一種小型化體外挽袖微帶圓貼片微波熱療天線

　　摘 要：小體積生物組織進(jìn)行微波熱療過程中，熱療天線輻射的微波能量聚焦體積過大、治療范圍超出熱療目標(biāo)區(qū)域燒傷其余健康組織，針對這一問題，文中提出了一種小型化體外挽袖式微帶熱療天線。它由 SMA 連接器法蘭盤兩側(cè)焊接的挽袖圓銅殼及兩個圓形微帶貼片組成。微帶貼片的介質(zhì)基底是相對介電常數(shù)為 4.4 的 FR-4 材料，基底厚 1.6mm。實測天線在 915MHz 的反射系數(shù)為-18.5dB，試驗中由該天線加熱 40mm×40mm×40mm 的小體積豬肉組織，并采取紅外熱成像儀和熱電偶兩種測溫方式測試天線加熱情況，研究結(jié)果表明該天線有效治療區(qū)域為 20mm×20mm×10mm 的半橢球型，溫度分布較為均勻，適用于小體積體外微波熱療系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：小型化，微波熱療，挽袖天線，非介入式

　　高家興; 杜永興; 孫彤彤; 李寶山， 微波學(xué)報 發(fā)表時間：2021-11-03

　　引 言

　　腫瘤的微波熱療是一種利用微波在生物組織內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)使腫瘤部位溫度升高至有效熱療溫度范圍內(nèi)，并維持一段時間，達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞或提高對腫瘤細(xì)胞殺死率但又不損傷正常組織細(xì)胞的一種治療方案[1]。微波熱療從治療方式上分為介入式與非介入式兩種，相較于介入式熱療，體外微波熱療具有損傷小、安全可靠的優(yōu)點[2]。醫(yī)學(xué)上用在體外微波熱療系統(tǒng)的頻率主要選擇 433MHz、915MHz、2450MHz，頻率越低，微波的穿透效果越好，2450MHz 的透熱深度為 1~2cm， 915MHz 的透熱深度可達(dá) 9cm[3]，但天線的體積也會隨之成倍增大[4-5]。國內(nèi)外對微波熱療治療腫瘤進(jìn)行了大量的理論與實驗研究，提出了眾多針對不同情況的微波熱療天線的設(shè)計，包括縫隙開槽 [6-7]、介質(zhì)匹配加載聚焦[8]、環(huán)繞布陣[9-10]等等。

　　體外熱療天線多用于全身熱療、頭頸熱療、胸腹熱療[11]，被加熱組織模型體積均較大，天線尺寸大多達(dá)到 200mm 以上，即便是單獨一個陣元也多在 40mm 以上。2020 年西南醫(yī)科大學(xué)設(shè)計了一款工作在 915MHz 的 4×4 陣元小型化陣列天線，天線總尺寸為 238mm×246mm，單陣元尺寸為 40.5mm×40.5mm，采用蝶形微帶貼片，治療區(qū)域為直徑約 40mm 的球形區(qū)域[9]。2021 年王守源等人設(shè)計了一款工作在 2450MHz 的 4×4 近場聚焦陣列天線，天線尺寸為 305mm×305mm，治療區(qū)域為直徑約 100mm 的球形區(qū)域[12]。2018 年 Ashrf Aoad 等人設(shè)計并探究了小尺寸螺旋形圓形微條紋貼片天線工作頻率與尺寸、回波損耗等參數(shù)的關(guān)系，設(shè)計了一款工作在 3740MHz 的螺旋微帶貼片天線，天線尺寸為 28mm×28mm[13]。天線尺寸增大相應(yīng)地要求被加熱生物組織體積也增大。對小體積生物組織(如淺表淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移癌、皮膚癌、惡性黑色素瘤以及動物實驗中的小鼠[14]、兔子等等)進(jìn)行微波熱療時[15]，由于生物組織體積和表面積達(dá)不到天線覆蓋要求而難以應(yīng)用。為了兼顧天線尺寸與微波透熱深度[16]，本文設(shè)計了一款工作在 915MHz 的小型化熱療天線，其輻射貼片為半徑僅 10mm 的圓形貼片，較好地滿足了針對小體積生物組織進(jìn)行微波熱療的天線尺寸要求。

