基于433MHz縫隙天線的微波消融系統(tǒng)的研究

江瑩旭，趙金哲，錢志余，楊雅敏，劉珈，李韙韜＊

（1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京，210016；2. 湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，長(zhǎng)沙，410013）

基于433MHz縫隙天線的微波消融系統(tǒng)的研究

江瑩旭1，趙金哲1，錢志余1，楊雅敏1，劉珈2，李韙韜1＊

（1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京，210016；2. 湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，長(zhǎng)沙，410013）

基于2450MHz微波頻率的離體肝腫瘤消融在實(shí)驗(yàn)和臨床治療中已經(jīng)取得了較好的成果。本文研究基于433MHz頻率的微波消融系統(tǒng)，重點(diǎn)探索性設(shè)計(jì)433MHz水冷微波消融天線，從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面研究此微波消融天線在離體豬肝中形成的消融區(qū)域和溫度場(chǎng)分布，為新頻段大體積惡性肝腫瘤的適形消融治療提供一定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中比較了不同微波功率下消融區(qū)域的形態(tài)和大小，同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量了不同測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況。結(jié)果表明，433MHz微波天線形成的消融區(qū)域呈現(xiàn)類葫蘆形或近鑰匙形，消融長(zhǎng)徑約為短徑的2～3倍，且能在短時(shí)間內(nèi)較快形成最大橫徑。

微波熱療；433MHz微波消融系統(tǒng)；縫隙天線

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年惡性腫瘤的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)[1]，其中肝癌是最為常見(jiàn)的惡性腫瘤之一。全世界平均每年有超過(guò)一百萬(wàn)患者因肝癌而死，因此采取有效的治療手段攻克肝癌成為人類面臨的緊迫課題。微波消融(MWA)以其微創(chuàng)、安全和人性化的優(yōu)點(diǎn)廣泛用于肝癌、肺癌、腎癌和骨癌的治療中，成為臨床上治療腫瘤的重要手段之一[2,3]。

目前臨床上使用的微波消融治療儀多使用2450MHz或915MHz，在消融熱場(chǎng)的理論和實(shí)驗(yàn)方面都有比較深入的研究，這些都為微波消融治療技術(shù)的臨床應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)[4]。針對(duì)大體積和特殊位置的適形腫瘤，臨床上多采用多針和多次消融的方法，這無(wú)疑都會(huì)增加治療過(guò)程的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。433MHz是一種可用醫(yī)用頻率，普遍應(yīng)用于全身熱療，在微波熱療方面研究較少[5]。本文根據(jù)433MHz微波頻率的波長(zhǎng)特征，以現(xiàn)有臨床微波消融針及多種類型微波天線的設(shè)計(jì)為參考[6-9]，探索性設(shè)計(jì)基于433MHz頻率的微波天線。將微波天線與冷卻水管、絕緣介質(zhì)套、銅套、304不銹鋼管、射頻連接器等部件組裝，成型為較完備的水冷微波消融針。通過(guò)組合微波消融針、循環(huán)水冷裝置、433MHz微波源、溫度采集模塊與上位機(jī)，形成一套完整的微波消融系統(tǒng),用于離體肝組織的微波消融實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

新鮮離體豬肝25例，每個(gè)重約500g，實(shí)驗(yàn)前先復(fù)溫至室溫(37℃)。實(shí)驗(yàn)包括微波消融和溫度采集兩部分，將其分為5組。A組：50W/10min，B組：60W/10min，C組：70W/10min，D組：80W/10min，E組：90W/10min，每個(gè)微波功率下重復(fù)消融實(shí)驗(yàn)5次，總計(jì)25次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前，選取厚度約為5cm的肝葉，將離體肝組織平放于操作臺(tái)。按照不同組別的要求，設(shè)置好消融熱劑量后，將微波消融針插入肝組織，插入深度約為15cm（兩倍的天線長(zhǎng)度)。測(cè)溫針沿平行消融針?lè)较虿迦虢M織，且其前端與天線的縫隙處對(duì)齊，四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的旁開(kāi)距離分別為5mm、10mm、15mm、20mm。實(shí)驗(yàn)中，先開(kāi)啟循環(huán)水冷裝置和溫度采集設(shè)備，然后打開(kāi)微波源，進(jìn)行微波消融和溫度采集實(shí)驗(yàn)。微波輻射結(jié)束后，消融組織先冷卻一定時(shí)間，然后沿進(jìn)針的針道方向水平切開(kāi)肝組織，觀察消融區(qū)域的形態(tài)，測(cè)量消融區(qū)域的縱徑與橫徑，繪制動(dòng)態(tài)溫升曲線。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

