微波熱消融定向天線的研究現(xiàn)狀

劉慧慧，畢思欣，南 群

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部智能化生理測量與臨床轉(zhuǎn)化北京市國際科研合作基地，北京 100124）

0 引言

熱消融是通過局部加熱（通常組織溫度達(dá)到50 ℃以上）進(jìn)而使組織變性、失活的治療方法[1]，用于加熱的能量來源包括微波、射頻、激光和超聲等[2]。其中，微波熱消融是一種新興的并日益廣泛應(yīng)用于腫瘤微創(chuàng)治療的熱療方法，通常是在CT、MRI 等影像設(shè)備的引導(dǎo)下[3]，將一個或多個天線插入靶組織中心進(jìn)行消融并產(chǎn)生軸對稱的消融區(qū)[4-6]。據(jù)報道，微波熱消融已用于肝、腎、肺、膀胱等多種部位腫瘤的治療，對于不同大小、位置的腫瘤組織，輸送能量的方法包括經(jīng)皮、腔內(nèi)、血管內(nèi)、內(nèi)窺鏡、腹腔鏡和開放外科手術(shù)等[7-8]。

微波天線是微波熱消融裝置中必不可少的組成部分，它是決定消融區(qū)大小和形狀的關(guān)鍵因素之一。目前，用于腫瘤消融的天線大多為同軸軸對稱天線[9]，基本的設(shè)計形式包括單極子、偶極子、縫隙天線、螺旋天線以及帶扼流圈和套筒的天線等。這些天線設(shè)計的目標(biāo)是產(chǎn)生接近球形或橢球形消融區(qū)，同時提高天線傳輸效率。例如Ge 等[10]提出了周期性多縫隙天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計的天線由10 個長度均為0.6 mm、相隔0.8 mm 的相同縫隙向組織輸送能量。與單縫隙天線相比，該天線產(chǎn)生了更接近球形的消融區(qū)，即沿天線軸的熱量沉積更少。而為了產(chǎn)生更大、更圓的消融區(qū)，Xu 等[11]提出了非周期性三縫隙天線的設(shè)計，3 個縫隙的長度分別為1.219、1.753、1.256 mm。與周期性十縫隙天線相比，該天線可以產(chǎn)生圓度幾乎相等且直徑更大的消融區(qū)。

然而，在臨床腫瘤微波熱消融中，天線的選擇取決于靶組織的形狀、位置和鄰近器官。通常在靶組織與周圍關(guān)鍵組織結(jié)構(gòu)相鄰時，必須嚴(yán)格控制消融區(qū)域的形狀，既要達(dá)到靶組織消融的全覆蓋，又要避免對周圍關(guān)鍵組織的熱損傷[12-13]。有研究人員提出了一些將目標(biāo)腫瘤組織與周圍健康組織隔離和熱絕緣的防護(hù)技術(shù)，如采用流體或氣體分隔、采用球囊插入或腔內(nèi)冷卻/升溫等[14]。但這些技術(shù)存在一定的局限性，可能會對組織造成額外損傷。此外，Bottiglieri 等[15]根據(jù)組織的相對介電常數(shù)和有效電導(dǎo)率值越高，組織的吸收、存儲電磁能量并將其轉(zhuǎn)換為熱的能力越強的特點，提出了利用靶組織周圍脂肪組織反射電磁能量，從而實現(xiàn)靶向消融的方法。但該方法對目標(biāo)組織所處位置要求較高，且其可行性及安全性還需進(jìn)一步研究。

