一种应用于浅表层肿瘤的微波热疗辐射器的设计*

孙 兵，陆晓峰，曹 毅

1 苏州大学电子信息学院，江苏，苏州，215021

2 苏州大学计算机科学与技术学院，江苏，苏州，215021

3 苏州大学放射与公共卫生学院，江苏，苏州，215021

一种应用于浅表层肿瘤的微波热疗辐射器的设计*

【作 者】孙 兵1，陆晓峰2，曹 毅3

1 苏州大学电子信息学院，江苏，苏州，215021

2 苏州大学计算机科学与技术学院，江苏，苏州，215021

3 苏州大学放射与公共卫生学院，江苏，苏州，215021

目的 设计一个工作频率2.45 GHz，结构为单矩形贴片的微波热疗辐射器。方法 基于微带天线理论，设计辐射器参数，并在HFSS上建立仿真模型并进行优化。结果 设计的辐射器首先经网络分析仪测试，满足设计的技术指标；在辐照实验中，采用红外热像仪测温，给出功率为30 W、照射距离30 mm、加热持续时间15 min时的仿真体模的热场分布图。热场分布3D图显示热场中心区域径向直径小，透热深度深。结论 该辐射器输出的微波能量可以准确到达浅表层肿瘤，而不损伤周围的正常组织。

微波辐射器；浅表层肿瘤；微带；热场分布

肿瘤微波热疗是在微波辐照下肿瘤组织吸收微波能，使肿瘤组织温度上升到有效治疗温度，并维持一段时间，杀死肿瘤细胞而又不损伤正常细胞的一种治疗方法[1]。由于癌变组织的介电常数与电导率高于正常组织，如位于浅表层的乳腺肿瘤，是正常胸部组织的三倍，在受到微波照射时，肿瘤组织的温升比周围正常组织的温升要高出约 1～3℃[2]。通常发生在乳房腺上皮组织的乳腺恶性肿瘤，是一种严重影响妇女健康甚至危及生命的最常见的恶性肿瘤之一，属于体表肿瘤，热能易于到达，因此对体表直接进行加热是一种较为有效的治疗方法。由于微波的穿透深度与频率有关，因此本文设计的辐射器频率选择为2.45 GHz。

辐射器又称为天线。由于热疗中要求天线辐射的微波能量准确聚焦在肿瘤体，需要采用聚焦能力强的天线，如喇叭天线，但是其体积较笨重和重量较大，临床上辐射器的位置不易精确控制；微带天线虽然聚焦能力不及喇叭天线，但是微带天线具有体积小、重量轻、结构简单和平面结构易于生物组织共形等优点，在治疗中可以贴近乳房，这样肿瘤在辐射器的近场，可以克服微带辐射器聚焦能力较弱的缺点。本文研制为工作频率2.45 GHz矩形单贴片微带结构的微波辐射器，经仿真、测试和热实验等方法分析表明，可应用于乳腺肿瘤的热疗。

1 方法

1.1 辐射器的设计

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它通过微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。由于乳房体积较小，乳腺肿瘤位置较浅，要求辐射器体积小、辐射效率高，而微带结构的辐射器具有剖面薄、体积小和重量轻等特点，能满足这些要求。但是其频带宽度较窄，在临床使用时对微波信号源的精度要求高，否则将影响辐射位置和剂量的准确性。

矩形贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h，且h＜＜λ0，λ0为微波自由空间波长。贴片单元长度、宽度的尺寸直接影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，因而影响微带天线的频带宽度与辐射效率。在图1所示的模型中，对矩形贴片尺寸a、b计算如下[3]：

其中f0是谐振频率，εr是介质基片相对介电常数，c是光速；

其中λg＝_为等效电磁波波长，等效介电常数△a为等效延伸长度，依据下式计算：

图1 矩形微带结构辐射器的模型Fig.1 Model of single rectangle sheet structure applicator

常规的单贴片微带天线的带宽为0.6～3%。在微带天线中，带宽（bandwidth）与天线总的品质因素Q的关系为[4]：

其中VSWR(voltage standing wave ratio)为天线的驻波比。天线总的品质因素为

Qr为辐射损耗引起的品质因素，Qc为导体损耗引起的品质因素，Qd为介质损耗引起的品质因素，Qsw为表面波损耗引起的品质因素。展宽频带的方法，由式（4）可知，当VSWR一定时，带宽与Q成反比，因此若要提高天线的带宽，需要降低辐射器的Q。仅从对Qd（其中Qd=，tan δ是介质损耗角正切）分析可知，当介质基板的相对介电常数 εr较小时，可增强产生辐射的边缘场，增加带宽。通常Qr比Qc、Qd、Qsw小，所以Q通常可以用Qr作近似估计：

式中的Gr为矩形贴片天线的等效辐射电导。

1.2 数值计算与仿真

由上述分析可得，微带天线的品质因素Q和微带天线的介质基板厚度h、介质基板介电常数εr、贴片的形状等有关。本文设计的一种单贴片微带天线，由导体薄片、介质层和接地底板三部分构成，天线的工作频率f = 2.45 GHz，在Ansoft 公司开发的高频电磁仿真软件HFSS.10上建立模型，并对部分参数进行优化。天线的参数选择如下：矩形贴片尺寸a=310 mm、b=310 mm，介质基片直径r=70 mm，厚度h=6.5 mm，选择的εr=3.48±0.05的RO4350高频线路板材料制作印刷板，在Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS上建立仿真模型并计算，得到仿真微带天线的指标。当VSWR＜2时，矩形贴片微带天线的带宽BW=120 MHz，相对带宽为4.9%，在E面图中Dmax为，6dBi。