基于433MHz頻率的微波消融系統(tǒng)的組成如圖1所示，由微波消融針、433MHz微波源、水冷裝置（蠕動(dòng)泵和水冷附件）、溫度模塊（熱電偶探頭和溫度采集器）和上位機(jī)組成。

圖1 基于433MHz縫隙天線的微波消融系統(tǒng)Figure.1 The microwave ablation system using slot antenna with frequency of 433MHz

1.2.1 433MHz微波消融針與循環(huán)水冷裝置

預(yù)考慮到同軸電纜有低成本、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)[10]，本文所設(shè)計(jì)的微波消融天線基于50Ω半剛性同軸電纜，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線前端的有效長(zhǎng)度為78mm，采用3縫隙結(jié)構(gòu)，縫隙長(zhǎng)度分別為18mm，15mm，15mm，縫隙間距都為10mm(λeff/10)，不僅能匹配天線與傳輸線的特性阻抗，而且能優(yōu)化消融區(qū)域。微波消融針實(shí)為內(nèi)置循環(huán)水冷的微波天線，其中貫穿于針桿（304不銹鋼管）內(nèi)的同軸電纜的前端裸露部分套上絕緣介質(zhì)套，不僅強(qiáng)化針的剛度，還便于針的存儲(chǔ)。擋水短套（銅質(zhì)）固定于絕緣介質(zhì)套與針桿的交界處，防止冷卻水流入針體前端的同時(shí)，減少了后向加熱[11]。進(jìn)水毛細(xì)管固定于同軸電纜與針桿之間，便于冷卻水快速冷卻針體后段部分，有效防止損傷針道附近的正常組織。

圖2 微波消融天線的尺寸結(jié)構(gòu)Figure.2 The configuration of the microwave ablation antanna

循環(huán)水冷裝置包括蠕動(dòng)泵（保定蘭格恒流泵有限公司）和進(jìn)出水軟管。驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為BT01-100，中流量軟管的型號(hào)為25#，保證冷卻水的流速在0.22～0.44m/s之間。當(dāng)微波針工作時(shí)，水冷循環(huán)系統(tǒng)中的蠕動(dòng)泵擠壓水管，將生理鹽水送往針桿內(nèi)，給微波針降溫。當(dāng)針桿內(nèi)充滿水時(shí)，冷卻水沿著出水軟管流出。通過(guò)進(jìn)水毛細(xì)管、出水軟管和蠕動(dòng)泵的配合可以實(shí)現(xiàn)生理鹽水在微波消融針內(nèi)的循環(huán)水冷。

1.2.2 433MHz微波源、溫度采集模塊與上位機(jī)

微波固態(tài)源是微波消融系統(tǒng)的重要組成部分，配合微波天線，通過(guò)輸出特定頻率的微波，使微波能量輻射到組織中。本系統(tǒng)中所采用的是BDS433-200固態(tài)源（杭州八達(dá)微波科技有限公司），輸出的微波頻率為433MHz，微波功率在10～100W范圍連續(xù)可調(diào)，發(fā)射時(shí)間在0～10000s范圍連續(xù)可調(diào)。上位機(jī)通過(guò)微波固態(tài)源控制器(STM32開(kāi)發(fā)板)從外部向固態(tài)源輸入0-5V模擬電壓來(lái)控制其輸出功率的大小。與固態(tài)源控制器相連的固態(tài)源有9個(gè)控制端口，其中端口1進(jìn)行功率輸出控制，端口3進(jìn)行功率電平調(diào)節(jié)，端口5接地。當(dāng)功率輸出控制端打開(kāi)，即端口1為高電平時(shí)，固態(tài)源控制器液晶屏上顯示GPIOA2=1，此時(shí)固態(tài)源就開(kāi)始輸出433MHz頻率微波。

