一种小型化体外挽袖微带圆贴片微波热疗天线

　　摘 要：小体积生物组织进行微波热疗过程中，热疗天线辐射的微波能量聚焦体积过大、治疗范围超出热疗目标区域烧伤其余健康组织，针对这一问题，文中提出了一种小型化体外挽袖式微带热疗天线。它由 SMA 连接器法兰盘两侧焊接的挽袖圆铜壳及两个圆形微带贴片组成。微带贴片的介质基底是相对介电常数为 4.4 的 FR-4 材料，基底厚 1.6mm。实测天线在 915MHz 的反射系数为-18.5dB，试验中由该天线加热 40mm×40mm×40mm 的小体积猪肉组织，并采取红外热成像仪和热电偶两种测温方式测试天线加热情况，研究结果表明该天线有效治疗区域为 20mm×20mm×10mm 的半椭球型，温度分布较为均匀，适用于小体积体外微波热疗系统。

　　关键词：小型化，微波热疗，挽袖天线，非介入式

　　高家兴; 杜永兴; 孙彤彤; 李宝山， 微波学报 发表时间：2021-11-03

　　引 言

　　肿瘤的微波热疗是一种利用微波在生物组织内产生的热效应使肿瘤部位温度升高至有效热疗温度范围内，并维持一段时间，达到杀死肿瘤细胞或提高对肿瘤细胞杀死率但又不损伤正常组织细胞的一种治疗方案[1]。微波热疗从治疗方式上分为介入式与非介入式两种，相较于介入式热疗，体外微波热疗具有损伤小、安全可靠的优点[2]。医学上用在体外微波热疗系统的频率主要选择 433MHz、915MHz、2450MHz，频率越低，微波的穿透效果越好，2450MHz 的透热深度为 1~2cm， 915MHz 的透热深度可达 9cm[3]，但天线的体积也会随之成倍增大[4-5]。国内外对微波热疗治疗肿瘤进行了大量的理论与实验研究，提出了众多针对不同情况的微波热疗天线的设计，包括缝隙开槽 [6-7]、介质匹配加载聚焦[8]、环绕布阵[9-10]等等。

　　体外热疗天线多用于全身热疗、头颈热疗、胸腹热疗[11]，被加热组织模型体积均较大，天线尺寸大多达到 200mm 以上，即便是单独一个阵元也多在 40mm 以上。2020 年西南医科大学设计了一款工作在 915MHz 的 4×4 阵元小型化阵列天线，天线总尺寸为 238mm×246mm，单阵元尺寸为 40.5mm×40.5mm，采用蝶形微带贴片，治疗区域为直径约 40mm 的球形区域[9]。2021 年王守源等人设计了一款工作在 2450MHz 的 4×4 近场聚焦阵列天线，天线尺寸为 305mm×305mm，治疗区域为直径约 100mm 的球形区域[12]。2018 年 Ashrf Aoad 等人设计并探究了小尺寸螺旋形圆形微条纹贴片天线工作频率与尺寸、回波损耗等参数的关系，设计了一款工作在 3740MHz 的螺旋微带贴片天线，天线尺寸为 28mm×28mm[13]。天线尺寸增大相应地要求被加热生物组织体积也增大。对小体积生物组织(如浅表淋巴结转移癌、皮肤癌、恶性黑色素瘤以及动物实验中的小鼠[14]、兔子等等)进行微波热疗时[15]，由于生物组织体积和表面积达不到天线覆盖要求而难以应用。为了兼顾天线尺寸与微波透热深度[16]，本文设计了一款工作在 915MHz 的小型化热疗天线，其辐射贴片为半径仅 10mm 的圆形贴片，较好地满足了针对小体积生物组织进行微波热疗的天线尺寸要求。

　　1 天线结构设计

　　1.1 天线结构理论分析

　　本文所设计的小型化天线以挽袖单极子天线为原型，传统的挽袖天线多用于介入式天线[17]，组织中的热图集中在顶端呈球形。本文设计的天线在顶端加入微带圆形贴片作为辐射贴片，通过辐射贴片将微波能量辐射入生物组织，贴片采用圆形结构可以更好地贴合组织表皮。图 1 为等效电路分析图，图中 AB 为设计的天线挽袖铜壳，长度为 L1，BC 为同轴线内导体，长度为 L2，CC'为天线末端的微带圆形辐射贴片。挽袖可以吸收辐射贴片后向泄露能量，但同时天线整体结构小型化与贴片和挽袖尺寸直接相关，因此辐射贴片和挽袖结构的尺寸是天线设计中的关键因素。