2 结果

2.1 指标测试

采用Agilent公司的N5230矢量网络分析仪及Model MF-7802多功能定位控制器对研制天线的指标测试，在EMC电磁屏蔽室进行。下面是对天线的测试指标（测试频带范围：2～3 GHz），如图2。

图2 微带结构辐射器测试的主要指标Fig.2 Test index of single rectangle sheet structure applicator

当V S W R＜2时，矩形贴片微带天线的带宽BW=85MHz，相对带宽为3.47%，方向图中，Dmax=5.6 dBi，与仿真模型的指标比较，基本相符。

2.2 热场分布研究

生物组织在吸收微波能量后，宏观上表现为温度的升高，组织内温度的变化与组织的电磁参数、热物性参数及微波辐射参数等都密切相关。定量描述生物组织对微波电磁场吸收的物理量为比吸收率SAR（specific absorption rate），其定义为[5]：

式中第一项是导电引起的能量转换，第二项是介质极化滞后所产生的能量转换。其中ρ为生物组织的体密度，σ 为生物组织的总电导率，ε" 为损耗因子，σe= σ+ωε" 称为生物组织的总电导率，E为生物组织当前位置的电场强度。

2.2.1 电场强度的分布

电场强度的测试装置如图3(a)，实验设备为北京森馥科技有限公司的输出功率可调的信号源，PMMEP330电场强度测试探头，PMM8053电磁辐射分析仪，实验在GTEM电磁辐照室进行。

图3 微带天线电场测试Fig.3 Testing Electric-Field Intensity of microstrip applicator

首先，对研制的微带天线的电场强度的空间分布进行测试。由于向任意方向传播的均匀平面电磁波的电场强度E=E0e-jad(V/m)[6]，对图3(b)中的电场测试数据进行指数拟合，与电磁波在损耗媒质中传播的规律相符。

图4 热场分布的实验装置与热像图Fig.4 Experimental facility and Infrared figure of thermal distribution

2.2.2 热场的分布

微波加热生物组织的一维模型如图4(a)所示，仿生体模为植物蛋白质、MgSO4、NaCl和水按一定比例，压制成厚2 mm的层片，取20层叠置成高度是40 mm的体模块。体模分析采用圆柱坐标。微波辐照后，按叠放顺序由上而下依此迅速揭开各层体模，用NEC TH5108ME红外热像仪拍摄每层体模，就可得到各层的热像图，温度精度为±0.1℃。实验条件为：天线输入功率P=30 W，辐照持续时间t=15 min，辐照距离D=30 mm，环境温度T0=16.3℃。图4(b) 所示为热场分布的测试装置和测试瞬时拍摄的第5层体模的热像图。热像图中可设置光标a，a移动时可以实时给出热像图中当前位置的温度值。

图5 辐照后各层23.3oC等温线Fig.5 3D and 2D distribution of 23.3oC isotherm in simulation tissue after radiation

当肿瘤体内的温度上升至42.5℃时，高热具有能抑制肿瘤细胞的DNA、RNA及蛋白质合成，使肿瘤细胞骨架散乱，发生细胞许多重要功能受损等的作用。由于人体正常体表温度为35.5℃，与治疗的温度差为△T =7℃。加热实验中，环境温度T0=16.3℃，在拍摄的各层热像图中截取T=23.3℃的等温线数据，如图4(c)所示，等温线区域近似圆形。将各层合成得到图5所示的三维与二维热场分布图。图5(a) 三维的热场分布近似一纺锤形，透热深度可达30 mm，对于分布位置较浅的乳腺肿瘤，这可以满足治疗要求；而且，在距离体表深度10 mm处，23.3oC的等温线区域直径最大，经测量，最高温度Tmax达40.1oC。图5(b) 二维热场给出热域的径向分布，23.3oC的等温线区域直径最大为30 mm。热实验表明该辐射器可以满足乳腺肿瘤的治疗。

3 结论

本文设计制作的用于浅表层肿瘤热疗的矩形贴片微带天线，具有结构简单、体积小和加热效率高等特点，经测试其性能指标可以满足诸如乳腺等浅表肿瘤热疗的需求。当肿瘤体的体积较大和位置较深时，可以采用相控阵辐射器，该辐射器也是阵元的较好选择。由于微带天线的带宽较窄，治疗过程中对微波信号发生器的精度要求较高，而且方向性较差，需要聚焦设备提高其聚束能力。因此，研究宽带的聚束能力强的微带天线，成为当前临床热疗辐射器的开发方向。

[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] 钟顺时. 微带天线的理论与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 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

江苏省高校自然科学基础研究项目资助（08KJB510019）

孙兵（1968-），女（汉），副教授，研究方向为微波天线与生物电磁学。E-mail: sunbing@suda.edu.cn