基于433MHz缝隙天线的微波消融系统的研究

江莹旭，赵金哲，钱志余，杨雅敏，刘珈，李韪韬＊

（1. 南京航空航天大学自动化学院，南京，210016；2. 湖南省肿瘤医院/中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院，长沙，410013）

基于433MHz缝隙天线的微波消融系统的研究

江莹旭1，赵金哲1，钱志余1，杨雅敏1，刘珈2，李韪韬1＊

（1. 南京航空航天大学自动化学院，南京，210016；2. 湖南省肿瘤医院/中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院，长沙，410013）

基于2450MHz微波频率的离体肝肿瘤消融在实验和临床治疗中已经取得了较好的成果。本文研究基于433MHz频率的微波消融系统，重点探索性设计433MHz水冷微波消融天线，从仿真和实验两方面研究此微波消融天线在离体猪肝中形成的消融区域和温度场分布，为新频段大体积恶性肝肿瘤的适形消融治疗提供一定理论和实验基础。实验中比较了不同微波功率下消融区域的形态和大小，同时动态测量了不同测温点的温度变化情况。结果表明，433MHz微波天线形成的消融区域呈现类葫芦形或近钥匙形，消融长径约为短径的2～3倍，且能在短时间内较快形成最大横径。

微波热疗；433MHz微波消融系统；缝隙天线

引言

据统计，每年恶性肿瘤的发病率和死亡率呈上升趋势[1]，其中肝癌是最为常见的恶性肿瘤之一。全世界平均每年有超过一百万患者因肝癌而死，因此采取有效的治疗手段攻克肝癌成为人类面临的紧迫课题。微波消融(MWA)以其微创、安全和人性化的优点广泛用于肝癌、肺癌、肾癌和骨癌的治疗中，成为临床上治疗肿瘤的重要手段之一[2,3]。

目前临床上使用的微波消融治疗仪多使用2450MHz或915MHz，在消融热场的理论和实验方面都有比较深入的研究，这些都为微波消融治疗技术的临床应用奠定了坚实的理论和技术基础[4]。针对大体积和特殊位置的适形肿瘤，临床上多采用多针和多次消融的方法，这无疑都会增加治疗过程的复杂性和危险性。433MHz是一种可用医用频率，普遍应用于全身热疗，在微波热疗方面研究较少[5]。本文根据433MHz微波频率的波长特征，以现有临床微波消融针及多种类型微波天线的设计为参考[6-9]，探索性设计基于433MHz频率的微波天线。将微波天线与冷却水管、绝缘介质套、铜套、304不锈钢管、射频连接器等部件组装，成型为较完备的水冷微波消融针。通过组合微波消融针、循环水冷装置、433MHz微波源、温度采集模块与上位机，形成一套完整的微波消融系统,用于离体肝组织的微波消融实验研究。

1 材料与方法

1.1 实验内容与方法

新鲜离体猪肝25例，每个重约500g，实验前先复温至室温(37℃)。实验包括微波消融和温度采集两部分，将其分为5组。A组：50W/10min，B组：60W/10min，C组：70W/10min，D组：80W/10min，E组：90W/10min，每个微波功率下重复消融实验5次，总计25次实验。

实验前，选取厚度约为5cm的肝叶，将离体肝组织平放于操作台。按照不同组别的要求，设置好消融热剂量后，将微波消融针插入肝组织，插入深度约为15cm（两倍的天线长度)。测温针沿平行消融针方向插入组织，且其前端与天线的缝隙处对齐，四个测温点的旁开距离分别为5mm、10mm、15mm、20mm。实验中，先开启循环水冷装置和温度采集设备，然后打开微波源，进行微波消融和温度采集实验。微波辐射结束后，消融组织先冷却一定时间，然后沿进针的针道方向水平切开肝组织，观察消融区域的形态，测量消融区域的纵径与横径，绘制动态温升曲线。

1.2 实验仪器

基于433MHz频率的微波消融系统的组成如图1所示，由微波消融针、433MHz微波源、水冷装置（蠕动泵和水冷附件）、温度模块（热电偶探头和温度采集器）和上位机组成。

图1 基于433MHz缝隙天线的微波消融系统Figure.1 The microwave ablation system using slot antenna with frequency of 433MHz

1.2.1 433MHz微波消融针与循环水冷装置

预考虑到同轴电缆有低成本、小尺寸等优点[10]，本文所设计的微波消融天线基于50Ω半刚性同轴电缆，具体结构如图2所示。天线前端的有效长度为78mm，采用3缝隙结构，缝隙长度分别为18mm，15mm，15mm，缝隙间距都为10mm(λeff/10)，不仅能匹配天线与传输线的特性阻抗，而且能优化消融区域。微波消融针实为内置循环水冷的微波天线，其中贯穿于针杆（304不锈钢管）内的同轴电缆的前端裸露部分套上绝缘介质套，不仅强化针的刚度，还便于针的存储。挡水短套（铜质）固定于绝缘介质套与针杆的交界处，防止冷却水流入针体前端的同时，减少了后向加热[11]。进水毛细管固定于同轴电缆与针杆之间，便于冷却水快速冷却针体后段部分，有效防止损伤针道附近的正常组织。

图2 微波消融天线的尺寸结构Figure.2 The configuration of the microwave ablation antanna

循环水冷装置包括蠕动泵（保定兰格恒流泵有限公司）和进出水软管。驱动器的型号为BT01-100，中流量软管的型号为25#，保证冷却水的流速在0.22～0.44m/s之间。当微波针工作时，水冷循环系统中的蠕动泵挤压水管，将生理盐水送往针杆内，给微波针降温。当针杆内充满水时，冷却水沿着出水软管流出。通过进水毛细管、出水软管和蠕动泵的配合可以实现生理盐水在微波消融针内的循环水冷。