　　1.2 挽袖半径对天线性能的影响

　　传统的挽袖天线[3]采用剥去外层保护套的同轴线，将用于屏蔽信号的金属屏蔽层翻卷形成挽袖，金属屏蔽层之内的特氟龙介质层和内导体露出形成单极子天线，挽袖的横截面半径约 3.5mm。图2为利用HFSS软件仿真的不同挽袖半径与天线反射系数的关系，从图中可以看出当天线半径增大的时候，天线的谐振频率在减小。但是考虑到挽袖尺寸过大会影响天线的小型化，综合两方面因素后选定挽袖半径为 10mm。为了将挽袖与同轴线的地相连接，将挽袖铜壳焊接在介电常数 4.4、半径 10mm、厚度 2mm 单面覆铜的 FR-4 基板上，基板与 SMA 连接头的法兰盘紧贴，增大对后向泄露能量的吸收。

　　1.3 挽袖长度对天线性能的影响

　　挽袖结构可以吸收辐射贴片后向传播的电磁波，改善天线的反射系数。反射系数 S11 是表征天线传输效率的重要参数，计算如式(1)所示： in 0 in 0 11 10 20log Z Z Z Z S ??? (1) 其中 Zin 为天线的输入阻抗，Z0 为传输线的特性阻抗。无耗传输线的输入阻抗 Zin 的计算如式(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 为传输线的终端负载阻抗，β 为相移常数， I 为传输线长度。当 Z1 为 0 时，根据公式(2)Zin=jZ0tanβI，当 I=λ/4 时，βI=(2π/λ)(λ/4)=π/2，代入公式(2)中可得 Zin=∞。

　　因此图 3 中挽袖部分长度 L1 为 I=λ/4 时，挽袖部分的阻抗为无穷大，反射回来的电磁波可以被阻抗无穷大的挽袖所吸收，利用挽袖结构可以有效抑制能量的后向泄露。

　　通 过 理 论 计 算 天 线 挽 袖 长 度 应 为 I=λ/4=(c/f)(1/4)≈81.96mm。在设计的挽袖结构中，挽袖由两部分组成，一部分为图 1 中的 AB 部分，另一部分由 B 到等效模型中心部分组成，两部分长度之和为实际的挽袖长度。

　　图3为利用HFSS软件仿真的不同挽袖长度与天线反射系数的关系，当频率为 915MHz 时，挽袖长度 60mm 和 70mm 时天线的反射系数最好，均在-15dB 左右。

　　1.4 圆形辐射微带贴片半径对天线性能的影响

　　为了增大天线顶部末端的能量聚集，增加微波能量向生物组织传递的效率，在天线末端设计了圆形微带贴片，微带贴片的作用是增大顶部电流的路径，从而增大顶部辐射面积，提高天线向生物组织辐射的效率。随着半径逐渐增大， 915MHz 时的反射系数越来越差。微带贴片半径与反射系数 S11的关系如图 4 所示。

　　从图中可以看出当微带贴片的半径为 10mm 时天线的反射系数最大。随着半径逐渐增大， 915MHz 时的反射系数越来越小。

　　1.5 微带天线开槽对天线性能的影响

　　在微带贴片辐射过程中，贴片表面电流分布影响天线的辐射场分布[4]。未开槽的辐射贴片在辐射过程中高频电流主要分布在贴片中心馈点周围，贴片边缘电流分布较少，导致最终热图分布不均匀，造成热疗过程中局部温度升高过快，为了使热图分布均匀，在贴片上开了四条矩形槽如图 5 所示，增大电流路径如图 6(a)所示，改善了热图分布不均匀问题。图 6(b)中可以看出未开槽的辐射贴片在辐射过程中高频电流主要分布在贴片中心馈点周围。

　　1.6 天线结构展示

　　天线结构尺寸如图 7 所示，图中 L1为天线挽袖部分长度，L2 为两种微带贴片之间的距离长度， L3 为第二类微带圆贴片直径和挽袖直径，L4 为同轴线半径。图中 L5 为微带圆贴片的长槽长度，L6 为短槽的长度。天线实际结构设计如图 8 所示包括射频同轴线、SMA 连接头、挽袖铜壳、耐高温特氟龙薄膜和两类圆形微带贴片。第一类微带贴片与 SMA 头的法兰盘连接在一起。第二类微带贴片连接在 SMA 金属内导体的尖端，微带贴片覆铜面上开 4 个矩形槽。三类微带贴片半径均为 10mm。天线末端的第三类贴片紧贴到无限大的三维立体人体组织中，采用同轴线进行馈电。图 9 为天线实物图。

　　天线各部分结构尺寸如表 1 所示，从表中数据可以看出，最后天线实际为半径10mm、长75mm 的圆柱体。辐射圆贴片半径仅为 10mm，贴片尺寸均小于其它 915MHz 下用于微波热疗的辐射天线尺寸。

