理论与应用研究”己被列为国家重点基础研究发展规划 ( 9 7 3 ) 项目。 得益于其与普通材料截然不同的电磁特性，如逆斯涅尔折射( r e v e r s e ds n e l l r e f r a c t i o n ) 、逆契仑可夫辐射( r e v e r s e dc e r e n k o vr a d i a t i o n ) 、波f l 埏( p o y n t i n g ) 矢 量与波矢量反向平行、逆多普勒效应( r e v e r s e dd o p p l e re f f e c t ) ，平板透镜聚焦( f l a t l e n s ) 等，左手材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学等领域获得越来 越广泛的青睐。目前对左手媒质的研究工作主要包括理论、数值仿真研列2 1 】 【2 3 1 ， 新型实验制备方法【2 4 】一吲以及基于这种材料的各种应用【2 8 h 3 引。 而本文所研究的内容主要基于左手媒质平板透镜的聚焦特性，即左手媒质平 板透镜能够实现对点源辐射的电磁波聚焦，这是其重要的电磁特性之一，具有广 阔的应用前景【3 6 1 。根据p e n d r y 的“完美透镜理论5 1 ，用左手媒质制作的透镜 可以突破衍射极限实现超分辨率成像。因为电磁波在普通媒质中随传播距离增大 而呈指数衰减的凋落波在左手媒质中将获得指数放大，故凋落波在左手媒质中获 得的指数放大恰好可以补偿其在真空中传播时指数衰减掉的部分。目前对这一特 性的探讨主要集中于将其应用于高分辨率探测成像阳【3 8 】。利用左手媒质平板透 镜实现电磁波聚焦的优点在于通过调整微波源的位置可以轻松地调整聚焦位置， 此外聚焦位置及聚焦分辨率亦规律性的受到透镜自身特性的影响。据此，应用左 手媒质平板透镜可轻松得到我们所需要的聚焦位置及分辨率，这一优点极具应用 价值。 1 2肿瘤的热疗技术简介 肿瘤热疗是指利用外部致热源在生物组织中的热效应，将肿瘤区域加热至有 效治疗温度范围( t 4 2 ( 2 ) 并维持一段时问( 3 0 6 0 分钟) 以杀灭肿瘤细胞，同 时保证正常组织区域温度维持在4 2 ( 2 以下的一种治疗方法【3 9 h 4 1 1 。 热疗的起源可追溯到公元前5 0 0 0 年，埃及的e d w i ns m i t h 医生用加温的方 法治疗了乳腺肿物。最早西医文献报道热疗治疗肿瘤见于1 8 6 6 年，德国医生彬 b u s c h 首先报道了一例经组织学证实的面部晚期肉瘤病人感染丹毒高热后肿瘤消 失的现象【4 2 1 。1 8 9 3 年，美国医生c o l e y 给癌症患者接种细菌毒素( c o l e y 毒素) ， 2 江苏大学硕士学位论文 诱发患者体温升至4 2p 并持续2 4 - - 3 6 小时。所治疗的3 8 例晚期恶性肿瘤患者， 其中1 2 例肿瘤完全消退，1 9 例好转1 4 3 j ；另c o l e y 用同法治愈了1 0 例肉瘤患者， 其中1 例无瘤存活达2 7 年。尽管热疗历史悠久，但由于科技不发达，加温方法 和设备简陋，使热疗技术的发展受到了明显的限制。 得益于上世纪5 0 年代细胞培养技术的发展，科学家通过研究细胞集落形成 能力逐渐建立起衡量细胞受温度、时间影响的存活率曲线m j ，这一结论为判定 肿瘤热疗效果提供了一项基本依据，大大推动了肿瘤热疗的发展。近2 0 年来， 由于多学科的介入与配合，人们才开始对肿瘤热疗进行了深入的研究，并形成了 自己的学科体系肿瘤热疗学。同时作为一种物理治疗方法，热疗比化疗和放 疗的副反应少得多，近年来获得迅速发展，并在临床上已显出很好的效果。 目前热疗采用的主要加热方式有射频、激光、超声和微波。 激光热疗是通过光转换为热、热传导及组织反应这三个过程一起造成被照射 组织的变性作用来实现治疗效果。