而使用定向天線進(jìn)行微波熱消融時，其輻射的能量被限制在沿天線軸向一定角度內(nèi)，可以引導(dǎo)能量向目標(biāo)方向沉積。因此，將定向天線置于腫瘤外周進(jìn)行消融可以有效地將靶組織與周圍關(guān)鍵組織分隔，避免熱防護(hù)技術(shù)可能帶來的額外損傷[16]。例如靠近胸壁的乳腺腫瘤、前列腺腫瘤[17]、位于橫隔膜附近的肝臟腫瘤或腸道附近的腎腫瘤等。同時使用多個定向天線可以產(chǎn)生更大的消融區(qū)，以治療較大尺寸的腫瘤。此外，定向天線仍可以插入腫瘤中心進(jìn)行消融，通過旋轉(zhuǎn)天線不同角度以產(chǎn)生相應(yīng)的消融區(qū)。雖然定向天線旋轉(zhuǎn)360°時產(chǎn)生的消融區(qū)不如全向天線有效，但對于一些不規(guī)則的靶組織，可以通過改變天線旋轉(zhuǎn)角度及消融參數(shù)設(shè)置來創(chuàng)建特定消融區(qū)[18]。因此，定向天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究對現(xiàn)有微波熱消融技術(shù)具有重要意義。

目前，微波天線設(shè)計已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，關(guān)于定向天線的研究也日益增多，因此，本文對定向天線的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以供研究人員查閱參考。

1 微波熱消融原理及微波天線的性能評價指標(biāo)

1.1 微波熱消融原理

在微波熱消融過程中，微波功率發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電磁能量通過電纜及同軸天線傳輸?shù)浇M織中。其原理是高頻率的微波輻射引起組織內(nèi)水分子的極性發(fā)生變化，極性分子快速振蕩，通過分子摩擦產(chǎn)生介電熱，將動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使蛋白質(zhì)變性、組織失活[19-20]。與射頻消融相比，微波消融較少受到血管熱沉效應(yīng)及組織高溫炭化和水蒸氣的影響[21]，因此可以在較短的時間內(nèi)產(chǎn)生更大的消融范圍及更徹底的腫瘤殺傷效應(yīng)[22]。

1.2 微波天線的性能評價指標(biāo)

為了達(dá)到預(yù)期消融區(qū)形狀、高效率傳輸及低侵入性的要求，微波天線的性能評價指標(biāo)包括天線傳輸效率、功率損耗密度、比吸收率（specific absorption rate，SAR）分布以及消融區(qū)形狀和大小[23]。根據(jù)這些指標(biāo)，研究人員可以對天線設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以滿足臨床需求。

1.2.1 天線傳輸效率

天線傳輸效率使用天線反射系數(shù)S11（dB）來描述，S11越小，表示天線的傳輸效率越高，耦合到組織中的能量越高。計算公式如下：

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式中，Pr為反射功率（W）；Pi為輸入功率（W）。

1.2.2 功率損耗密度

功率損耗密度和功率損耗分布體現(xiàn)微波能量在生物組織中的損耗情況，即生物組織吸收微波能量的多少。功率損耗值越大，說明組織吸收的微波能量越多，轉(zhuǎn)化的熱能越多，生物組織的溫度也就越高[24]。

1.2.3 SAR

SAR（W/kg）代表生物組織在單位時間內(nèi)吸收的能量。通過計算SAR 可以預(yù)測特定天線產(chǎn)生的消融區(qū)形狀和大小[25-26]，計算公式如下：

式中，E 為電場（V/m）；ρ 為組織密度（kg/m3）；σ 為組織電導(dǎo)率（S/m）。

2 定向天線的研究現(xiàn)狀

定向天線設(shè)計的關(guān)鍵是在產(chǎn)生定向消融區(qū)的基礎(chǔ)上，避免反向以及沿天線軸的熱量沉積，通常是消融區(qū)的溫度分布和天線反射系數(shù)之間權(quán)衡的結(jié)果[27]。由于大多數(shù)天線是基于單極子、偶極子及縫隙天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此，將定向天線按這3 種天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類討論。

2.1 基于單極子的定向天線研究

圖1 支撐組件橫截面示意圖[29]