　　采用矢量网络分析仪(E5071C)测试天线的 S 参数。天线的反射系数 S11 的仿真与实测结果如图 10 所示，仿真与测试结果存在 80MHz 的频偏，实测的 S11 最低点在 0.88GHz，S11 约为-18.5dB，仿真的 S11 最低点在 0.96GHz，S11 约为-15dB，均满足驻波<2 的要求。

　　2 天线数值仿真

　　为了探究天线在加热生物组织过程中温度场的分布情况，利用多物理场仿真软件 COMSOL Multiphysics 对天线的温度场分布进行了数值仿真。在仿真过程中为了模拟小体积生物组织被加热的情况，生物组织采用边长 40mm 的正方体生物组织模型，模型分成 3 层组织结构：皮肤、肌肉、脂肪，模型结构如图 11 所示，模型参数[18-19] 有相对介电常数 εr、电导率 σ、组织厚度 Δ，如表 2 所示。设定人体组织温度 37℃，环境温度 15℃，微波馈电功率 10W，加热时间 33min，通过软件后处理截取出天线正对组织的三维截面图 xz 面、 yz 面、xy 面(皮下 2mm 处)[20]，并分别提取各截面温度图和 42℃等温线如图 12 所示，图中绿色线代表 42℃等温线。从图 12 中可以看出，xz 面和yz 面的温度图基本一致。图 13 是 xy 面的温度等值分布线，图 14 是 xz 面和 yz 面的等温线图。

　　图 12 各截面温度图(彩色图片参见本刊电子版)

　　从仿真结果来看，最终的有效热场呈扁球形，高温区域集中在天线顶端正对皮肤处，这样在临床应用中易于控制加热位置。

　　3 天线实验

　　3.1 实验过程

　　天线实验以挽袖圆顶微带天线对猪肉[5]进行加热实验，实验测试如图 15 所示。图 15(a)为实验过程图，实验中采用的微波源为 915/2450MHz 微波源，如图 15(b)所示。实验中采用的测温仪器有两种：1)红外热成像仪，将其放置在天线正上方来观察实验过程中的温度变化;2)热电偶测温仪，热电偶可以将测温探针附近的温度转换为电信号，并最终将温度显示在显示屏上，图 15(c)所示为热电偶测温仪。图 15 (d)为整个实验的示意图，通过微波源向天线馈入频率为 915MHz、功率为 10W 的微波。实验过程中每隔 3 min 通过上方的红外热成像仪观察猪肉表面的温度情况，猪肉表面温度随时间变化情况如图 16 所示，加热时间为 33min。加热结束后将热电偶侧向插入猪肉组织中，通过调整插入深度和探针尖端与猪肉表面的垂直距离，最终找出猪肉在 42℃下的透热深度。表 3 为仿真和实验中 42℃下的各截面面积、长短轴数值对比。

　　3.2 实验结果分析

　　由图 16 的加热情况可以看出热场分布比较均匀，高温区域主要集中在天线顶端的表皮部分。由表 3 的三维平面长短轴分析，可以发现，热图治疗区边界在表皮以下 1cm 处和距贴片中心半径 2cm 圆以内，符合对小体积生物组织微波热疗的目的。根据图 16 中猪肉温度变化情况和表 3 中仿真和实验结果对比，可以看出实际加热过程中 42℃温度区域约为仿真结果中加热区域的一半，但形状未发生较大误差。分析实际加热区域较小的原因有三个：1)猪肉组织不均匀，实际中猪肉组织皮肤部分比生物组织模型中皮肤组织更厚且更不均匀;2)表面散热，在加热过程中由于温度比环境温度高，同时存在着组织向环境中散热的问题;3)微波源实际输出功率不足且不稳，实验过程中设定的微波功率虽然为 10W，但实际输出的功率并未达到 10W，约为 9.8W 左右。实验结果表明了该小型化天线针对小体积的生物组织加热 30min 时有效治疗区域约为 20mm×20mm×10mm。较好地实现了针对小面积区域进行微波热疗的目的。

　　4 结论

　　在挽袖天线作为介入式微波热疗天线的基础上，本文设计了一种小型化挽袖微带圆贴片天线应用于小体积生物组织的非介入式微波热疗。采用仿真方式，分析了天线尺寸参数对天线性能的影响，并根据仿真结果设计出小型化天线;通过电磁场与温度场联合仿真，研究了天线加热生物组织时的三维温度场分布。用实验说明了天线的实际应用可行性。最终研究结果表明：设计的天线具有几何尺寸小、反射系数小、加热均匀且热量集中、温度场分布近似椭球形等优点，适用于小体积生物组织的非介入式微波热疗。