影响这种热疗的最重要的两个参数为激光束的 特性( 如光束空间分布、功率、波长、照射时间等) 和被照射组织的特性( 如吸 收及散射系数、反射比及热容量等) 。 射频热疗通常可分为两种：射频容性加热和射频感性加热。 射频容性加热，又称为短波或超短波透热疗法。即在治疗部位的体表两侧放 置一对平行板电极，施以一定频率的射频电压，利用电极间的传导电流在组织内 产生的焦耳热进行加热。由于被加热的部分厚度不同、阻抗不同，需要调节补偿 电容使得输出达到最佳的匹配。临床可通过改变电极的大小进行组合，实现对各 种深度的肿瘤的加热。通常在极板上装有表面冷却装置，防止加热过程中造成皮 肤表面过热。射频容性加热可适用于腹部、盆腔、胸部及四肢的热疗【4 5 1 ，但容 易出现皮下脂肪过热的现象。 射频感性加热是将身体置于一组环形线圈内，施以一定频率的射频交变磁 场，使组织中的不同区域形成许多局部的小感应电流环，从而达到更均匀、更深 层的加热效果。与射频容性加热相比，由于交变磁场产生的电场一般平行于脂肪 一肌肉界面，因而该方法不易造成脂肪过热【4 引。 超声热疗原理是当超声波在人体组织中传播时，与人体组织发生相互作用， 把有序声波的振动能量转化为无序的分子热运动能量，即超声波的能量不断地被 江苏大学硕士学位论文 组织吸收而转变为热能，从而使组织温度升高【4 7 1 。由于超声波的传播特性，声 波在骨表面、含气组织表面会产生强反射，故超声波不能深入到骨骼和含气组织 中去。在超声热疗基础上发展起来的高强度聚焦超声( n i g hi n t e n s i t yf o c u s e d u l t r a s o u n d ，h i f u ) 1 4 8 】热疗技术近年来受到了人们越来越多的关注。该方法利用 超声波良好的穿透性、方向性，利用球面自聚焦、超声透镜聚焦、相控阵聚焦等 方式，使焦点区域高强度超声能量作用于肿瘤组织，在短时问内温度升到6 0 口 以上而发生凝固性坏死同时又不损伤周围的正常组织。然而现有h i f u 技术对于 焦点区域温度的监控以及治疗效果的实时检测问题并没有很好地解决，使治疗的 可靠性和安全性得不到保障，在临床治疗中常常出现治疗区域肿瘤组织不能够完 全致死、皮肤烧伤、神经损伤等临床治疗问题f 4 引，极大地限制了h i f u 肿瘤治疗 的临床应用。 微波热疗是指借助各种不同形式的微波辐射天线，将微波能量引导照射于人 体的病变部位，使之由于介质损耗吸收微波能量而发热升温；以抑制肿瘤细胞的 d n a 和r n a 的复制、蛋白质合成和肿瘤细胞的繁殖，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【5 0 】f 5 1 】。与传统的热疗方法相比， 微波热疗具有相关组织内部加热温度更高、消融体积更大、消融时间更快和热流 分布更加均匀，设备价格低廉，便于操作等优点m 】。因此它被认为是最有发展 前景的肿瘤治疗方法，目前已广泛地应用于乳腺癌【5 2 h 5 6 1 、脑肿瘤f 5 7 】1 6 2 1 、颈部 瘤f 6 3 h 6 7 1 、恶性黑色素瘤【6 8 h 7 0 1 等中等深度或位置相对较浅的浅层肿瘤的热疗研 究中，并且联合放疗、化疗已取得了良好的临床效果。 根据其基本原理，微波热疗的关键技术在于：如何保证将所辐射的微波能 量尽可能多地聚焦在肿瘤区域，并产生有效的治疗温度；要保证在治疗过程中 尽可能不损伤肿瘤周围的正常组织，不造成体表灼伤；要实现在治疗过程中对 靶组织温度的监控，确保达到治疗温度，并对治疗情况进行监测。所以微波热疗 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。 