一種應用于淺表層腫瘤的微波熱療輻射器的設計*

孫 兵，陸曉峰，曹 毅

1 蘇州大學電子信息學院，江蘇，蘇州，215021

2 蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇，蘇州，215021

3 蘇州大學放射與公共衛生學院，江蘇，蘇州，215021

一種應用于淺表層腫瘤的微波熱療輻射器的設計*

【作 者】孫 兵1，陸曉峰2，曹 毅3

1 蘇州大學電子信息學院，江蘇，蘇州，215021

2 蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇，蘇州，215021

3 蘇州大學放射與公共衛生學院，江蘇，蘇州，215021

目的 設計一個工作頻率2.45 GHz，結構為單矩形貼片的微波熱療輻射器。方法 基于微帶天線理論，設計輻射器參數，并在HFSS上建立仿真模型并進行優化。結果 設計的輻射器首先經網絡分析儀測試，滿足設計的技術指標；在輻照實驗中，采用紅外熱像儀測溫，給出功率為30 W、照射距離30 mm、加熱持續時間15 min時的仿真體模的熱場分布圖。熱場分布3D圖顯示熱場中心區域徑向直徑小，透熱深度深。結論 該輻射器輸出的微波能量可以準確到達淺表層腫瘤，而不損傷周圍的正常組織。

微波輻射器；淺表層腫瘤；微帶；熱場分布

腫瘤微波熱療是在微波輻照下腫瘤組織吸收微波能，使腫瘤組織溫度上升到有效治療溫度，并維持一段時間，殺死腫瘤細胞而又不損傷正常細胞的一種治療方法[1]。由于癌變組織的介電常數與電導率高于正常組織，如位于淺表層的乳腺腫瘤，是正常胸部組織的三倍，在受到微波照射時，腫瘤組織的溫升比周圍正常組織的溫升要高出約 1～3℃[2]。通常發生在乳房腺上皮組織的乳腺惡性腫瘤，是一種嚴重影響婦女健康甚至危及生命的最常見的惡性腫瘤之一，屬于體表腫瘤，熱能易于到達，因此對體表直接進行加熱是一種較為有效的治療方法。由于微波的穿透深度與頻率有關，因此本文設計的輻射器頻率選擇為2.45 GHz。

輻射器又稱為天線。由于熱療中要求天線輻射的微波能量準確聚焦在腫瘤體，需要采用聚焦能力強的天線，如喇叭天線，但是其體積較笨重和重量較大，臨床上輻射器的位置不易精確控制；微帶天線雖然聚焦能力不及喇叭天線，但是微帶天線具有體積小、重量輕、結構簡單和平面結構易于生物組織共形等優點，在治療中可以貼近乳房，這樣腫瘤在輻射器的近場，可以克服微帶輻射器聚焦能力較弱的缺點。本文研制為工作頻率2.45 GHz矩形單貼片微帶結構的微波輻射器，經仿真、測試和熱實驗等方法分析表明，可應用于乳腺腫瘤的熱療。

1 方法

1.1 輻射器的設計

微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線。它通過微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。由于乳房體積較小，乳腺腫瘤位置較淺，要求輻射器體積小、輻射效率高，而微帶結構的輻射器具有剖面薄、體積小和重量輕等特點，能滿足這些要求。但是其頻帶寬度較窄，在臨床使用時對微波信號源的精度要求高，否則將影響輻射位置和劑量的準確性。

矩形貼片尺寸為a×b，介質基片厚度為h，且h＜＜λ0，λ0為微波自由空間波長。貼片單元長度、寬度的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數、輻射電阻及輸入阻抗，因而影響微帶天線的頻帶寬度與輻射效率。在圖1所示的模型中，對矩形貼片尺寸a、b計算如下[3]：

其中f0是諧振頻率，εr是介質基片相對介電常數，c是光速；

其中λg＝_為等效電磁波波長，等效介電常數△a為等效延伸長度，依據下式計算：

圖1 矩形微帶結構輻射器的模型Fig.1 Model of single rectangle sheet structure applicator

常規的單貼片微帶天線的帶寬為0.6～3%。在微帶天線中，帶寬（bandwidth）與天線總的品質因素Q的關系為[4]：

其中VSWR(voltage standing wave ratio)為天線的駐波比。天線總的品質因素為

Qr為輻射損耗引起的品質因素，Qc為導體損耗引起的品質因素，Qd為介質損耗引起的品質因素，Qsw為表面波損耗引起的品質因素。展寬頻帶的方法，由式（4）可知，當VSWR一定時，帶寬與Q成反比，因此若要提高天線的帶寬，需要降低輻射器的Q。僅從對Qd（其中Qd=，tan δ是介質損耗角正切）分析可知，當介質基板的相對介電常數 εr較小時，可增強產生輻射的邊緣場，增加帶寬。通常Qr比Qc、Qd、Qsw小，所以Q通常可以用Qr作近似估計：