1.2.2 433MHz微波源、温度采集模块与上位机

微波固态源是微波消融系统的重要组成部分，配合微波天线，通过输出特定频率的微波，使微波能量辐射到组织中。本系统中所采用的是BDS433-200固态源（杭州八达微波科技有限公司），输出的微波频率为433MHz，微波功率在10～100W范围连续可调，发射时间在0～10000s范围连续可调。上位机通过微波固态源控制器(STM32开发板)从外部向固态源输入0-5V模拟电压来控制其输出功率的大小。与固态源控制器相连的固态源有9个控制端口，其中端口1进行功率输出控制，端口3进行功率电平调节，端口5接地。当功率输出控制端打开，即端口1为高电平时，固态源控制器液晶屏上显示GPIOA2=1，此时固态源就开始输出433MHz频率微波。

数字温度采集模块由NHR-5700多回路测量显示仪和热电偶探头组成。显示仪可以对多路热电偶信号进行采集、显示、控制和通讯，其自带的双屏LED数码显示屏能同时显示当前温度测量值和通道号[12]，测量精度达到0.2% FS。显示仪采用RS232串行接口与上位机软件进行数据传递，从而监测微波消融过程中各测温点的实时温度。热电偶探头则采用K型热电偶，灵敏度高，稳定性好，可测量0-1300℃范围内的温度。图3是微波消融系统的软件界面，能进行消融热剂量的控制与实时温度的采集。软件采用自动检测连接的方式与测温仪和微波固态源控制器连接。每次消融实验前，在实验方案中设置好功率和时间，当微波固态源控制器上与功率输出控制相对应的按键被按下时，实时温度就开始正常采集(指示灯亮)，图表控件上绘制曲线图，数值显示区显示温度当前值。温度数值每秒实时刷新显示，并保存在.txt文本文件中。温度预警值为42℃，在图表中以一条红实线表示，当实时温度值超过温度预警值时，预警指示灯亮，表明肝组织的有效消融过程开始。

图3 热剂量控制与温度采集界面Figure.3 The interface of thermal dose control and temperature acquisition

2 结果与讨论

2.1 消融区域的形态和大小

不同微波功率下消融区域的形态和大小如图4所示，图中显示的是离体肝组织消融区域的纵切面，功率从左向右逐步增大，消融时间都为10min。可以发现，433MHz天线形成的消融区域呈现类葫芦形，包括碳化区(黑色区域)、凝固区(黄白色区域)和边缘带(暗红色区域)[13]。消融结果中，我们将纵径方向上的最大尺寸记为长径，横径方向上的最大尺寸记为短径。结果显示消融长径约是短径的2～3倍，且消融区有一个约束的长尾，说明微波从天线槽中出来后，它的主要能量通过套有聚四氟乙烯层的天线开口槽朝着天线尾部方向(远离天线顶端)传播到肝组织中。根据能量守恒定律，随着功率的增加，短径和长径都逐渐增大。进一步观察消融区域的短径，可以看到，在70W功率下，消融区域的上下短径的尺寸差别非常大，此时消融区域更类似于钥匙形。

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

2.2 仿真与实验结果对比

本文采样有限元方法(FEM)建立天线的数学模型，并利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics进行微波热消融离体猪肝的仿真实验研究[14]。在建立电磁场和生物传热模型时，采用以温度为自变量的动态肝组织参数，使仿真结果更接近实际微波消融情况[15]。

仿真计算所得消融区域形状与实验所得消融区域形状对比如图5所示。图5(a)为60W微波功率下作用600s的仿真结果，颜色表的样式为GrayScale，图5 (b)为60W微波功率作用600s的消融结果。可以看出，仿真与实验的消融区域在大小和形态上都较为接近。观察实验所得的消融区域可以发现，在靠近微波针缝隙附近有由于高温而形成的黑色碳化区，这与温度场仿真中120℃等温线处相对应。

图5 实验结果与仿真结果对比图(a)实验结果 (b)仿真结果Figure.5 The comparison of experimental results and simulation results (a) experimental results (b) simulation results

2.3 60W/10min升温曲线特点

微波功率为60W下，不同测温点处的温度数据曲线如图6所示。由于微波消融实验中温度仪的最高温度显示值为100℃，在旁开距离为5mm和10mm的测温点1和2处，微波源分别工作112s和144s，在旁开距离为15mm和20mm的测温点3和4处，微波源工作600s，即当温度超过100℃时，就停止微波辐射。从图中可以看出，测温点3和测温点4的温升曲线比测温点1和测温点2的温升曲线上升的缓慢，相比2450MHz频率的温升曲线[9]，在433MHz频率下，最大横径的形成时间更短，这与微波在组织中的高穿透深度能力和肝组织远距离热传导作用有关[16]。

图6 60W功率下各测温点的温度变化曲线Figure.6 The temperature variation on different measuring sites with microwave power of 60W

3 结论

本文研究基于433MHz微波频率的微波消融系统，适用于新频率段离体肝组织的微波消融实验。通过探索性设计循环水冷微波消融天线，从仿真和实验上验证了此消融针的有效性。433MHz微波消融天线能形成类葫芦形或近钥匙形的消融区域，且消融长径约为短径的2～3倍，有希望应用于大体积恶性肝肿瘤的适形消融治疗中。当然，本文提出的消融系统和微波天线处于初步探索阶段，仍有巨大的改进空间。

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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

国家自然科学基金(61275199和61378092)，南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金BCXJ14-07，获得南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金资助kfjj20160303，中央高校基本科研业务费专项资金资助（NS2015032和NP2015201）。

⋆通讯作者：李韪韬，副教授，博士。Email: liweitao@nuaa.edu.cn.