1、引言

微波熱療就是利用電磁能量在人體組織中所產生的熱效應，使組織細胞溫度升至41℃到45℃的有效治療高溫區，并且維持一定的時間，加速病變細胞的死亡，但不損傷正常細胞組織。因此合理設計輻射器天線的結構，精確計算輻射電場分布，是正確判斷微波熱療過程溫度熱場分布的前提。本文采用CST仿真軟件建立了微波熱療模型，通過該模型設計了一種高效實用的輻射天線，具有很好的近場輻射方向性，同時保證了良好的SAR分布。

2、微波熱療建模

2.1、天線模型

為了避免對組織細胞造成傷害，通常采用具有若方向性的圓波導天線，其工作頻率為915MHz。然而，通過仿真分析發現，單純的圓波導天線的電磁近場聚焦作用較差。為了使天線具有更好的輻射性能，設計中采用給圓波導加脊的方式，使得電磁場分布集中在兩脊之間。為了保證阻抗的匹配，將同軸線的外導體連接在脊波導邊上，內導體延伸至相對的脊內達到匹配，形成單極輻射器;同時脊為線性變化，阻抗由50Ω漸變到165Ω。如圖1(a)所示，其中圓波導半徑R=7.367cm，長度為L=16.78cm，壁厚t=0.35cm，后腔深度l=0.35cm，波導內脊間距h1=0.866cm，輻射口面脊間距h2=4.48cm，采用50Ω同軸饋電。

由于體膜表面電磁反射較大，為進一步提高治療效率，須對其結構加以優化。為了獲得更好的輻射效率，設計中采用介質填充圓波導天線腔體，并在天線口面加載厚度為

的三層介質實現匹配變換，該結構不僅可以抵消體模表面反射回波對天線的影響，而且可以增強電場的方向性，減小了電場能量的泄漏。結構如圖1所示。

　　(a)加脊圓波導天線切面圖　

　　(b) 填充介質并加載三層介質的圓波導天線

　　圖1 仿真天線結構視圖

2.2、人體組織模型

根據輻射天線口徑的大小和方便實測的原則，確定仿真模擬的體膜箱的截面尺寸為30cm*30c，厚度為20cm，置于距離輻射天線1cm處;在915MHz頻率下人體組織的相對介電常數er=51，磁導率

，電導率

。

3、參數提取

3.1、比吸收率(SAR)分布的計算

　　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，計算公式為：

　　上式中

和

分別表示組織的密度和電導率，

，。輻射天線的導體及絕緣介質的SAR為0。

3.2、SAR與熱療時間的關系

由于人體組織吸收電磁波能量后產生熱量，在溫度上升到治療要求的條件時，可用量熱法測出SAR與熱療時間的關系。在組織熱擴散等影響可以忽略的條件下，測出SAR與熱療時間的關系表達式為：

　　上式中C為組織的比熱，單位為

，

為熱療的時間，單位為s，是溫度上升到變化量，單位為K。組織的比熱為常量，所以從上式中可以得出，在加溫治療的過程中，SAR越大，則溫度上升更快，治療時間更短，輻射劑量越小。

4、計算結果及其分析

計算采用的CST微波高頻仿真軟件。源為TEM模，加在輻射天線的輸入端口，功率為1W。對結構優化前后的兩個輻射天線在組織中產生的電磁場和SAR分布以及輻射天線輸入端口的S參數進行計算比較。

　　電場強度取模值

,在XOY平面，體模放置在距天線輻射口面1cm處，如圖2所示，圖3給出了體模不同深度條件下的SAR分布圖，圖4為s11的掃頻圖。在圖2和圖3中，左側均為優化前的分布圖，右側為優化后的分布圖。

　　(a) 優化前后體模表面電場分布

 

　　(b) 優化前后體模深度12cm處電場分布

　　圖 2 體模中的電場分布圖

　　

　　(a) 優化前后體模表面SAR分布

　　

　　(b) 優化前后體模深度12cm處SAR分布

　　圖3 體模中的SAR分布圖

　　

　　圖4 結構優化前后的s11掃頻圖

從輻射天線在體膜不同深度的電場分布(見圖2)可以看出，經過介質填充并在輻射口面加載三層介質優化以后，電場聚焦明顯，而且在相同深度條件下，場強更大，同時電場分布均勻，保證了有效加溫面積。從SAR在體膜不同深度分布圖(見圖3)，優化前后天線的SAR分布都較均勻，而且優化后的SAR值高于優化前，改善有效加溫深度，減少治療時間和輻射劑量。從s11對比圖(見圖4)得到，在優化前后曲線的最低點均落在915MHz，而優化前s11為-13.12dB，優化后為-20.26dB，優化后的能量反射更小，輻射效率得到提高。

5、結論

醫用微波熱療天線與一般作用于遠場的天線不同，熱療天線作用于近場區域。它應具有將傳輸線上的導行波轉換為自由空間電磁波，并將輻射能量集中形成定向輻射的功能。

本文通過仿真，設計并改進了一種新型的微波熱療天線，實現了微波熱療天線對生物組織加熱效果的計算機模擬，并做出對比。通過優化改進，輻射天線的阻抗匹配程度更好，反射回腔體的功率小，提高了輻射功率的利用率，保證微波發射器正常工作和穩定，同時優化后電場近場的輻射方向性顯著提高，保證了與治療部位良好的一致性，實現高效率治療，避免損害周圍正常組織和器官，對改善微波腫瘤熱療的臨床治療效果具有重要的意義。