微波热疗天线的设计与优化

1、引言

微波热疗就是利用电磁能量在人体组织中所产生的热效应，使组织细胞温度升至41℃到45℃的有效治疗高温区，并且维持一定的时间，加速病变细胞的死亡，但不损伤正常细胞组织。因此合理设计辐射器天线的结构，精确计算辐射电场分布，是正确判断微波热疗过程温度热场分布的前提。本文采用CST仿真软件建立了微波热疗模型，通过该模型设计了一种高效实用的辐射天线，具有很好的近场辐射方向性，同时保证了良好的SAR分布。

2、微波热疗建模

2.1、天线模型

为了避免对组织细胞造成伤害，通常采用具有若方向性的圆波导天线，其工作频率为915MHz。然而，通过仿真分析发现，单纯的圆波导天线的电磁近场聚焦作用较差。为了使天线具有更好的辐射性能，设计中采用给圆波导加脊的方式，使得电磁场分布集中在两脊之间。为了保证阻抗的匹配，将同轴线的外导体连接在脊波导边上，内导体延伸至相对的脊内达到匹配，形成单极辐射器;同时脊为线性变化，阻抗由50Ω渐变到165Ω。如图1(a)所示，其中圆波导半径R=7.367cm，长度为L=16.78cm，壁厚t=0.35cm，后腔深度l=0.35cm，波导内脊间距h1=0.866cm，辐射口面脊间距h2=4.48cm，采用50Ω同轴馈电。

由于体膜表面电磁反射较大，为进一步提高治疗效率，须对其结构加以优化。为了获得更好的辐射效率，设计中采用介质填充圆波导天线腔体，并在天线口面加载厚度为

的三层介质实现匹配变换，该结构不仅可以抵消体模表面反射回波对天线的影响，而且可以增强电场的方向性，减小了电场能量的泄漏。结构如图1所示。

　　(a)加脊圆波导天线切面图　

　　(b) 填充介质并加载三层介质的圆波导天线

　　图1 仿真天线结构视图

2.2、人体组织模型

根据辐射天线口径的大小和方便实测的原则，确定仿真模拟的体膜箱的截面尺寸为30cm*30c，厚度为20cm，置于距离辐射天线1cm处;在915MHz频率下人体组织的相对介电常数er=51，磁导率

，电导率

。

3、参数提取

3.1、比吸收率(SAR)分布的计算

　　比吸收率(SAR)的定义是单位质量生物组织对电磁场能量的吸收率，计算公式为：

　　上式中

和

分别表示组织的密度和电导率，

，。辐射天线的导体及绝缘介质的SAR为0。

3.2、SAR与热疗时间的关系

由于人体组织吸收电磁波能量后产生热量，在温度上升到治疗要求的条件时，可用量热法测出SAR与热疗时间的关系。在组织热扩散等影响可以忽略的条件下，测出SAR与热疗时间的关系表达式为：

　　上式中C为组织的比热，单位为

，

为热疗的时间，单位为s，是温度上升到变化量，单位为K。组织的比热为常量，所以从上式中可以得出，在加温治疗的过程中，SAR越大，则温度上升更快，治疗时间更短，辐射剂量越小。

4、计算结果及其分析

计算采用的CST微波高频仿真软件。源为TEM模，加在辐射天线的输入端口，功率为1W。对结构优化前后的两个辐射天线在组织中产生的电磁场和SAR分布以及辐射天线输入端口的S参数进行计算比较。

　　电场强度取模值

,在XOY平面，体模放置在距天线辐射口面1cm处，如图2所示，图3给出了体模不同深度条件下的SAR分布图，图4为s11的扫频图。在图2和图3中，左侧均为优化前的分布图，右侧为优化后的分布图。

　　(a) 优化前后体模表面电场分布

 

　　(b) 优化前后体模深度12cm处电场分布

　　图 2 体模中的电场分布图

　　

　　(a) 优化前后体模表面SAR分布

　　

　　(b) 优化前后体模深度12cm处SAR分布

　　图3 体模中的SAR分布图

　　

　　图4 结构优化前后的s11扫频图

从辐射天线在体膜不同深度的电场分布(见图2)可以看出，经过介质填充并在辐射口面加载三层介质优化以后，电场聚焦明显，而且在相同深度条件下，场强更大，同时电场分布均匀，保证了有效加温面积。从SAR在体膜不同深度分布图(见图3)，优化前后天线的SAR分布都较均匀，而且优化后的SAR值高于优化前，改善有效加温深度，减少治疗时间和辐射剂量。从s11对比图(见图4)得到，在优化前后曲线的最低点均落在915MHz，而优化前s11为-13.12dB，优化后为-20.26dB，优化后的能量反射更小，辐射效率得到提高。

5、结论

医用微波热疗天线与一般作用于远场的天线不同，热疗天线作用于近场区域。它应具有将传输线上的导行波转换为自由空间电磁波，并将辐射能量集中形成定向辐射的功能。

本文通过仿真，设计并改进了一种新型的微波热疗天线，实现了微波热疗天线对生物组织加热效果的计算机模拟，并做出对比。通过优化改进，辐射天线的阻抗匹配程度更好，反射回腔体的功率小，提高了辐射功率的利用率，保证微波发射器正常工作和稳定，同时优化后电场近场的辐射方向性显著提高，保