基于HFSS的微波热疗天线及其SAR图匹配方法的研究

摘要

微波热疗作为肿瘤热疗的一种有效的治疗方法，在近年来得到越来越多的关注，并在许多肿瘤临床治疗中得到应用。相比于传统肿瘤治疗方法中的费用高昂及治疗过程中对患者带来的肉体上的损伤。微波热疗则是通过超声或CT引导下通过皮穿刺、人体腔孔或直接体外辐射的方式作用于肿瘤组织上，通过一段时间的辐射升温，直接导致被辐射的肿瘤组织凝固变性、永久死亡，对肉体的损伤极小。微波热疗的发展与微波辐射器的改进紧密联系在一起，微波辐射器在材料、形状、性能上的改进，使得微波热疗在肿瘤治疗中成为越来越多的选择。由于微波热疗相对比于其它的热疗方法具有疗效高、使用方便的特点，所以在治疗肿瘤等方面对微波治疗技术的应用会越来越多。但是在热疗中如果对加温过程控制不当，在杀死肿瘤细胞的过程中会对正常组织细胞造成不可逆的损伤。因此本文主要研究如何在微波热疗中在杀死肿瘤细胞的前提下，尽量减少正常组织的损伤。
　　本文针对表皮浅层肿瘤，通过HFSS软件设计了在915MHz和2450MHz下工作的微带贴片天线和微带螺旋天线，通过分析比较其在工作频率下的S11电场分布和SAR场分布，选择出适合微波热疗使用的天线。并对其2阵列、3阵列和4阵列进行仿真，提取其在不同频率、相位和功率情况下的SAR图，将每种天线所产生的SAR图进行标记，整理成为图像库。
　　利用MATLAB设计图像匹配方法，本文设计出两种匹配方法，一种是使用特征点匹配方法，本方法需要在匹配前将所有的SAR图先进行预处理，再将预处理后的图像面积大小位置角度等经过调整满足一定的阈值，然后再提取面积等匹配特征点进行搜索匹配，最后能够根据搜索出的图片来制定调整天线参数的方案，进行适应肿瘤的治疗。另一种则是通过不变矩方法进行匹配，先将SAR图和肿瘤图像经行二值化预处理提取边界，通过提取其不变矩特征，然后进行比对搜索，搜索出相匹配的图片后，需要对如何将天线参数调整符合治疗要求进行计算。经过仿真实现，两种方法都能够满足设计需求，寻找到最合适热疗的天线参数。
　　最后，本文通过微波体模进行了相对应的实验，验证了天线SAR图在仿真和体模上的相似不变性，并通过简单的组合匹配验证了图像匹配方法在热疗中的使用效果能够满足治疗要求。