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微波热疗就是利用电磁能量在人体组织中所产生的热效应,使组织细胞温度升至41℃到45℃的有效治疗高温区,并且维持一定的时间,加速病变细胞的死亡,但不损伤正常细胞组织。因此合理设计辐射器天线的结构,精确计算辐射电场分布,是正确判断微波热疗过程温度热场分布的前提。那么,我们具体该怎么做呢?
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3个回答
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本文采用CST仿真软件建立了微波热疗模型,通过该模型设计了一种高效实用的辐射天线,具有很好的近场辐射方向性,同时保证了良好的SAR分布。
2、微波热疗建模 2.1、天线模型 为了避免对组织细胞造成伤害,通常采用具有若方向性的圆波导天线,其工作频率为915MHz。然而,通过仿真分析发现,单纯的圆波导天线的电磁近场聚焦作用较差。为了使天线具有更好的辐射性能,设计中采用给圆波导加脊的方式,使得电磁场分布集中在两脊之间。为了保证阻抗的匹配,将同轴线的外导体连接在脊波导边上,内导体延伸至相对的脊内达到匹配,形成单极辐射器;同时脊为线性变化,阻抗由50Ω渐变到165Ω。如图1(a)所示,其中圆波导半径R=7.367cm,长度为L=16.78cm,壁厚t=0.35cm,后腔深度l=0.35cm,波导内脊间距h1=0.866cm,辐射口面脊间距h2=4.48cm,采用50Ω同轴馈电。 由于体膜表面电磁反射较大,为进一步提高治疗效率,须对其结构加以优化。为了获得更好的辐射效率,设计中采用介质填充圆波导天线腔体,并在天线口面加载厚度为 的三层介质实现匹配变换,该结构不仅可以抵消体模表面反射回波对天线的影响,而且可以增强电场的方向性,减小了电场能量的泄漏。结构如图1所示。 (a)加脊圆波导天线切面图 (b) 填充介质并加载三层介质的圆波导天线 图1 仿真天线结构视图 2.2、人体组织模型 根据辐射天线口径的大小和方便实测的原则,确定仿真模拟的体膜箱的截面尺寸为30cm*30c,厚度为20cm,置于距离辐射天线1cm处;在915MHz频率下人体组织的相对介电常数er=51,磁导率 ,电导率 。 |
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3、参数提取
3.1、比吸收率(SAR)分布的计算 比吸收率(SAR)的定义是单位质量生物组织对电磁场能量的吸收率,计算公式为: 上式中 和 分别表示组织的密度和电导率, ,。辐射天线的导体及绝缘介质的SAR为0。 3.2、SAR与热疗时间的关系 由于人体组织吸收电磁波能量后产生热量,在温度上升到治疗要求的条件时,可用量热法测出SAR与热疗时间的关系。在组织热扩散等影响可以忽略的条件下,测出SAR与热疗时间的关系表达式为: 上式中C为组织的比热,单位为 , 为热疗的时间,单位为s,是温度上升到变化量,单位为K。组织的比热为常量,所以从上式中可以得出,在加温治疗的过程中,SAR越大,则温度上升更快,治疗时间更短,辐射剂量越小。 4、计算结果及其分析 计算采用的CST微波高频仿真软件。源为TEM模,加在辐射天线的输入端口,功率为1W。对结构优化前后的两个辐射天线在组织中产生的电磁场和SAR分布以及辐射天线输入端口的S参数进行计算比较。 电场强度取模值 ,在XOY平面,体模放置在距天线辐射口面1cm处,如图2所示,图3给出了体模不同深度条件下的SAR分布图,图4为s11的扫频图。在图2和图3中,左侧均为优化前的分布图,右侧为优化后的分布图。 (a) 优化前后体模表面电场分布 (b) 优化前后体模深度12cm处电场分布 图 2 体模中的电场分布图 (a) 优化前后体模表面SAR分布 (b) 优化前后体模深度12cm处SAR分布 图3 体模中的SAR分布图 图4 结构优化前后的s11扫频图 从辐射天线在体膜不同深度的电场分布(见图2)可以看出,经过介质填充并在辐射口面加载三层介质优化以后,电场聚焦明显,而且在相同深度条件下,场强更大,同时电场分布均匀,保证了有效加温面积。从SAR在体膜不同深度分布图(见图3),优化前后天线的SAR分布都较均匀,而且优化后的SAR值高于优化前,改善有效加温深度,减少治疗时间和辐射剂量。从s11对比图(见图4)得到,在优化前后曲线的最低点均落在915MHz,而优化前s11为-13.12dB,优化后为-20.26dB,优化后的能量反射更小,辐射效率得到提高。 |
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5、结论
医用微波热疗天线与一般作用于远场的天线不同,热疗天线作用于近场区域。它应具有将传输线上的导行波转换为自由空间电磁波,并将辐射能量集中形成定向辐射的功能。 本文通过仿真,设计并改进了一种新型的微波热疗天线,实现了微波热疗天线对生物组织加热效果的计算机模拟,并做出对比。通过优化改进,辐射天线的阻抗匹配程度更好,反射回腔体的功率小,提高了辐射功率的利用率,保证微波发射器正常工作和稳定,同时优化后电场近场的辐射方向性显著提高,保证了与治疗部位良好的一致性,实现高效率治疗,避免损害周围正常组织和器官,对改善微波肿瘤热疗的临床治疗效果具有重要的意义。 |
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