一款高效微波聚焦热疗系统的设计

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关键词： 微波热疗系统; 环形阵列天线; 匹配介质; 人体模型; 靶向聚焦; 肿瘤治疗

中图分类号： TN99⁃34                           文献标识码： A                      文章编号： 1004⁃373X（2019）02⁃0001⁃04

Design of a high⁃efficiency microwave focusing thermotherapy system

XIA Lichao， WEN Geyi， WANG Shenyun

（Research Center of Applied Electromagnetics， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： A high⁃efficiency microwave focusing thermotherapy system is designed to effectively improve the energy utilization rate of the microwave thermotherapy system and the tumor treatment effect. The 36⁃element annular array antenna is adopted for the radiator of the system. The 3⁃layer matching medium is loaded on the human body equivalent model. The antenna focusing algorithm is used to realize targeted focusing of the radiator energy in the depth of the human body model. The results of the simulation and experiment show that the energy utilization rate of the system is two times higher than that of the single⁃layer human body matching medium layer loaded system. The system can not only realize efficient penetration of the extracorporal microwave energy， but also guarantee targeted focusing of the electromagnetic energy that has penetrated into the human body， which overcomes the electromagnetic energy loss problem caused by scattering and refraction existing in general microwave thermotherapy systems.

Keywords： microwave thermotherapy system; annular array antenna; matching medium; human body model; targeted focusing; tumor treatment

0  引  言     

腫瘤热疗是一种借助物理能量产生的热效应使得肿瘤组织部位温度上升至有效治疗温度水平，并维持一段时间，达到可以加速癌细胞死亡，又不损伤周围正常细胞及组织的治疗方法[1]。临床研究结果显示，采用热疗联合放、化疗可以显著提高患者生存率，而引起的不良反应较小[2]。微波热疗是热疗的一种重要类型，即将体外产生的微波能量有效传递到体内病灶区域进行加热。目前国内外对微波热疗进行了广泛的理论和实验研究，其类型包括表面区域微波热疗、深部区域微波热疗、全身微波热疗等[3]。众多研究方法被应用于微波热疗系统的设计，包括光学射线追踪法、自适应反馈算法等[4⁃5]。最近，一种优化功率传输系统的最大传输效率的算法被提出，这种方法已被用于设计近场微波热疗聚焦天线 [6⁃9]。

众所周知，电磁波在复杂人体介质中传播时，不断地产生散射和吸收，造成很大一部分辐射功率无法达到目标区域，从而使得系统热疗效率较低，严重影响微波热疗效果，引起微波能损耗和电磁兼容问题。为此，本文设计一款高效微波聚焦热疗系统。该系统的人体模型采用三层匹配介质加载来提高体外⁃体内的能量耦合效率，并通过优化发射天线到肿瘤内部虚拟接收天线的最大功率传输效率来获得环形阵列的最佳激励，从而实现能量有效聚焦。实验结果表明，加载三层匹配介质层的热疗系统性能得到了较大的改善，其能量利用效率较单层匹配介质加载的系统提高3倍多。目标区域的聚焦靶点电场强度显著增强，附近没有产生其他“热点”电场，较好地实现了系统能量靶向聚焦的性能。

1  系统结构

本文设计的微波热疗系统结构如图1所示，系统由微波功率源、阵列天线辐射器、等效人体模型、人体模型匹配介质层和阵列天线馈电网络组成。该系统的天线与人体模型拓扑结构图如图2所示。

1.1  陣列天线设计

环形发射阵列天线的单元采用了工作频率为433 MHz的矩形贴片天线[6]。然后通过天线单元组成3×2平面阵列，并印刷在尺寸为451 mm×366 mm×10 mm的基板上。最后将六块相同的3×2平面阵列组成一个36单元的六面环形阵列。