McWilliams 等[30]在單極子天線的外側(cè)加入了圓柱形金屬和導(dǎo)管，將圓柱形金屬一側(cè)的尾端部分去除，另一側(cè)作為電磁反射器（如圖2 所示），從而使電磁能量向目標(biāo)方向輻射，產(chǎn)生定向消融區(qū)。模擬和實驗結(jié)果表明，在2.45 GHz 頻率下，最佳的天線反射系數(shù)為-32 dB，且目標(biāo)方向溫度升高速度明顯快于對側(cè)，產(chǎn)生的消融區(qū)半徑可達(dá)20 mm，而對側(cè)消融區(qū)小于4 mm。通過在最外側(cè)導(dǎo)管中充滿循環(huán)水可以有效減少沿天線軸的加熱，并實現(xiàn)良好的天線阻抗匹配。但循環(huán)水的加入導(dǎo)致該天線的直徑過大（3.5 mm），從而對組織的侵入性增加。此外，天線的輻射能量部分會被循環(huán)水吸收，使天線的輻射效率顯著降低。

圖2 天線橫、縱截面示意圖[30]

Sebek 等[31]為了減小McWilliams 等[30]提出的定向天線的直徑并增加徑向加熱深度，改變了單極子天線和反射器的相對位置以及反射器形狀，提出了球面和拋物面2 種形狀反射器的定向天線設(shè)計。該設(shè)計中使用的單極子天線為UT-34 同軸電纜，使天線直徑小于2.5 mm。結(jié)果表明，帶球形反射器和拋物面反射器的天線均可產(chǎn)生定向溫度分布，SAR分布一致且?guī)佄锩娣瓷淦鞯奶炀€產(chǎn)生的消融區(qū)橫向深度略高于帶球形反射器的天線。在肝組織實驗中，天線反射系數(shù)為-15 dB，天線傳輸效率高。與McWilliams 等[30]的設(shè)計相比，該設(shè)計將輻射單極子向?qū)Ч鼙诳拷?，雖然會增加加熱速率及耦合到組織中的能量，但也會造成目標(biāo)方向?qū)?cè)的輻射增多，降低了產(chǎn)生高度定向消融區(qū)的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

Mohtashami 等[32]提出了一種新型的單極子定向天線設(shè)計（如圖3 所示）。該天線將同軸單極子天線的外導(dǎo)體延伸到單極子饋電點之外，以實現(xiàn)定向電磁能量輻射，產(chǎn)生定向消融。研究結(jié)果顯示，反射器后方的SAR 值比目標(biāo)方向低15 dB，且輸入到同軸天線的大約84%的功率傳輸?shù)搅私M織，天線消融效率比McWilliams 等[30]提出的高4 倍。與加入金屬結(jié)構(gòu)作為電磁能量反射器的設(shè)計相比，這種利用單極子天線固有內(nèi)外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)定向的設(shè)計可以有效減小天線直徑。此外，在外導(dǎo)體上創(chuàng)建縫隙的設(shè)計，不僅可以加強單極子在輻射方向產(chǎn)生的電場，同時可以減小非目標(biāo)方向的電場分布。因此，該天線在臨床應(yīng)用上具有較大優(yōu)勢。

圖3 單極子定向天線結(jié)構(gòu)示意圖[32]

以上單極子定向天線中，Debicki 等[29]提出的天線的臨床性能已在術(shù)中和Ⅰ期臨床研究中進(jìn)行了早期評估。有關(guān)McWilliams 等[30]和Sebek 等[31]提出的水冷式定向天線的研究逐漸增多，如Pfannenstiel等[14]使用該天線進(jìn)行了離體牛肝和活體家豬實驗，結(jié)果表明該天線可以在組織中形成定向消融區(qū)。Curto 等[33]建立了該天線與MRI 集成系統(tǒng)，用于臨床前小動物的熱療實驗研究。Faridi 等[34]基于該系統(tǒng)對天線幾何參數(shù)及相應(yīng)的溫度分布進(jìn)行了進(jìn)一步評估，確定了一種在MRI 引導(dǎo)下將熱量傳遞到距離小動物皮膚表面1～3 mm、消融直徑為2～4 mm 目標(biāo)組織的最優(yōu)天線參數(shù)設(shè)計。Sebek 等[35]對該天線與MRI集成系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展，用于實時測溫及定量評估熱分布。在裸鼠皮下移植的HAC15 腫瘤體內(nèi)加熱實驗中表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測腫瘤邊界溫度，進(jìn)而有助于控制對目標(biāo)區(qū)域的加熱劑量。對于該水冷式定向天線的臨床前研究已逐漸成熟，在未來的研究中，還需進(jìn)行更多的活體及臨床實驗，為其應(yīng)用于肝、腎、肺以及一些腺體腫瘤的治療提供研究基礎(chǔ)。而利用同軸單極子天線固有結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定向的天線還缺乏相關(guān)的體內(nèi)及臨床研究，有待進(jìn)一步驗證其安全性及可行性。

