一種改進型介入式微波熱療天線的設計與實現

薛 倩，孫 兵，陳 蕾，王加俊

蘇州大學電子信息學院，江蘇，蘇州，215021

一種改進型介入式微波熱療天線的設計與實現

【作 者】薛 倩，孫 兵，陳 蕾，王加俊

蘇州大學電子信息學院，江蘇，蘇州，215021

設計了一種工作在2450MHz頻率的介入式微波熱療挽袖傘形天線。采用有限元數值分析方法，模擬計算了挽袖天線和挽袖傘形天線介入下腫瘤組織的比吸收率（SAR），并比較了挽袖傘形天線和挽袖天線的S11。將研制的介入式天線對仿生分層體模加熱，采用紅外熱成像儀測溫，給出天線在體模中的3維溫度場和介入層體模的溫度分布。研究結果表明，設計的挽袖傘形天線的溫度場分布比挽袖天線均勻，符合實際臨床熱療的要求。

微波熱療；介入式天線；比吸收率

由于體外熱療對深部腫瘤有加熱深度不夠、無法精確定位以及對表面正常組織造成熱損傷等問題，需要對深部腫瘤采用介入式熱療，即將熱療天線介入腫瘤組織中實施定位加熱[1]。介入式熱療的優點是避開了人體表皮層對微波的吸收，直接將微波能送到病變組織，具有熱效率高和易于控制等特點。但是介入式熱療屬于有損治療，因此研制創傷面積小、加熱效率高的介入式微波熱療天線是微波醫學工程研究的熱點。醫用輻射天線的基本性能要求是[2]：熱圖與治療部位應具有良好的一致性，阻抗匹配，能承受一定的微波功率，體積小，重量輕，保證足夠的機械強度，以免使用時發生危險。

目前介入式熱療中廣泛應用的單極天線存在天線輻射的能量不集中問題。近年來有各種改進方法，如給天線加挽袖可減少天線的反射[3]，給頂部加圓頂來增加頂部能量的分布[4]等。本文研制的挽袖傘形天線，與傳統的挽袖天線相比，具有反射系數小、SAR分布均勻等特點。

1 天線的設計

1.1 傳統的挽袖天線

傳統挽袖天線的結構如圖1(a)所示，它是由同軸線剝去護套，將伸出的屏蔽層像挽袖一樣向外翻卷，露出介質層和內導體端點。

圖1 挽袖天線的結構及等效電路圖Fig.1 Geometry and equivalent circuit of choke antenna

反射系數S11是衡量天線的輸入阻抗Zin與能量傳輸線的特性阻抗Z0的匹配程度[5]：

式中無耗傳輸線的輸入阻抗[6]Zin為：

其中Z2為傳輸線的終端負載阻抗，β為相移常數，l為傳輸線的長度。

挽袖天線能減少能量的后向泄露，但它的輸入電阻比較小，難以與天線輸入端匹配；而且挽袖天線頂部能量分布較小，不易控制。

1.2 挽袖傘形天線的設計

為了減少挽袖反射回傳輸線的功率，增加天線頂部能量的分布，本文設計了挽袖傘形天線，結構如圖2(a)所示，把挽袖天線的內導體伸出一定長度并張開一定角度而成。天線采用同軸電纜RG400U加工而成。同軸電纜RG400U的尺寸和參數為：內導體直徑為0.98 mm，由19根細導線絞接而成；外導體直徑為3.28 mm；內外導體間為Teflon材料，相對介電常數為2.1。把挽袖天線的內導體伸出一定長度并張開一定角度，作用是增加天線頂部對地的分布電容，使天線頂部的電流不再為零，圖2(a)中L1=21.1 mm，L2= 21.3 mm，L3=6.5 mm。張開的每根細導線與內導體的夾角Delta=66.8°。挽袖傘形天線的等效電路如圖2(b)所示，阻抗與以下4個參數有關系[3]：1)天線BB’到CC’中填充介質的介電常數；2)天線BB’到CC’的長度；3)介質的厚度；4)天線頂部的形狀。為了與挽袖傘形天線的S11和SAR分布進行比較，本文也制作了圖1(a)所示的挽袖天線，其中AB=27.8mm，BC= 30.2mm。圖3即為研制的挽袖天線與挽袖傘形天線實物示意圖。

圖2 挽袖傘形天線的結構及等效電路圖Fig.2 Geometry structure and equivalent circuit of choke-umbrella antenna

圖3 研制的天線Fig.3 the fabricated antennas

圖4 腫瘤組織中的SAR分布Fig.4 SAR distribution in tumors

2 天線的數值仿真

比吸收率（SAR）的定義是單位質量生物組織對電磁場能量的吸收率

采用Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS[8](基于有限元方法)對介入式天線的比吸收率進行數值仿真。腫瘤模型選擇直徑80 mm、長80 mm的圓柱體,其相對介電常數εr=50，磁導率μ=1，電導率σ=4s/m[9]。設置天線的工作頻率為2450 MHz，功率為30 W，介入腫瘤組織的深度為60 mm。挽袖天線和挽袖傘形天線的SAR分布圖(SAR=100W/kg)如圖4所示，挽袖天線介入在腫瘤組織中的SAR分布近似呈橢球形；挽袖傘形天線介入在腫瘤組織中的SAR分布近似呈葫蘆形，天線頂部能量增加，而且挽袖傘形天線比挽袖天線幾何尺寸小，對組織的創傷小。