　　1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1.1 天線結(jié)構(gòu)理論分析

　　本文所設(shè)計的小型化天線以挽袖單極子天線為原型，傳統(tǒng)的挽袖天線多用于介入式天線[17]，組織中的熱圖集中在頂端呈球形。本文設(shè)計的天線在頂端加入微帶圓形貼片作為輻射貼片，通過輻射貼片將微波能量輻射入生物組織，貼片采用圓形結(jié)構(gòu)可以更好地貼合組織表皮。圖 1 為等效電路分析圖，圖中 AB 為設(shè)計的天線挽袖銅殼，長度為 L1，BC 為同軸線內(nèi)導(dǎo)體，長度為 L2，CC'為天線末端的微帶圓形輻射貼片。挽袖可以吸收輻射貼片后向泄露能量，但同時天線整體結(jié)構(gòu)小型化與貼片和挽袖尺寸直接相關(guān)，因此輻射貼片和挽袖結(jié)構(gòu)的尺寸是天線設(shè)計中的關(guān)鍵因素。

　　1.2 挽袖半徑對天線性能的影響

　　傳統(tǒng)的挽袖天線[3]采用剝?nèi)ネ鈱颖Ｗo(hù)套的同軸線，將用于屏蔽信號的金屬屏蔽層翻卷形成挽袖，金屬屏蔽層之內(nèi)的特氟龍介質(zhì)層和內(nèi)導(dǎo)體露出形成單極子天線，挽袖的橫截面半徑約 3.5mm。圖2為利用HFSS軟件仿真的不同挽袖半徑與天線反射系數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出當(dāng)天線半徑增大的時候，天線的諧振頻率在減小。但是考慮到挽袖尺寸過大會影響天線的小型化，綜合兩方面因素后選定挽袖半徑為 10mm。為了將挽袖與同軸線的地相連接，將挽袖銅殼焊接在介電常數(shù) 4.4、半徑 10mm、厚度 2mm 單面覆銅的 FR-4 基板上，基板與 SMA 連接頭的法蘭盤緊貼，增大對后向泄露能量的吸收。

　　1.3 挽袖長度對天線性能的影響

　　挽袖結(jié)構(gòu)可以吸收輻射貼片后向傳播的電磁波，改善天線的反射系數(shù)。反射系數(shù) S11 是表征天線傳輸效率的重要參數(shù)，計算如式(1)所示： in 0 in 0 11 10 20log Z Z Z Z S ??? (1) 其中 Zin 為天線的輸入阻抗，Z0 為傳輸線的特性阻抗。無耗傳輸線的輸入阻抗 Zin 的計算如式(2)所示： Z Z I Z Z I Z Z ?? j tan j tan 0 1 1 0 in 0 ??? (2) 式中 Z1 為傳輸線的終端負(fù)載阻抗，β 為相移常數(shù)， I 為傳輸線長度。當(dāng) Z1 為 0 時，根據(jù)公式(2)Zin=jZ0tanβI，當(dāng) I=λ/4 時，βI=(2π/λ)(λ/4)=π/2，代入公式(2)中可得 Zin=∞。

　　因此圖 3 中挽袖部分長度 L1 為 I=λ/4 時，挽袖部分的阻抗為無窮大，反射回來的電磁波可以被阻抗無窮大的挽袖所吸收，利用挽袖結(jié)構(gòu)可以有效抑制能量的后向泄露。

　　通 過 理 論 計 算 天 線 挽 袖 長 度 應(yīng) 為 I=λ/4=(c/f)(1/4)≈81.96mm。在設(shè)計的挽袖結(jié)構(gòu)中，挽袖由兩部分組成，一部分為圖 1 中的 AB 部分，另一部分由 B 到等效模型中心部分組成，兩部分長度之和為實際的挽袖長度。

　　圖3為利用HFSS軟件仿真的不同挽袖長度與天線反射系數(shù)的關(guān)系，當(dāng)頻率為 915MHz 時，挽袖長度 60mm 和 70mm 時天線的反射系數(shù)最好，均在-15dB 左右。

