一款高效微波聚焦熱療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

夏立超 文舸一 王身云

關(guān)鍵詞： 微波熱療系統(tǒng); 環(huán)形陣列天線; 匹配介質(zhì); 人體模型; 靶向聚焦; 腫瘤治療

中圖分類號(hào)： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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 ? ??

腫瘤熱療是一種借助物理能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)使得腫瘤組織部位溫度上升至有效治療溫度水平，并維持一段時(shí)間，達(dá)到可以加速癌細(xì)胞死亡，又不損傷周圍正常細(xì)胞及組織的治療方法[1]。臨床研究結(jié)果顯示，采用熱療聯(lián)合放、化療可以顯著提高患者生存率，而引起的不良反應(yīng)較小[2]。微波熱療是熱療的一種重要類型，即將體外產(chǎn)生的微波能量有效傳遞到體內(nèi)病灶區(qū)域進(jìn)行加熱。目前國內(nèi)外對(duì)微波熱療進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究，其類型包括表面區(qū)域微波熱療、深部區(qū)域微波熱療、全身微波熱療等[3]。眾多研究方法被應(yīng)用于微波熱療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括光學(xué)射線追蹤法、自適應(yīng)反饋算法等[4?5]。最近，一種優(yōu)化功率傳輸系統(tǒng)的最大傳輸效率的算法被提出，這種方法已被用于設(shè)計(jì)近場(chǎng)微波熱療聚焦天線 [6?9]。

眾所周知，電磁波在復(fù)雜人體介質(zhì)中傳播時(shí)，不斷地產(chǎn)生散射和吸收，造成很大一部分輻射功率無法達(dá)到目標(biāo)區(qū)域，從而使得系統(tǒng)熱療效率較低，嚴(yán)重影響微波熱療效果，引起微波能損耗和電磁兼容問題。為此，本文設(shè)計(jì)一款高效微波聚焦熱療系統(tǒng)。該系統(tǒng)的人體模型采用三層匹配介質(zhì)加載來提高體外?體內(nèi)的能量耦合效率，并通過優(yōu)化發(fā)射天線到腫瘤內(nèi)部虛擬接收天線的最大功率傳輸效率來獲得環(huán)形陣列的最佳激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)能量有效聚焦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載三層匹配介質(zhì)層的熱療系統(tǒng)性能得到了較大的改善，其能量利用效率較單層匹配介質(zhì)加載的系統(tǒng)提高3倍多。目標(biāo)區(qū)域的聚焦靶點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，附近沒有產(chǎn)生其他“熱點(diǎn)”電場(chǎng)，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量靶向聚焦的性能。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的微波熱療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由微波功率源、陣列天線輻射器、等效人體模型、人體模型匹配介質(zhì)層和陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)組成。該系統(tǒng)的天線與人體模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.1 ?陣列天線設(shè)計(jì)

環(huán)形發(fā)射陣列天線的單元采用了工作頻率為433 MHz的矩形貼片天線[6]。然后通過天線單元組成3×2平面陣列，并印刷在尺寸為451 mm×366 mm×10 mm的基板上。最后將六塊相同的3×2平面陣列組成一個(gè)36單元的六面環(huán)形陣列。

1.2 ?人體等效模型及匹配介質(zhì)設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，采用圓柱形的人體等效配比模型，其配比材料為液態(tài)[10]，以便于深部電場(chǎng)測(cè)量。圓柱人體模型半徑為70 mm，高度為366 mm。利用傳輸矩陣計(jì)算原理[11]，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了加載在人體模型表面的三層匹配介質(zhì)層厚度：第一層厚度為110 mm;第二層厚度為15 mm;第三層厚度為62 mm。優(yōu)化的約束條件：第一與第三層是介質(zhì)常數(shù)為9.8的材料;第二層材料為去離子水。人體模型和匹配介質(zhì)的介電性能及材料制作配方分別由表1和表2給出，詳細(xì)的配制過程見參考文獻(xiàn)[12]。

1.3 ?饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文采用最大功率傳輸效率優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[6?7]，首先假定發(fā)射天線陣列由N個(gè)天線單元構(gòu)成。為了使其在任意復(fù)雜的人體環(huán)境內(nèi)部產(chǎn)生聚焦，在目標(biāo)區(qū)域設(shè)置了1個(gè)虛擬的接收天線，并與陣列天線輻射單元構(gòu)成N+1端口網(wǎng)絡(luò)。陣列天線輻射器和虛擬接收天線之間的功率傳輸效率定義為接收天線接收到的功率與發(fā)射天線輸入的功率比值。假定陣列天線輻射單元和接收天線都匹配，可以通過求解特征方程的特征向量來獲得陣列天線各個(gè)輻射單元的最佳幅度與相位，對(duì)應(yīng)的特征值即為最佳功率傳輸效率[Tmax]：

[Aat=Tarrayat]

式中，[A=SrtTSrt]，[Srt]是多端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)，通過數(shù)值仿真得到。不同于傳統(tǒng)的光學(xué)聚焦原理，本文采用的能量聚焦原理只依賴于系統(tǒng)多端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)，可用于任意復(fù)雜環(huán)境。根據(jù)熱療目標(biāo)位置的不同，調(diào)整所設(shè)置的虛擬接收天線的位置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)位置的靶向聚焦。根據(jù)獲得的各個(gè)輻射天線單元的相位與幅度，并利用功分器原理設(shè)計(jì)和制作出了對(duì)應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)表2提供的配方配制材料，分別將人體模型和匹配介質(zhì)裝入圓柱形玻璃容器中，獲得等效的人體聚焦加熱模型。再將天線與饋電網(wǎng)絡(luò)及電源連接構(gòu)成整個(gè)微波聚焦熱療系統(tǒng)，如圖4所示。