式中的Gr為矩形貼片天線的等效輻射電導。

1.2 數值計算與仿真

由上述分析可得，微帶天線的品質因素Q和微帶天線的介質基板厚度h、介質基板介電常數εr、貼片的形狀等有關。本文設計的一種單貼片微帶天線，由導體薄片、介質層和接地底板三部分構成，天線的工作頻率f = 2.45 GHz，在Ansoft 公司開發的高頻電磁仿真軟件HFSS.10上建立模型，并對部分參數進行優化。天線的參數選擇如下：矩形貼片尺寸a=310 mm、b=310 mm，介質基片直徑r=70 mm，厚度h=6.5 mm，選擇的εr=3.48±0.05的RO4350高頻線路板材料制作印刷板，在Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS上建立仿真模型并計算，得到仿真微帶天線的指標。當VSWR＜2時，矩形貼片微帶天線的帶寬BW=120 MHz，相對帶寬為4.9%，在E面圖中Dmax為，6dBi。

2 結果

2.1 指標測試

采用Agilent公司的N5230矢量網絡分析儀及Model MF-7802多功能定位控制器對研制天線的指標測試，在EMC電磁屏蔽室進行。下面是對天線的測試指標（測試頻帶范圍：2～3 GHz），如圖2。

圖2 微帶結構輻射器測試的主要指標Fig.2 Test index of single rectangle sheet structure applicator

當V S W R＜2時，矩形貼片微帶天線的帶寬BW=85MHz，相對帶寬為3.47%，方向圖中，Dmax=5.6 dBi，與仿真模型的指標比較，基本相符。

2.2 熱場分布研究

生物組織在吸收微波能量后，宏觀上表現為溫度的升高，組織內溫度的變化與組織的電磁參數、熱物性參數及微波輻射參數等都密切相關。定量描述生物組織對微波電磁場吸收的物理量為比吸收率SAR（specific absorption rate），其定義為[5]：

式中第一項是導電引起的能量轉換，第二項是介質極化滯后所產生的能量轉換。其中ρ為生物組織的體密度，σ 為生物組織的總電導率，ε" 為損耗因子，σe= σ+ωε" 稱為生物組織的總電導率，E為生物組織當前位置的電場強度。

2.2.1 電場強度的分布

電場強度的測試裝置如圖3(a)，實驗設備為北京森馥科技有限公司的輸出功率可調的信號源，PMMEP330電場強度測試探頭，PMM8053電磁輻射分析儀，實驗在GTEM電磁輻照室進行。

圖3 微帶天線電場測試Fig.3 Testing Electric-Field Intensity of microstrip applicator

首先，對研制的微帶天線的電場強度的空間分布進行測試。由于向任意方向傳播的均勻平面電磁波的電場強度E=E0e-jad(V/m)[6]，對圖3(b)中的電場測試數據進行指數擬合，與電磁波在損耗媒質中傳播的規律相符。

圖4 熱場分布的實驗裝置與熱像圖Fig.4 Experimental facility and Infrared figure of thermal distribution

2.2.2 熱場的分布

微波加熱生物組織的一維模型如圖4(a)所示，仿生體模為植物蛋白質、MgSO4、NaCl和水按一定比例，壓制成厚2 mm的層片，取20層疊置成高度是40 mm的體模塊。體模分析采用圓柱坐標。微波輻照后，按疊放順序由上而下依此迅速揭開各層體模，用NEC TH5108ME紅外熱像儀拍攝每層體模，就可得到各層的熱像圖，溫度精度為±0.1℃。實驗條件為：天線輸入功率P=30 W，輻照持續時間t=15 min，輻照距離D=30 mm，環境溫度T0=16.3℃。圖4(b) 所示為熱場分布的測試裝置和測試瞬時拍攝的第5層體模的熱像圖。熱像圖中可設置光標a，a移動時可以實時給出熱像圖中當前位置的溫度值。

圖5 輻照后各層23.3oC等溫線Fig.5 3D and 2D distribution of 23.3oC isotherm in simulation tissue after radiation