　　1.4 圓形輻射微帶貼片半徑對天線性能的影響

　　為了增大天線頂部末端的能量聚集，增加微波能量向生物組織傳遞的效率，在天線末端設(shè)計了圓形微帶貼片，微帶貼片的作用是增大頂部電流的路徑，從而增大頂部輻射面積，提高天線向生物組織輻射的效率。隨著半徑逐漸增大， 915MHz 時的反射系數(shù)越來越差。微帶貼片半徑與反射系數(shù) S11的關(guān)系如圖 4 所示。

　　從圖中可以看出當(dāng)微帶貼片的半徑為 10mm 時天線的反射系數(shù)最大。隨著半徑逐漸增大， 915MHz 時的反射系數(shù)越來越小。

　　1.5 微帶天線開槽對天線性能的影響

　　在微帶貼片輻射過程中，貼片表面電流分布影響天線的輻射場分布[4]。未開槽的輻射貼片在輻射過程中高頻電流主要分布在貼片中心饋點周圍，貼片邊緣電流分布較少，導(dǎo)致最終熱圖分布不均勻，造成熱療過程中局部溫度升高過快，為了使熱圖分布均勻，在貼片上開了四條矩形槽如圖 5 所示，增大電流路徑如圖 6(a)所示，改善了熱圖分布不均勻問題。圖 6(b)中可以看出未開槽的輻射貼片在輻射過程中高頻電流主要分布在貼片中心饋點周圍。

　　1.6 天線結(jié)構(gòu)展示

　　天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖 7 所示，圖中 L1為天線挽袖部分長度，L2 為兩種微帶貼片之間的距離長度， L3 為第二類微帶圓貼片直徑和挽袖直徑，L4 為同軸線半徑。圖中 L5 為微帶圓貼片的長槽長度，L6 為短槽的長度。天線實際結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 8 所示包括射頻同軸線、SMA 連接頭、挽袖銅殼、耐高溫特氟龍薄膜和兩類圓形微帶貼片。第一類微帶貼片與 SMA 頭的法蘭盤連接在一起。第二類微帶貼片連接在 SMA 金屬內(nèi)導(dǎo)體的尖端，微帶貼片覆銅面上開 4 個矩形槽。三類微帶貼片半徑均為 10mm。天線末端的第三類貼片緊貼到無限大的三維立體人體組織中，采用同軸線進(jìn)行饋電。圖 9 為天線實物圖。

　　天線各部分結(jié)構(gòu)尺寸如表 1 所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，最后天線實際為半徑10mm、長75mm 的圓柱體。輻射圓貼片半徑僅為 10mm，貼片尺寸均小于其它 915MHz 下用于微波熱療的輻射天線尺寸。

　　采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(E5071C)測試天線的 S 參數(shù)。天線的反射系數(shù) S11 的仿真與實測結(jié)果如圖 10 所示，仿真與測試結(jié)果存在 80MHz 的頻偏，實測的 S11 最低點在 0.88GHz，S11 約為-18.5dB，仿真的 S11 最低點在 0.96GHz，S11 約為-15dB，均滿足駐波<2 的要求。

　　2 天線數(shù)值仿真

　　為了探究天線在加熱生物組織過程中溫度場的分布情況，利用多物理場仿真軟件 COMSOL Multiphysics 對天線的溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值仿真。在仿真過程中為了模擬小體積生物組織被加熱的情況，生物組織采用邊長 40mm 的正方體生物組織模型，模型分成 3 層組織結(jié)構(gòu)：皮膚、肌肉、脂肪，模型結(jié)構(gòu)如圖 11 所示，模型參數(shù)[18-19] 有相對介電常數(shù) εr、電導(dǎo)率 σ、組織厚度 Δ，如表 2 所示。設(shè)定人體組織溫度 37℃，環(huán)境溫度 15℃，微波饋電功率 10W，加熱時間 33min，通過軟件后處理截取出天線正對組織的三維截面圖 xz 面、 yz 面、xy 面(皮下 2mm 處)[20]，并分別提取各截面溫度圖和 42℃等溫線如圖 12 所示，圖中綠色線代表 42℃等溫線。從圖 12 中可以看出，xz 面和yz 面的溫度圖基本一致。圖 13 是 xy 面的溫度等值分布線，圖 14 是 xz 面和 yz 面的等溫線圖。

