介入式天线在肿瘤微波热疗中有效热区的优化控制

摘要

微波热疗能有效杀灭肿瘤细胞，同时不损伤正常组织，被国际医学界称为“绿色疗法”。介入式微波热疗是把热疗天线介入到肿瘤体或腔体中进行治疗，其优点是避开了人体表皮层对微波能量的吸收，使能量直接加热病变组织，加热效率高、功率容易控制。如何设计高效安全的介入式天线是介入式微波热疗关键问题之一。本文主要研究内容包括：
　　 1.介绍了生物组织的电磁特性及微波在生物组织中的传播特性，根据不同频率微波的电场强度在肿瘤组织中的传播参数，确定本文设计的介入式天线的工作频率。
　　 2.针对挽袖天线存在难与天线输入端匹配、顶部能量分布较少等问题，本文设计了工作频率为2450MHz的挽袖伞形天线。通过传输线理论计算和有限元数值仿真，得到挽袖伞形天线的结构参数及天线介入在肿瘤组织中的比吸收率(specificabsorption rate，简称SAR)分布。将研制的介入式天线对均匀分层仿生体模加热，采用红外热成像仪测温，给出天线在体模中的三维有效热区(温度高于42℃的三维区域)和介入层体模的温度分布。研究结果表明：挽袖伞形天线具有反射系数小、三维有效热区近似呈球状和高温区域主要集中在天线的顶部等优点，是提高介入式微波热疗效果的较优选择。
　　 3.对直径比较大的肿瘤进行有效加热，本文采用二元天线阵以扩大热区的范围。通过数值仿真，研究双天线介入下，微波功率、天线间距与肿瘤组织中SAR分布的关系。采用遗传算法对功率和间距进行优化，使得SAR分布近似呈球状，为加热实验提供理论依据。通过加热实验给出加热时间不同时，天线阵列在体模中的三维有效热区和介入层体模的温度分布。研究结果表明：随着加热时间的增加，双天线的有效热区由椭球状变化至类球状，能对直径3cm左右的较大肿瘤实现有效加热；介入层体模的最高温度出现在两天线中间，而不是单天线的顶部，说明双天线介入在肿瘤组织中的能量分布，并不是两个天线能量的简单线性叠加，而是利用双天线的两热场之间存在的相互作用，形成大于等功率、等时间条件下单天线两次热疗范围的球状区域。