當腫瘤體內的溫度上升至42.5℃時，高熱具有能抑制腫瘤細胞的DNA、RNA及蛋白質合成，使腫瘤細胞骨架散亂，發生細胞許多重要功能受損等的作用。由于人體正常體表溫度為35.5℃，與治療的溫度差為△T =7℃。加熱實驗中，環境溫度T0=16.3℃，在拍攝的各層熱像圖中截取T=23.3℃的等溫線數據，如圖4(c)所示，等溫線區域近似圓形。將各層合成得到圖5所示的三維與二維熱場分布圖。圖5(a) 三維的熱場分布近似一紡錘形，透熱深度可達30 mm，對于分布位置較淺的乳腺腫瘤，這可以滿足治療要求；而且，在距離體表深度10 mm處，23.3oC的等溫線區域直徑最大，經測量，最高溫度Tmax達40.1oC。圖5(b) 二維熱場給出熱域的徑向分布，23.3oC的等溫線區域直徑最大為30 mm。熱實驗表明該輻射器可以滿足乳腺腫瘤的治療。

3 結論

本文設計制作的用于淺表層腫瘤熱療的矩形貼片微帶天線，具有結構簡單、體積小和加熱效率高等特點，經測試其性能指標可以滿足諸如乳腺等淺表腫瘤熱療的需求。當腫瘤體的體積較大和位置較深時，可以采用相控陣輻射器，該輻射器也是陣元的較好選擇。由于微帶天線的帶寬較窄，治療過程中對微波信號發生器的精度要求較高，而且方向性較差，需要聚焦設備提高其聚束能力。因此，研究寬帶的聚束能力強的微帶天線，成為當前臨床熱療輻射器的開發方向。

[1] M. F. J. Cepeda, A. Vera, L. Leija. Electromagnetic Hyperthermia Ablation Devices for Breast Cancer: State of the Art and Challenges for the Future[C]. 2009 Pan American Health Care Exchanges – PAHCE. Conference (Mexico City), 99-103.

[2] Chaudhary S S, Mishra R K, Swarup A, Thomas J M. Dielectric Properties of normal and malignant human breast tissues at radiowave and microwave frequencies[J]. Biochem. Biophys. 1984, 21: 76～79.

[3] 鐘順時. 微帶天線的理論與應用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1991.

[4] Byungje Lee, Harackiewicz. Miniature microstrip antenna with a partially filled high—permittivity substrate[J]. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2002, 50( 8):1160-1162.

[5] Paul R. Stauffer, Francesca Rossetto, Marco Leoncini, et al. Radiation Patterns of Dual Concentric conductor Microstrip Antennas for Superficial Hyperthermia[J]. IEEE Trans. Biomedical Eegineering 1998, 45(5): 605-613.

[6] Harold R. Underwood, Andrew F. Peterson, Richard L. Magin. Electric-Field Distribution Near Rectangular Microstrip Radiators for Hyperthermia Heating: Theory Versus Experiment in Water[J]. IEEE TRANS. BIOMEDICAL ENGINEERING, 1992, 39(2): 146-153.

Design of an Microwave Applicator Using for Tumor in Superf i cial Layer

【Writers】Sun Bing1, Lu Xiaofeng2, Cao Yi3

1 School of Electronics and Information, Soochow University, Suzhou, 215021
2 School of Computer Science & Technology, Soochow University, Suzhou, 215021
3 Institute of Radiation Medicine and Public Health, Soochow University, Suzhou, 215021

Objective A 2.45GHz microstrip applicator using single rectangle sheet structure is presented. Methods Based on the radiant principle of microstrip antenna, the applicator’s parameter is designed and the simulating model is set and optimized in HFSS. Results Measured by network analyzer, the technical target of this applicator is complied with design demand. During irradiation experiment, based on 30 W power, 30 mm radiation distance and 15 min duration experiment condition, the thermal fi eld distribution map of phantom is obtained from the far-infrared image instrument. The 3D map shows that the region of thermal fi eld centre has small radius and deep heat penetration. Conclusion The microwave energy from this applicator can reach the tumor in super fi cial layer without heat injuring normal tissue around it.

microwave applicator, tumor in super fi cial layer, microstrip, thermal fi eld distribution

O451，O551.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2010.03.012

1671-7104(2010)03-0198-04

2010-03-02

江蘇省高校自然科學基礎研究項目資助（08KJB510019）

孫兵（1968-），女（漢），副教授，研究方向為微波天線與生物電磁學。E-mail: sunbing@suda.edu.cn