其中微波源是微波热疗设备的关键部件，目前国内外微波热疗设备采用的微 波源主要工作在4 3 3 m h z 、9 15 m h z 和2 4 5 0 m h z 这三种频率。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。所以工作频点的选择直接影响到热疗效果。微波 源功率大小可根据需要杀灭的细胞情况及加热方式( 体内、体外) 的不同进行合 4 江苏大学硕士学位论文 理选择，仪器功率范围一般为1 0 - 1 0 0 0 w 。大连奥瑞特科技有限公司的w e 2 1 0 2 一i 微波治疗仪微波热疗仪工作频率为2 4 5 0 m h z ，功率范围1 5 w - 2 0 0 w ，体外辐射 器可治疗体表肿瘤，如皮肤癌、乳腺癌、颈淋巴结转移癌、软组织肉瘤、恶性黑 色素瘤等。腔内辐射器可治疗宫颈癌、直肠癌、食道癌等；诺万公司的k j 9 0 0 0 型微波热疗仪，工作频率为4 3 3 9 m h z ，功率小于1 0 0 0 w ，运用于头颈、乳腺等 局部肿瘤热疗，肺部、腹腔、笳腔等区域性肿瘤热疗，宫颈、直肠、前列腺等腔 内肿瘤热疗。大功率的热疗仪有美国的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4 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 7 。 由于影响肿瘤的微波热疗效果的决定性因素是如何实现微波能量在肿瘤组 织中的合理分布，因此微波热疗的核心问题是设计合理的热疗天线，合理的热疗 天线在使功率发生器与生物组织阻抗匹配的同时也能在治疗区得到最优的三维 热场分布，从而能精确、均匀地加热位于身体各个部位需要杀灭的组织，同时对 附近的正常组织损伤很小。目前主流的热疗天线从临床角度可分为体外热疗天 线、腔内热疗天线和植入式热疗天线。 体外热疗天线主要用于大面积肿瘤治疗，主要有波导式、平面螺旋式和微带 式7 2 h 7 5 1 。波导式天线能量传输损耗小，辐射功率大，但使用不方便；平面螺旋 式天线结构简单，应用灵活，有效加温面积大，深部有效加温较好；微带热疗天 线尺寸小、轻便、宽频带，然而不能负荷较大功率。由于体外热疗对深部组织有 加热深度不够、无法精确定位、表面损伤严重等问题，对某些深部组织和特殊部 位，需将热疗天线直接插入到相关组织中治疗，于是需要腔内热疗天线和植入式 热疗天线。这类天线要求体积小、质量轻、保证足够的机械强度，以免使用时发 生危险，常用的有同轴馈电天线、螺旋天线和缝隙天线等7 6 h 7 8 1 。 1 3本文的主要研究方法 基于肿瘤热疗的原理，微波热疗需要解决的最主要的问题是：如何保证将足 够的物理能量定向地输送到相关组织，并产生有效的杀灭温度，同时要保证在治 疗过程中尽可能不损伤j 下常组织，不造成体表灼伤或其他意外伤害。所以微波热 疗中微波能量的控制是一大难题，而左手媒质平板透镜的良好聚焦特性和焦点可 控性便可轻松解决这一难题，因此将左手媒质应用于微波热疗的研究极具价值。 江苏大学硕士学位论文 本文对基于左手媒质平板透镜的微波热疗方案的研究主要通过数值仿真方 法获得场分布，并通过求解p e n n e s 生物热传导方程实现对组织内温度场的实时 模拟。 对左手媒质的数值仿真是建立在d r u d e 色散模型基础上的，并利用时域有限 差分( f i n i t e d if f e r e n c et i m e d o m a i n ，f d t d ) 方法的辅助差分方程法( a u x i l i a r y d i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，a d e ) 对均匀各向同性的左手媒质d r u d e 色散模型进行建模。 