　　圖 12 各截面溫度圖(彩色圖片參見本刊電子版)

　　從仿真結(jié)果來看，最終的有效熱場呈扁球形，高溫區(qū)域集中在天線頂端正對皮膚處，這樣在臨床應(yīng)用中易于控制加熱位置。

　　3 天線實驗

　　3.1 實驗過程

　　天線實驗以挽袖圓頂微帶天線對豬肉[5]進(jìn)行加熱實驗，實驗測試如圖 15 所示。圖 15(a)為實驗過程圖，實驗中采用的微波源為 915/2450MHz 微波源，如圖 15(b)所示。實驗中采用的測溫儀器有兩種：1)紅外熱成像儀，將其放置在天線正上方來觀察實驗過程中的溫度變化;2)熱電偶測溫儀，熱電偶可以將測溫探針附近的溫度轉(zhuǎn)換為電信號，并最終將溫度顯示在顯示屏上，圖 15(c)所示為熱電偶測溫儀。圖 15 (d)為整個實驗的示意圖，通過微波源向天線饋入頻率為 915MHz、功率為 10W 的微波。實驗過程中每隔 3 min 通過上方的紅外熱成像儀觀察豬肉表面的溫度情況，豬肉表面溫度隨時間變化情況如圖 16 所示，加熱時間為 33min。加熱結(jié)束后將熱電偶側(cè)向插入豬肉組織中，通過調(diào)整插入深度和探針尖端與豬肉表面的垂直距離，最終找出豬肉在 42℃下的透熱深度。表 3 為仿真和實驗中 42℃下的各截面面積、長短軸數(shù)值對比。

　　3.2 實驗結(jié)果分析

　　由圖 16 的加熱情況可以看出熱場分布比較均勻，高溫區(qū)域主要集中在天線頂端的表皮部分。由表 3 的三維平面長短軸分析，可以發(fā)現(xiàn)，熱圖治療區(qū)邊界在表皮以下 1cm 處和距貼片中心半徑 2cm 圓以內(nèi)，符合對小體積生物組織微波熱療的目的。根據(jù)圖 16 中豬肉溫度變化情況和表 3 中仿真和實驗結(jié)果對比，可以看出實際加熱過程中 42℃溫度區(qū)域約為仿真結(jié)果中加熱區(qū)域的一半，但形狀未發(fā)生較大誤差。分析實際加熱區(qū)域較小的原因有三個：1)豬肉組織不均勻，實際中豬肉組織皮膚部分比生物組織模型中皮膚組織更厚且更不均勻;2)表面散熱，在加熱過程中由于溫度比環(huán)境溫度高，同時存在著組織向環(huán)境中散熱的問題;3)微波源實際輸出功率不足且不穩(wěn)，實驗過程中設(shè)定的微波功率雖然為 10W，但實際輸出的功率并未達(dá)到 10W，約為 9.8W 左右。實驗結(jié)果表明了該小型化天線針對小體積的生物組織加熱 30min 時有效治療區(qū)域約為 20mm×20mm×10mm。較好地實現(xiàn)了針對小面積區(qū)域進(jìn)行微波熱療的目的。

　　4 結(jié)論

　　在挽袖天線作為介入式微波熱療天線的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種小型化挽袖微帶圓貼片天線應(yīng)用于小體積生物組織的非介入式微波熱療。采用仿真方式，分析了天線尺寸參數(shù)對天線性能的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計出小型化天線;通過電磁場與溫度場聯(lián)合仿真，研究了天線加熱生物組織時的三維溫度場分布。用實驗說明了天線的實際應(yīng)用可行性。最終研究結(jié)果表明：設(shè)計的天線具有幾何尺寸小、反射系數(shù)小、加熱均勻且熱量集中、溫度場分布近似橢球形等優(yōu)點，適用于小體積生物組織的非介入式微波熱療。