數(shù)字溫度采集模塊由NHR-5700多回路測(cè)量顯示儀和熱電偶探頭組成。顯示儀可以對(duì)多路熱電偶信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、控制和通訊，其自帶的雙屏LED數(shù)碼顯示屏能同時(shí)顯示當(dāng)前溫度測(cè)量值和通道號(hào)[12]，測(cè)量精度達(dá)到0.2% FS。顯示儀采用RS232串行接口與上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，從而監(jiān)測(cè)微波消融過(guò)程中各測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。熱電偶探頭則采用K型熱電偶，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可測(cè)量0-1300℃范圍內(nèi)的溫度。圖3是微波消融系統(tǒng)的軟件界面，能進(jìn)行消融熱劑量的控制與實(shí)時(shí)溫度的采集。軟件采用自動(dòng)檢測(cè)連接的方式與測(cè)溫儀和微波固態(tài)源控制器連接。每次消融實(shí)驗(yàn)前，在實(shí)驗(yàn)方案中設(shè)置好功率和時(shí)間，當(dāng)微波固態(tài)源控制器上與功率輸出控制相對(duì)應(yīng)的按鍵被按下時(shí)，實(shí)時(shí)溫度就開(kāi)始正常采集(指示燈亮)，圖表控件上繪制曲線圖，數(shù)值顯示區(qū)顯示溫度當(dāng)前值。溫度數(shù)值每秒實(shí)時(shí)刷新顯示，并保存在.txt文本文件中。溫度預(yù)警值為42℃，在圖表中以一條紅實(shí)線表示，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度值超過(guò)溫度預(yù)警值時(shí)，預(yù)警指示燈亮，表明肝組織的有效消融過(guò)程開(kāi)始。

圖3 熱劑量控制與溫度采集界面Figure.3 The interface of thermal dose control and temperature acquisition

2 結(jié)果與討論

2.1 消融區(qū)域的形態(tài)和大小

不同微波功率下消融區(qū)域的形態(tài)和大小如圖4所示，圖中顯示的是離體肝組織消融區(qū)域的縱切面，功率從左向右逐步增大，消融時(shí)間都為10min?？梢园l(fā)現(xiàn)，433MHz天線形成的消融區(qū)域呈現(xiàn)類葫蘆形，包括碳化區(qū)(黑色區(qū)域)、凝固區(qū)(黃白色區(qū)域)和邊緣帶(暗紅色區(qū)域)[13]。消融結(jié)果中，我們將縱徑方向上的最大尺寸記為長(zhǎng)徑，橫徑方向上的最大尺寸記為短徑。結(jié)果顯示消融長(zhǎng)徑約是短徑的2～3倍，且消融區(qū)有一個(gè)約束的長(zhǎng)尾，說(shuō)明微波從天線槽中出來(lái)后，它的主要能量通過(guò)套有聚四氟乙烯層的天線開(kāi)口槽朝著天線尾部方向(遠(yuǎn)離天線頂端)傳播到肝組織中。根據(jù)能量守恒定律，隨著功率的增加，短徑和長(zhǎng)徑都逐漸增大。進(jìn)一步觀察消融區(qū)域的短徑，可以看到，在70W功率下，消融區(qū)域的上下短徑的尺寸差別非常大，此時(shí)消融區(qū)域更類似于鑰匙形。

圖4 50 W～90 W功率下消融區(qū)域剖面圖Figure.4 Sectional areas of ablation zone using microwave with power (from left to right: 50W，60W，70W，80W，90W)

2.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文采樣有限元方法(FEM)建立天線的數(shù)學(xué)模型，并利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行微波熱消融離體豬肝的仿真實(shí)驗(yàn)研究[14]。在建立電磁場(chǎng)和生物傳熱模型時(shí)，采用以溫度為自變量的動(dòng)態(tài)肝組織參數(shù)，使仿真結(jié)果更接近實(shí)際微波消融情況[15]。

