微波熱療天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化解析

1 引言

微波熱療就是利用電磁能量在人體組織中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使組織細(xì)胞溫度升至41℃到45℃的有效治療高溫區(qū)，并且維持一定的時(shí)間，加速病變細(xì)胞的死亡，但不損傷正常細(xì)胞組織。因此合理設(shè)計(jì)輻射器天線的結(jié)構(gòu)，精確計(jì)算輻射電場(chǎng)分布，是正確判斷微波熱療過(guò)程溫度熱場(chǎng)分布的前提。本文采用CST仿真軟件建立了微波熱療模型，通過(guò)該模型設(shè)計(jì)了一種高效實(shí)用的輻射天線，具有很好的近場(chǎng)輻射方向性，同時(shí)保證了良好的SAR分布。

2 微波熱療建模

2.1 天線模型

為了避免對(duì)組織細(xì)胞造成傷害，通常采用具有若方向性的圓波導(dǎo)天線，其工作頻率為915MHz。然而，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，單純的圓波導(dǎo)天線的電磁近場(chǎng)聚焦作用較差。為了使天線具有更好的輻射性能，設(shè)計(jì)中采用給圓波導(dǎo)加脊的方式，使得電磁場(chǎng)分布集中在兩脊之間。為了保證阻抗的匹配，將同軸線的外導(dǎo)體連接在脊波導(dǎo)邊上，內(nèi)導(dǎo)體延伸至相對(duì)的脊內(nèi)達(dá)到匹配，形成單極輻射器；同時(shí)脊為線性變化，阻抗由50Ω漸變到165Ω。如圖1（a）所示，其中圓波導(dǎo)半徑R=7.367cm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=16.78cm，壁厚t=0.35cm，后腔深度l=0.35cm，波導(dǎo)內(nèi)脊間距h1=0.866cm，輻射口面脊間距h2=4.48cm，采用50Ω同軸饋電。

由于體膜表面電磁反射較大，為進(jìn)一步提高治療效率，須對(duì)其結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。為了獲得更好的輻射效率，設(shè)計(jì)中采用介質(zhì)填充圓波導(dǎo)天線腔體，并在天線口面加載厚度為的三層介質(zhì)實(shí)現(xiàn)匹配變換，該結(jié)構(gòu)不僅可以抵消體模表面反射回波對(duì)天線的影響，而且可以增強(qiáng)電場(chǎng)的方向性，減小了電場(chǎng)能量的泄漏。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（a）加脊圓波導(dǎo)天線切面圖

（b） 填充介質(zhì)并加載三層介質(zhì)的圓波導(dǎo)天線

圖1 仿真天線結(jié)構(gòu)視圖

2.2 人體組織模型

根據(jù)輻射天線口徑的大小和方便實(shí)測(cè)的原則，確定仿真模擬的體膜箱的截面尺寸為30cm*30c，厚度為20cm，置于距離輻射天線1cm處；在915MHz頻率下人體組織的相對(duì)介電常數(shù)er=51，磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率。

3 參數(shù)提取

3.1 比吸收率（SAR）分布的計(jì)算

比吸收率（SAR）的定義是單位質(zhì)量生物組織對(duì)電磁場(chǎng)能量的吸收率，計(jì)算公式為：

上式中和分別表示組織的密度和電導(dǎo)率，，。輻射天線的導(dǎo)體及絕緣介質(zhì)的SAR為0。

3.2 SAR與熱療時(shí)間的關(guān)系

由于人體組織吸收電磁波能量后產(chǎn)生熱量，在溫度上升到治療要求的條件時(shí)，可用量熱法測(cè)出SAR與熱療時(shí)間的關(guān)系。在組織熱擴(kuò)散等影響可以忽略的條件下，測(cè)出SAR與熱療時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式為：

上式中C為組織的比熱，單位為，為熱療的時(shí)間，單位為s，是溫度上升到變化量，單位為K。組織的比熱為常量，所以從上式中可以得出，在加溫治療的過(guò)程中，SAR越大，則溫度上升更快，治療時(shí)間更短，輻射劑量越小。

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

計(jì)算采用的CST微波高頻仿真軟件。源為TEM模，加在輻射天線的輸入端口，功率為1W。對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的兩個(gè)輻射天線在組織中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和SAR分布以及輻射天線輸入端口的S參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較。

電場(chǎng)強(qiáng)度取模值，在XOY平面，體模放置在距天線輻射口面1cm處，如圖2所示，圖3給出了體模不同深度條件下的SAR分布圖，圖4為s11的掃頻圖。在圖2和圖3中，左側(cè)均為優(yōu)化前的分布圖，右側(cè)為優(yōu)化后的分布圖。

（a） 優(yōu)化前后體模表面電場(chǎng)分布

（b） 優(yōu)化前后體模深度12cm處電場(chǎng)分布

圖 2 體模中的電場(chǎng)分布圖

（a） 優(yōu)化前后體模表面SAR分布

（b） 優(yōu)化前后體模深度12cm處SAR分布

圖3 體模中的SAR分布圖

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的s11掃頻圖

從輻射天線在體膜不同深度的電場(chǎng)分布（見(jiàn)圖2）可以看出，經(jīng)過(guò)介質(zhì)填充并在輻射口面加載三層介質(zhì)優(yōu)化以后，電場(chǎng)聚焦明顯，而且在相同深度條件下，場(chǎng)強(qiáng)更大，同時(shí)電場(chǎng)分布均勻，保證了有效加溫面積。從SAR在體膜不同深度分布圖（見(jiàn)圖3），優(yōu)化前后天線的SAR分布都較均勻，而且優(yōu)化后的SAR值高于優(yōu)化前，改善有效加溫深度，減少治療時(shí)間和輻射劑量。從s11對(duì)比圖（見(jiàn)圖4）得到，在優(yōu)化前后曲線的最低點(diǎn)均落在915MHz，而優(yōu)化前s11為-13.12dB，優(yōu)化后為-20.26dB，優(yōu)化后的能量反射更小，輻射效率得到提高。

5 結(jié)論

醫(yī)用微波熱療天線與一般作用于遠(yuǎn)場(chǎng)的天線不同，熱療天線作用于近場(chǎng)區(qū)域。它應(yīng)具有將傳輸線上的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間電磁波，并將輻射能量集中形成定向輻射的功能。

本文通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一種新型的微波熱療天線，實(shí)現(xiàn)了微波熱療天線對(duì)生物組織加熱效果的計(jì)算機(jī)模擬，并做出對(duì)比。通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，輻射天線的阻抗匹配程度更好，反射回腔體的功率小，提高了輻射功率的利用率，保證微波發(fā)射器正常工作和穩(wěn)定，同時(shí)優(yōu)化后電場(chǎng)近場(chǎng)的輻射方向性顯著提高，保證了與治療部位良好的一致性，實(shí)現(xiàn)高效率治療，避免損害周?chē)＝M織和器官，對(duì)改善微波腫瘤熱療的臨床治療效果具有重要的意義。