2.2 基于同軸偶極子的定向天線研究

偶極子天線由同軸電纜和一個固體金屬圓柱體組成，二者之間的間隙為電磁波傳播的有效源。Alnassan 等[36]使用了不帶套筒的偶極子天線作為初始天線，并將其插入金屬導(dǎo)管中。在金屬導(dǎo)管長度為8 mm、旋轉(zhuǎn)角度為300°的方向上，使用了相對介電常數(shù)為10 的陶瓷將金屬導(dǎo)管反射的電磁波能量傳輸?shù)浇M織（如圖4 所示），進(jìn)而產(chǎn)生定向消融區(qū)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在消融時間為10 min 時，該天線在目標(biāo)方向和其對側(cè)產(chǎn)生的消融區(qū)半徑分別為2 cm和1 cm，且兩側(cè)的SAR 分布明顯不均勻。該天線設(shè)計的缺點是直徑較大（3 mm），產(chǎn)生的消融區(qū)體積較??；優(yōu)點是偶極子天線和金屬導(dǎo)管之間形成的空氣腔可以進(jìn)行水冷卻循環(huán)，沿天線軸的熱量傳輸較少。

圖4 天線結(jié)構(gòu)橫截面示意圖[36]

Brannan[37]提出了在天線上配置一個可拆卸的電磁屏蔽反射器，進(jìn)而產(chǎn)生定向消融區(qū)的方法。其中，用于屏蔽電磁能量的材料可以為鋁、金、銀、銅、鉛、錫、鎳、青銅、黃銅、不銹鋼、導(dǎo)電聚合物、高導(dǎo)磁率合金和超高溫合金。Murat 等[38]則設(shè)計了一種反射式微波天線，將圓形鋁盤作為反射器置于介質(zhì)散熱器截面上方，降低了天線反射系數(shù)。研究結(jié)果表明，該天線反射系數(shù)為-36 dB，消融區(qū)域的電磁輻射增加，且腫瘤表面的電場和SAR 值可高達(dá)437 V/m 和208 W/kg，可用于高度局部化的腫瘤治療。

Mohtashami 等[39]在同軸偶極子天線的基礎(chǔ)上，將內(nèi)外導(dǎo)體分別作為2 個偶極臂進(jìn)行電磁能量傳輸，提出了非同軸微波定向消融天線的設(shè)計，定向消融區(qū)的產(chǎn)生通過改變2 個偶極臂相對于橫、縱平面的傾斜方向及角度實現(xiàn)（如圖5 所示）。結(jié)果顯示，2個偶極臂均向上傾斜，傾斜角度θ1為80°、θ2為40°時，SAR 分布圖高度局部化且集中分布于天線一側(cè)。在微波消融頻率為6 GHz、消融功率為25 W、時間為5 min 時，可產(chǎn)生目標(biāo)方向與其對側(cè)方向比為40%的消融區(qū)。然而，該天線由于偶極臂沒有與饋電軸位于同一軸線，在進(jìn)行消融治療時，會對正常組織造成更大的創(chuàng)傷，投入臨床使用前還需進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖5 偶極臂定向傾斜示意圖[39]

基于同軸偶極子的定向天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其應(yīng)用于臨床前還需進(jìn)行大量的優(yōu)化設(shè)計及活體實驗，降低對組織的侵入性并驗證其有效性。