圖5為陣列天線[S11]參數(shù)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果，-10 dB帶寬范圍為420～437 MHz，加載了饋電網(wǎng)絡(luò)的陣列天線帶寬相比于天線單元的帶寬（432～438 MHz）略有展寬[6]，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果亦吻合較好。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的微波熱療系統(tǒng)能量聚焦特性，對(duì)人體模型內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過程中，將一個(gè)連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的鞭狀天線植入到人體模型內(nèi)部，測(cè)試了人體模型內(nèi)部聚焦平面上兩個(gè)正交方向（x和y軸）和垂直方向（z軸方向）的電場(chǎng)強(qiáng)度，并進(jìn)行歸一化處理。歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別如圖6～圖8所示。圖6為環(huán)形陣列在聚焦平面（xy平面）上沿x軸方向上的仿真與實(shí)測(cè)歸一化電場(chǎng)分布。圖7為環(huán)形陣列在聚焦平面上沿y軸方向上的仿真與實(shí)測(cè)歸一化電場(chǎng)分布。從圖6、圖7中可以看出，兩個(gè)正交方向的中心出現(xiàn)了電場(chǎng)峰值，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合得較好，聚焦位置沒有產(chǎn)生偏移。圖8為環(huán)形陣列在聚焦中心沿z軸方向上的仿真與實(shí)測(cè)歸一化電場(chǎng)分布。由于測(cè)試天線尺寸限制，-183～-153 mm以及153～183 mm處沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖9為發(fā)射功率（1 W）相同的條件下，單層匹配介質(zhì)加載和三層匹配介質(zhì)加載的系統(tǒng)在目標(biāo)區(qū)域電場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比。可以看到，三層匹配介質(zhì)的加載系統(tǒng)電場(chǎng)聚焦強(qiáng)度相比于單層匹配介質(zhì)加載的系統(tǒng)具有顯著的增強(qiáng)，并形成了很好的靶向聚焦效果。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)了一款高效微波聚焦熱療系統(tǒng)。該系統(tǒng)由陣列天線輻射器、人體模型、匹配介質(zhì)層以及饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。陣列天線激勵(lì)采用聚焦優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使其輻射能量有效聚焦到目標(biāo)區(qū)域。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三層匹配介質(zhì)加載的系統(tǒng)相對(duì)于單層匹配介質(zhì)加載的情況，具有較高的能量耦合效率和聚焦特性，在目標(biāo)區(qū)域附近不產(chǎn)生任何能量“熱點(diǎn)”。本文為臨床微波聚焦熱療系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的理論與實(shí)踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝麗莉，盛延良，王淑秋，等.腫瘤熱療的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2008，8（4）：772?774.

HAO Lili， SHENG Yanliang， WANG Shuqiu， et al. Research progress of tumor thermotherapy [J]. Progress in modern biomedicine， 2008， 8（4）： 772?774.

[2] 付建成.熱療聯(lián)合放療和化療治療惡性腫瘤患者的臨床效果[J].醫(yī)療裝備，2016，29（18）：11?12.

FU Jiancheng. Clinical effect of hyperthermia combined with radiotherapy and chemotherapy on malignant tumor patients [J]. Medical equipment， 2016， 29（18）： 11?12.

[3] WUST P， HILDEBRANDT B， SREENIVASA G， et al. Hyperthermia in combined treatment of cancer [J]. Lancet oncology， 2002， 3（8）： 487?497.

[4] GEE W， LEE S W， BONG N K， et al. Focused array hyperthermia applicator： theory and experiment [J]. IEEE transactions on biomedical engineering， 1984， 31（1）： 38?46.

[5] FENN A J， KING G A. Experimental investigation of an adaptive feedback algorithm for hot spot reduction in radio?frequency phased?array hyperthermia [J]. IEEE transactions on biomedical engineering， 1996， 43（3）： 273?280.

[6] WEN Geyi. Foundations of applied electrodynamics [M]. New York： Wiley， 2010.

[7] WEN Geyi. Foundations for radio frequency engineering [M]. [S.l.]： World scientific， 2015.

[8] HE Xiaoping， WEN Geyi， WANG Shengyun. A hexagonal focused array for microwave hyperthermia： optimal design and experiment [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2016， 15： 56?59.

[9] 賀小平，文舸一，王身云.一種用于微波熱療的環(huán)形聚焦天線設(shè)計(jì)[EB/OL].[2015?02?13].http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201502?169.

HE Xiaoping， WEN Geyi， WANG Shenyun. A hexagonal focused array for microwave hyperthermia [EB/OL]. [2015?02?13]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201502?169.

[10] KARACOLAK T， HOOD A Z， TOPSAKAL E. Design of a dual?band implantable antenna and development of skin mimicking gels for continuous glucose monitoring [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2008， 56（4）： 1001?1008.

[11] 馬如慧，劉生春.多分層介質(zhì)中平面電磁波的傳播特性分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（19）：36?38.

MA Ruhui， LIU Shengchun. Analysis of plane wave′s transmission rule in multi?layered media [J]. Modern electronics technique， 2008， 31（19）： 36?38.

[12] LAZEBNIK M， MADSEN E L， FRANK G R， et al. Tissue?mimicking phantom materials for narrowband and ultrawideband microwave applications [J]. Physics in medicine and biology， 2005， 50（18）： 4245?4258.