仿真計(jì)算所得消融區(qū)域形狀與實(shí)驗(yàn)所得消融區(qū)域形狀對(duì)比如圖5所示。圖5(a)為60W微波功率下作用600s的仿真結(jié)果，顏色表的樣式為GrayScale，圖5 (b)為60W微波功率作用600s的消融結(jié)果。可以看出，仿真與實(shí)驗(yàn)的消融區(qū)域在大小和形態(tài)上都較為接近。觀察實(shí)驗(yàn)所得的消融區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，在靠近微波針縫隙附近有由于高溫而形成的黑色碳化區(qū)，這與溫度場(chǎng)仿真中120℃等溫線處相對(duì)應(yīng)。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (b)仿真結(jié)果Figure.5 The comparison of experimental results and simulation results (a) experimental results (b) simulation results

2.3 60W/10min升溫曲線特點(diǎn)

微波功率為60W下，不同測(cè)溫點(diǎn)處的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。由于微波消融實(shí)驗(yàn)中溫度儀的最高溫度顯示值為100℃，在旁開(kāi)距離為5mm和10mm的測(cè)溫點(diǎn)1和2處，微波源分別工作112s和144s，在旁開(kāi)距離為15mm和20mm的測(cè)溫點(diǎn)3和4處，微波源工作600s，即當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，就停止微波輻射。從圖中可以看出，測(cè)溫點(diǎn)3和測(cè)溫點(diǎn)4的溫升曲線比測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)2的溫升曲線上升的緩慢，相比2450MHz頻率的溫升曲線[9]，在433MHz頻率下，最大橫徑的形成時(shí)間更短，這與微波在組織中的高穿透深度能力和肝組織遠(yuǎn)距離熱傳導(dǎo)作用有關(guān)[16]。

圖6 60W功率下各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線Figure.6 The temperature variation on different measuring sites with microwave power of 60W

3 結(jié)論

本文研究基于433MHz微波頻率的微波消融系統(tǒng)，適用于新頻率段離體肝組織的微波消融實(shí)驗(yàn)。通過(guò)探索性設(shè)計(jì)循環(huán)水冷微波消融天線，從仿真和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了此消融針的有效性。433MHz微波消融天線能形成類葫蘆形或近鑰匙形的消融區(qū)域，且消融長(zhǎng)徑約為短徑的2～3倍，有希望應(yīng)用于大體積惡性肝腫瘤的適形消融治療中。當(dāng)然，本文提出的消融系統(tǒng)和微波天線處于初步探索階段，仍有巨大的改進(jìn)空間。

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The Study of Microwave Ablation System with a 433MHz Slot Antenna

Jiang Yingxu1, Zhao Jinzhe1, Qian Zhiyu1, Yang Yamin1, Liu Jia2, Li Weitao1?
(1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Hunan Provincial Tumor Hospital/The Affiliated Tumor Hospital of Xiangya Medical School of Central South University, Changsha 410013, China)

Liver tumor ablation by microwave with frequency of 2450MHz has achieved good results in both ex vivo studies and clinical treatment. In order to provide a theoretical and experimental basis for treating large malignant liver tumors through conformal ablation with a lower frequency, in present paper, an microwave ablation system with frequency of 433MHz was developed, and our main objective is to explore the optimized design of water-cooled microwave ablation antenna. Following the microwave ablation by our system, the temperature distribution and subsequent ablation zone in an ex vivo porcine liver were studied both experimentally and in simulations. The shape and dimension of ablation area under different microwave powers was compared, and the temperature distribution was measured dynamically in a series of measuring points. The results have shown that the ablation region induced by 433 MHz microwave antenna is in a gourd or key shape. The length of the ablation zone is about 2～3 times of transverse diameter, and the transverse diameter can reach to the maximum value in a short time.

Microwave hyperthermia; Microwave ablation system at 433MHz; slot antenn

R318

A

10. 11967/ 2017150107

R318

A DOI：10. 11967/ 2017150107

國(guó)家自然科學(xué)基金(61275199和61378092)，南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新與創(chuàng)優(yōu)基金B(yǎng)CXJ14-07，獲得南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)放基金資助kfjj20160303，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（NS2015032和NP2015201）。

?通訊作者：李韙韜，副教授，博士。Email: liweitao@nuaa.edu.cn.