3 天線性能測試

3.1 天線指標測試

采用Agilent公司的PNA-X矢量網絡分析儀分別測量挽袖天線和挽袖傘形天線的反射系數S11。當頻率f=2450 MHz時，挽袖天線的仿真值S11= -15.86dB，測試值S11= -11.28dB；挽袖傘形天線的仿真值 S11= -16.13dB，測試值S11= -13.17dB。圖5給出了兩種天線的S11數值仿真與測試結果。

圖5 兩種天線的S11Fig.5 S11 of the two kinds of antennas

3.2 天線的加熱測試

以挽袖天線和挽袖傘形天線分別對均勻分層仿生體模進行熱療實驗，實驗裝置如圖6所示。仿生體模為植物蛋白質、無機鹽和水按一定比例壓制成厚2 mm的層片，取20層疊放成高度是40 mm的體模塊。實驗設備為北京森馥科技有限公司微波功率源（輸出功率為0～100 W），NEC TH5108ME紅外熱像儀，實驗在GTEM電磁輻照室進行。環境溫度13℃，微波功率30W，加熱時間180s，天線介入體模的深度d=60 mm。加熱后按疊放順序由上而下依次迅速揭開各層體模，同時用紅外熱像儀拍攝每層體模，得到各層的熱像圖[10]。

圖7給出了兩種介入式天線對仿生體模加熱后各層體模的熱像圖。提取各層42℃等溫線，給出加熱后體模的3維有效熱區（溫度高于42℃的3維區域），如圖8所示。表1給出了兩種天線對均勻仿生體模加熱后，42℃熱區的長軸和短軸。圖9給出了天線在介入層體模的溫度分布。

從實驗數據看出，在介入仿生體模的深度d相同時，挽袖天線的加熱區域大于挽袖傘形天線，3維有效熱場呈橢球狀，且等溫線梯度分布間距大，說明加熱區域不集中；挽袖傘形天線的3維有效熱場近似呈球狀，等溫線梯度分布間距小，說明加熱區域集中，溫度分布較均勻，且高溫區域主要集中在天線的頂部，這樣在臨床使用時易于控制加熱部位。

表1 兩種天線對仿生體模加熱后有效熱區的長軸和短軸Tab.1 Long axis and short axis of the effective thermal region in phantom heated with the two antennas

圖6 微波加熱仿生體模的實驗裝置Fig.6 Experimental setup of microwave heat tissue-equivalent phantom

圖7 各層體模的熱像圖Fig.7 Thermal images of each layer of phantom

圖8 仿生體模中溫度高于42℃的三維區域Fig.8 3D region with temperature greater than 42℃ in phantom

圖9 介入層體模的溫度分布Fig.9 Temperature distribution in the invasive layer

4 總結

本文在挽袖天線的基礎上，設計了挽袖傘形微波熱療天線。通過數值仿真，比較了兩種天線的S11及其介入腫瘤組織中的比吸收率（SAR）分布；通過熱療實驗，給出兩種天線介入分層仿生體模時的介入層及3維溫度場分布。研究結果表明：本文設計的挽袖傘形天線具有幾何尺寸小、反射系數小、加熱均勻、3維溫度場近似呈球形和高溫區域主要集中在天線的頂部等優點，是提高介入式微波熱療效果的較優選擇。

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Design and Implementation of an Improved Invasive Antenna for Microwave Hyperthermia

【 Writers 】Xue Qian, Sun Bing, Chen Lei, Wang Jiajun
School of Electronics and Information, Soochow University, Suzhou 215021, China

microwave hyperthermia, invasive antenna, speci fi c absorption rate (SAR)

O451，O551.2

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.011

1671-7104(2010)05-0427-04

2010-07-16

江蘇省高校自然科學基礎研究項目(08KJB510019)

薛倩，E-mail:Xueqian8@163.com

【 Abstract 】A new 2450MHz invasive antenna for microwave hyperthermia is designed in this paper. The finite element method is employed to simulate the choke antenna and improved choke antenna i.e. choke-umbrella antenna. The specific absorption rates (SAR) in tumors are calculated with the two kinds of antennas. S11 of choke-umbrella antenna is also compared with that of choke antenna. Multi-layered block of tissue-equivalent phantom is heated with the fabricated invasive antenna. The distribution of the temperature field in the invasive layer as well as the three-dimensional distribution of the temperature fi eld in phantom is obtained with an infrared thermo graphic technique. Research results show that the improved choke-umbrella antenna can generate more uniform temperature distribution and meets the requirements of the actual clinical microwave hyperthermia better.