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(guò)程中，熱療天線輻射的微波能量聚焦體積過(guò)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(duì)這一問(wèn)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(gè)圓形微帶貼片組成。微帶貼片的介質(zhì)基底是相對(duì)介電常數(shù)為 4.4 的 FR-4 材料，基底厚 1.6mm。實(shí)測(cè)天線在 915MHz 的反射系數(shù)為-18.5dB，試驗(yàn)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(cè)溫方式測(cè)試天線加熱情況，研究結(jié)果表明該天線有效治療區(qū)域?yàn)?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(bào) 發(fā)表時(shí)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(shí)間，達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞或提高對(duì)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(diǎn)[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(huì)隨之成倍增大[4-5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)微波熱療治療腫瘤進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出了眾多針對(duì)不同情況的微波熱療天線的設(shè)計(jì)，包括縫隙開(kāi)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(dú)一個(gè)陣元也多在 40mm 以上。2020 年西南醫(yī)科大學(xué)設(shè)計(jì)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?yàn)橹睆郊s 40mm 的球形區(qū)域[9]。2021 年王守源等人設(shè)計(jì)了一款工作在 2450MHz 的 4×4 近場(chǎng)聚焦陣列天線，天線尺寸為 305mm×305mm，治療區(qū)域?yàn)橹睆郊s 100mm 的球形區(qū)域[12]。2018 年 Ashrf Aoad 等人設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的小鼠[14]、兔子等等)進(jìn)行微波熱療時(shí)[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(jì)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(duì)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(jì)

　　1.1 天線結(jié)構(gòu)理論分析

　　本文所設(shè)計(jì)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(jì)的天線在頂端加入微帶圓形貼片作為輻射貼片，通過(guò)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(jì)的天線挽袖銅殼，長(zhǎng)度為 L1，BC 為同軸線內(nèi)導(dǎo)體，長(zhǎng)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(shí)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(jì)中的關(guān)鍵因素。

　　1.2 挽袖半徑對(duì)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(hào)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(shí)候，天線的諧振頻率在減小。但是考慮到挽袖尺寸過(guò)大會(huì)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(duì)后向泄露能量的吸收。

　　1.3 挽袖長(zhǎng)度對(duì)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(jì)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(wú)耗傳輸線的輸入阻抗 Zin 的計(jì)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(zhǎng)度。當(dāng) Z1 為 0 時(shí)，根據(jù)公式(2)Zin=jZ0tanβI，當(dāng) I=λ/4 時(shí)，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(zhǎng)度 L1 為 I=λ/4 時(shí)，挽袖部分的阻抗為無(wú)窮大，反射回來(lái)的電磁波可以被阻抗無(wú)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(guò) 理 論 計(jì) 算 天 線 挽 袖 長(zhǎng) 度 應(yīng) 為 I=λ/4=(c/f)(1/4)≈81.96mm。在設(shè)計(jì)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(zhǎng)度之和為實(shí)際的挽袖長(zhǎng)度。

　　圖3為利用HFSS軟件仿真的不同挽袖長(zhǎng)度與天線反射系數(shù)的關(guān)系，當(dāng)頻率為 915MHz 時(shí)，挽袖長(zhǎng)度 60mm 和 70mm 時(shí)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(duì)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(jì)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(shí)的反射系數(shù)越來(lái)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(shí)天線的反射系數(shù)最大。隨著半徑逐漸增大， 915MHz 時(shí)的反射系數(shù)越來(lái)越小。

　　1.5 微帶天線開(kāi)槽對(duì)天線性能的影響

　　在微帶貼片輻射過(guò)程中，貼片表面電流分布影響天線的輻射場(chǎng)分布[4]。未開(kāi)槽的輻射貼片在輻射過(guò)程中高頻電流主要分布在貼片中心饋點(diǎn)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(guò)程中局部溫度升高過(guò)快，為了使熱圖分布均勻，在貼片上開(kāi)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(wèn)題。圖 6(b)中可以看出未開(kāi)槽的輻射貼片在輻射過(guò)程中高頻電流主要分布在貼片中心饋點(diǎn)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(zhǎng)度，L2 為兩種微帶貼片之間的距離長(zhǎng)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(zhǎng)槽長(zhǎng)度，L6 為短槽的長(zhǎng)度。天線實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi) 4 個(gè)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(wú)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(shí)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(shí)際為半徑10mm、長(zhǎng)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(cè)試天線的 S 參數(shù)。天線的反射系數(shù) S11 的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 10 所示，仿真與測(cè)試結(jié)果存在 80MHz 的頻偏，實(shí)測(cè)的 S11 最低點(diǎn)在 0.88GHz，S11 約為-18.5dB，仿真的 S11 最低點(diǎn)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(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況，利用多物理場(chǎng)仿真軟件 COMSOL Multiphysics 對(duì)天線的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值仿真。在仿真過(guò)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(zhǎng) 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(duì)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(shí)間 33min，通過(guò)軟件后處理截取出天線正對(duì)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(jiàn)本刊電子版)

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

　　3 天線實(shí)驗(yàn)

　　3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　天線實(shí)驗(yàn)以挽袖圓頂微帶天線對(duì)豬肉[5]進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖 15 所示。圖 15(a)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖，實(shí)驗(yàn)中采用的微波源為 915/2450MHz 微波源，如圖 15(b)所示。實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)溫儀器有兩種：1)紅外熱成像儀，將其放置在天線正上方來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化;2)熱電偶測(cè)溫儀，熱電偶可以將測(cè)溫探針附近的溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并最終將溫度顯示在顯示屏上，圖 15(c)所示為熱電偶測(cè)溫儀。圖 15 (d)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意圖，通過(guò)微波源向天線饋入頻率為 915MHz、功率為 10W 的微波。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔 3 min 通過(guò)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(shí)間變化情況如圖 16 所示，加熱時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)中 42℃下的各截面面積、長(zhǎng)短軸數(shù)值對(duì)比。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　由圖 16 的加熱情況可以看出熱場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出實(shí)際加熱過(guò)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(shí)際加熱區(qū)域較小的原因有三個(gè)：1)豬肉組織不均勻，實(shí)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(guò)程中由于溫度比環(huán)境溫度高，同時(shí)存在著組織向環(huán)境中散熱的問(wèn)題;3)微波源實(shí)際輸出功率不足且不穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定的微波功率雖然為 10W，但實(shí)際輸出的功率并未達(dá)到 10W，約為 9.8W 左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該小型化天線針對(duì)小體積的生物組織加熱 30min 時(shí)有效治療區(qū)域約為 20mm×20mm×10mm。較好地實(shí)現(xiàn)了針對(duì)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(jì)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(duì)天線性能的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)出小型化天線;通過(guò)電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)聯(lián)合仿真，研究了天線加熱生物組織時(shí)的三維溫度場(chǎng)分布。用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了天線的實(shí)際應(yīng)用可行性。最終研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)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(chǎng)分布近似橢球形等優(yōu)點(diǎn)，適用于小體積生物組織的非介入式微波熱療。