2.3 基于同軸縫隙的定向天線研究

同軸縫隙天線通過在同軸電纜外導(dǎo)體的一定位置處創(chuàng)建一個寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有效波長的槽進(jìn)行電磁輻射，通過改變槽的大小、位置及數(shù)量可以產(chǎn)生不同的消融區(qū)。基于同軸縫隙天線的這種饋電特點，Thaiwat 等[40]提出了同軸非對稱縫隙天線的結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。在開槽角度分別為90°、180°、270°和360°時的仿真結(jié)果顯示，SAR 集中分布于開槽一側(cè)，且產(chǎn)生的定向消融區(qū)范圍取決于開槽的角度、微波功率及加熱時間。然而，這種設(shè)計會導(dǎo)致消融區(qū)溫度上升速度減慢、峰值溫度降低且消融區(qū)范圍縮小。

圖6 同軸非對稱縫隙天線結(jié)構(gòu)圖[40]

隨著時間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，對于同軸縫隙定向天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實驗研究逐漸增多。Wongtrairat等[41]對開槽角度為180°時的非對稱結(jié)構(gòu)天線產(chǎn)生的消融區(qū)溫度和SAR 分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，最高溫度和SAR 位于開槽一側(cè)，可實現(xiàn)定向消融，并且在功率不變時，溫度會隨著槽的寬度發(fā)生改變。Nantivatana 等[42]使用多目標(biāo)優(yōu)化算法研究了開槽角度為180°時槽的寬度和位置。結(jié)果表明，當(dāng)槽的中心處與天線末端距離3.3 mm、槽寬度為6 mm 時，該天線的天線反射系數(shù)最小，產(chǎn)生的消融區(qū)更接近半球形且體積最大。Phasukkit 等[43]利用開槽角度為180°時的同軸非對稱縫隙天線進(jìn)行了有限元及離體實驗分析。該研究中，使用了3 根定向天線并以等邊三角形排列置于腫瘤組織周圍，半槽均指向三角形內(nèi)側(cè)。結(jié)果表明，該消融模式可以產(chǎn)生60 ℃或溫度更高且更大的凝固區(qū)，且消融區(qū)集中分布于天線內(nèi)側(cè)。在天線間距為10、20 和30 mm 時，產(chǎn)生的消融區(qū)體積分別為18.437、29.317 和63.504 cm3。目前對于該天線的研究還缺少活體及臨床實驗，有待進(jìn)一步開發(fā)。

3 結(jié)語

現(xiàn)有的定向天線均可產(chǎn)生預(yù)期的SAR 分布，實現(xiàn)引導(dǎo)能量向目標(biāo)方向沉積的目的。但定向天線研究還存在一些不足：（1）提出的定向天線設(shè)計中，為了最大限度減少反向加熱，研究者使用了特定的消融時間和功率，進(jìn)而產(chǎn)生了預(yù)期結(jié)果，但這也導(dǎo)致了消融體積大幅減小的問題。（2）為了達(dá)到定向消融的目的而導(dǎo)致天線直徑過大和形狀復(fù)雜的問題，還需進(jìn)一步優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，提高其臨床應(yīng)用的可行性。（3）關(guān)于定向天線的研究還缺乏在體實驗，缺少血液灌注、組織異質(zhì)性以及代謝熱等對溫度分布的影響研究。在未來的研究中，還需不斷優(yōu)化定向天線設(shè)計，在產(chǎn)生定向消融區(qū)的基礎(chǔ)上減小天線直徑，從而降低其對組織的侵入性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。其次，還需對定向天線的臨床適用場景不斷探索并進(jìn)行相應(yīng)的活體及臨床實驗，為其應(yīng)用于臨床提供研究基礎(chǔ)。此外，定向天線的使用需要精確的空間定位，因此，還需要探究在三維影像指導(dǎo)下天線有效消融的可行性。總之，隨著研究的日益成熟，定向天線將廣泛應(yīng)用于臨床，為微波消融提供技術(shù)支持。