1.2  人体等效模型及匹配介质设计

为了系统简单化，采用圆柱形的人体等效配比模型，其配比材料为液态[10]，以便于深部电场测量。圆柱人体模型半径为70 mm，高度为366 mm。利用传输矩阵计算原理[11]，优化设计出了加载在人体模型表面的三层匹配介质层厚度：第一层厚度为110 mm;第二层厚度为15 mm;第三层厚度为62 mm。优化的约束条件：第一与第三层是介质常数为9.8的材料;第二层材料为去离子水。人体模型和匹配介质的介电性能及材料制作配方分别由表1和表2给出，详细的配制过程见参考文献[12]。

1.3  馈电网络设计

本文采用最大功率传输效率优化设计方法[6⁃7]，首先假定发射天线阵列由N个天线单元构成。为了使其在任意复杂的人体环境内部产生聚焦，在目标区域设置了1个虚拟的接收天线，并与阵列天线辐射单元构成N+1端口网络。阵列天线辐射器和虚拟接收天线之间的功率传输效率定义为接收天线接收到的功率与发射天线输入的功率比值。假定阵列天线辐射单元和接收天线都匹配，可以通过求解特征方程的特征向量来获得阵列天线各个辐射单元的最佳幅度与相位，对应的特征值即为最佳功率传输效率[Tmax]：

[Aat=Tarrayat]

式中，[A=SrtTSrt]，[Srt]是多端口网络的散射参数，通过数值仿真得到。不同于传统的光学聚焦原理，本文采用的能量聚焦原理只依赖于系统多端口网络结构的散射参数，可用于任意复杂环境。根据热疗目标位置的不同，调整所设置的虚拟接收天线的位置，即可实现对应位置的靶向聚焦。根据获得的各个辐射天线单元的相位与幅度，并利用功分器原理设计和制作出了对应的馈电网络，实物结构如图3所示。

2  实验结果及分析

根据表2提供的配方配制材料，分别将人体模型和匹配介质装入圆柱形玻璃容器中，获得等效的人体聚焦加热模型。再将天线与馈电网络及电源连接构成整个微波聚焦热疗系统，如图4所示。

图5为阵列天线[S11]参数的仿真与实测结果，-10 dB带宽范围为420～437 MHz，加载了馈电网络的阵列天线带宽相比于天线单元的带宽（432～438 MHz）略有展宽[6]，仿真和实测结果亦吻合较好。

为了验证所设计的微波热疗系统能量聚焦特性，对人体模型内部电场进行测量。测量过程中，将一个连接到矢量网络分析仪的鞭状天线植入到人体模型内部，测试了人体模型内部聚焦平面上两个正交方向（x和y轴）和垂直方向（z轴方向）的电场强度，并进行归一化处理。归一化电场强度测试结果分别如图6～图8所示。图6为环形阵列在聚焦平面（xy平面）上沿x轴方向上的仿真与实测归一化电场分布。图7为环形阵列在聚焦平面上沿y轴方向上的仿真与实测归一化电场分布。从图6、图7中可以看出，两个正交方向的中心出现了电场峰值，且实验结果和仿真结果吻合得较好，聚焦位置没有产生偏移。图8为环形阵列在聚焦中心沿z轴方向上的仿真与实测归一化电场分布。由于测试天线尺寸限制，-183～-153 mm以及153～183 mm处没有实测数据。图9为发射功率（1 W）相同的条件下，单层匹配介质加载和三层匹配介质加载的系统在目标区域电场仿真结果对比。可以看到，三层匹配介质的加载系统电场聚焦强度相比于单层匹配介质加载的系统具有显著的增强，并形成了很好的靶向聚焦效果。

3  结  论

本文设计了一款高效微波聚焦热疗系统。该系统由阵列天线辐射器、人体模型、匹配介质层以及馈电网络构成。阵列天线激励采用聚焦优化设计方法，使其辐射能量有效聚焦到目标区域。仿真和实验结果表明，三层匹配介质加载的系统相对于单层匹配介质加载的情况，具有较高的能量耦合效率和聚焦特性，在目标区域附近不产生任何能量“热点”。本文为临床微波聚焦热疗系统设计提供了新的理论与实践依据。

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