在对左手媒质的众多f d t d 色散模型建模方法中，辅助差分方程法除使用传统 的f d t d 迭代方程之外，还增加了本构方程作为辅助差分方程，因此具有简单、 高效等特点。除此之外，实现左手媒质的f d t d 数值仿真还必须对截断计算空 间的完美匹配层( p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r , p m l ) 做特殊处理以获得稳定的计算效 果。对于f d t d 的原理和左手媒质的具体建模过程本文不作赘述，请参阅论文 【7 9 。 由于生物组织的复杂性和边界条件的复杂性，对于生物热传导方程的求解一 般采用数值解法，例如有限元法和有限差分法。有限元法和有限差分法的基本思 想都是把随空间、时问连续变化的物理量或热物理参数转化为在时间和空间域中 有限个离散点上的值，用这些离散点的值去逼近物体内待求变量的连续分布。 其中有限差分法从微分方程出发，用离散点所组成的网格来代替连续区域， 仅在每个离散点上算出未知量。近似地用差分形式来代替方程中的微分形式，把 连续区域内所定义的方程以及边界和交界面条件转化为适用于各个节点处的离 散方程。与有限元方法相比，有限差分法更适合处理边界规则的问题，并且编程 相对简单，因此本文采用有限差分法求解p e n n e s 生物热传导方程f 8 0 j 【8 l j 。 1 4本文主要研究内容 本文将通过二维f d t d 数值仿真方法，并采用有限差分法求解生物热传导 方程从而对基于左手媒质平板透镜的微波热疗方案进行深入的探讨，并提出具有 实用价值的微波热疗方案。 全文内容分五章进行论述。 第一章“绪论”：简单介绍左手媒质的历史背景及研究现状，并简要说明热疗 和微波热疗的基本概念和原理。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章“基于左手媒质平板透镜的微波热疗可行性分析”：简单介绍目前左手 材料实验制备方法及研究进展，从理论上分析左手媒质平板透镜的超分 辨成像特性，并通过f d t d 方法研究影响其聚焦分辨率的主要因素对热 疗性能的影响。 第三章“基于左手媒质平板透镜的乳腺肿瘤热疗方案研究”：首先对方案进行 简单的说明，然后通过大量的仿真工作对该方案进行研究，分析其功率 分布及温度分布，深入研究微波源及透镜特性，组织特征对热疗性能的 影响。 第四章“基于左手媒质平板透镜的浅表肿瘤热疗方案研究”：主要研究基于单 透镜的浅表肿痛热疗，首先简单介绍浅表肿瘤的特性，根据其特性提出 相应的多源热疗方案，并进行深入研究。同时根据实际左手材料的制备 方法，对内部分层透镜热疗方案进行了相应的研究。 第五章“结论与展望”：主要总结全文的工作并阐述今后进一步研究工作的方 向。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章基于左手媒质平板透镜的微波热疗可行性分析 数值仿真说明基于l h m 平板透镜的微波热疗理论上是可以实现的，其在实 际应用中的可行性取决于左手媒质人工制备技术是否能满足微波热疗的要求。所 以本章将通过简单讨论目前左手媒质的人工实现方法，结合透镜的特性对热疗效 果的影响论证l h m 平板透镜热疗方案的可行性。 2 1左手媒质的人工实现 根据j b p e n d r y 等人的研究结果【舶，周期排列的金属导线具有与等离子体 相似的特性，可以在微波频段下实现等效负介电常数，这一发现为左手材料的实 现奠定了理论基础，根据该理论周期性排列的金属线阵列的有效介电常数可表示 为， ( w ) = 1 一石w 瓦p 2 ( 2 1 ) 其中w 。为等离子体频率，以为结构的损耗参数。随后该研究小组又设计了 一种能产生磁响应的微结构单元一金属开口环谐振器( s p l i t r i n gr e s o n a t o r ,