2450MHz微波热疗天线温度场分布的研究

摘要

微波热凝固(消融)治疗已应用于临床，其主要原理是利用微波能量使肿瘤细胞的蛋白质达到其凝固温度使其致死。该治疗方法疗效显著，但受到人体热环境复杂等方面的影响，目前对微波天线热场温度分布的研究还不够深入和完善。为此，本文在前期研究的基础上，进一步研究了2450MHz微波天线的温度场分布。 本文以2450MHz水冷式微波天线为研究对象，以前人的模拟结果为基础，寻找了目前模拟结果与实测值的差异，并通过模拟的方式研究了组织比热及热传导率对温度场分布的影响，证明热传导率变化对温度场的影响大于比热变化带来的影响。作为衡量微波能量对组织加热效果最重要的指标，比吸收率SAR的测量也是本文的一个研究重点。根据SAR测量原理及相应的实验条件，设计了适合在离体猪肝中测量SAR的实验系统和实验模具，并通过20例离体猪肝实验获得了大量的温度数据。在对数据进行处理后，通过数据拟合的方式分别得到了该天线的前向及后向SAR分布公式并使用它们进行了温度场的模拟。通过理论分析和实验研究发现：温度场模拟值与实测值的差异主要受水蒸发的影响。水蒸发的直接影响在于水分汽化使组织对能量的吸收大大加强，通过在模拟过程中引入焓值，该影响可在模拟中得以实现。水蒸发的间接影响导致了组织炭化的发生，进而阻碍了微波能量的吸收与传导，该问题也通过引入并计算高温SAR的方法在模拟中实现。模拟结果表明：这些改进使温度场模拟的准确性得到了明显的提高，达到了临床应用的要求，同时，该问题的解决也为温度场模拟提供了一个新的思路。根据上述改进的温度场模拟方法，以加热10分钟的温度场为数据源，提取各个时间段凝固区边界的坐标值建立了温度场数据库，为微波热疗手术规划系统的建立打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题的研究背景

1.1.1肝癌治疗

1.1.2热疗的原理

1.1.3肿瘤热疗的发展

1.2温度场模拟的研究现状

1.2.1 Pennes方程

1.2.2相关的热物性参数

1.2.3数值模拟方法

1.3本课题的主要研究内容

1.4本文结构

第2章温度场模拟及热参数的影响

2.1热场模拟方法

2.1.1 Pennes方程

2.1.2有限元法

2.1.3 ANSYS模拟过程

2.2模拟相关热物性参数

2.3温度场模拟过程及结果

2.3.1模拟过程

2.3.2模拟结果

2.4热物性参数变化的影响

2.5本章小结

第3章微波天线SAR分布的测定及模拟

3.1 SAR测量基本原理

3.2实验方法

3.2.1实验系统

3.2.2实验方案

3.2.3实验步骤

3.3实验结果

3.3.1温度变化规律

3.3.2 SAR计算

3.4 SAR公式拟合

3.5温度场模拟

3.5.1计算条件的改进

3.5.2温度场模拟结果

3.6本章小结

第4章水蒸发对微波热疗温度场的影响及模拟

4.1汽化热对温度场的影响

4.1.1汽化热的引入

4.1.2汽化热的验证

4.1.3焓值的计算及模拟

4.2水蒸发对SAR的影响

4.2.1组织炭化的影响

4.2.2高温SAR的计算及模拟

4.3模拟结果的验证

4.4本章小结

第5章微波热疗温度场数据库的建立

5.1微波热疗手术规划系统

5.2温度场数据库的建立

5.3温度场的匹配

5.4本章小结

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