微波肿瘤消融治疗仪的工程研制

微波肿瘤消融治疗仪的工程研制 南京理工大学 硕士学位论文微波肿瘤消融治疗仪的工程研制 姓名:杨立生 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:车文荃 20080601硕士论文 微波肿瘤消融治疗仪的工程研制 摘 要 本文研制了一种新型的工作在,(,,,,,的微波肿瘤消融治疗仪，功率在,,,,,瓦可调。通过将微波辐射器植入肿瘤，在局部产生高温，使肿瘤细胞产生不可逆转的死亡，达到治疗癌症的目的。这种方法不同于传统的外科手术，具有创伤小、术后副作用小的优点。 本文首先介绍了微波治疗肿瘤的理论基础，基于微波对生物组织加热是内源性加热，具有热效率高、升温速度快、高温热场分布较均匀、凝固区内坏死彻底等优点，在此基础上研制出了微波能肿瘤治疗仪。该肿瘤消融治疗仪的研发涉及低频电子、微波和医学的最新理论和技术，属于电子学、微波技术与医学的交叉学科。微波肿瘤消融治疗仪的研制成功，为探索微波能在人体琢鲋瘟浦械挠τ媒?似教ā?通过微波肿瘤消融治疗仪在离体猪肝上的凝固实验和温度场分布测试实验，了解了微波电极植入后辐射组织的凝固范围、形状和辐射中心及其附近的温度分布情况。输入辐射功率越大，辐射时间越长，凝固的范围越大，凝固形状越接近球形。这些实验和理论结果为辐射器的进一步研制提供了依据，为医生临床提供了参考。关键词:微波肿瘤消融治疗仪，微波辐射器，内源性加热，消融，凝固 ,,,,,,;, , ,,, ,,,, ,, ,,;,,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,;,, ,, ,,,, ,,,,,,，,,,;, ,,,,,,,, ,, ,(,,,,, ,,, ;,, ,,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,, , ,, , ,, ,,,,(,,, ,,,,;,,,, ,,,,;,,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,;,,,,,,,,, ;,, ,, ;,,,, ,,,,,,,,,,(,,,, ,,,,,,;, ,, ？,,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,;,, ,,,,,,,,,,,;,,,, ,, ,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,, ,,,, ,,,,;,,( ,,, 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制药通常需要消毒、杀菌、干燥等过程。采用传统的加热方式对不同药材进行干燥时，药材受热是以传导方式传递，内外受热不均匀，消耗能量大、时间长，干燥效果不理想。如果采用微波技术进行处理，由于微波穿透力很强，物料从里到外都能同时接受微波照射，物料中的离子和极性分子在微波作用下高速旋转，相互摩擦碰撞， 迅速升温，因此物料内外受热均匀、加热速度快、效率高【,,，对材料的干燥有良好的加速作用。同时微波可以用于医药制品的干燥灭菌，中草药材的快速干燥、杀虫、灭菌。,(,(,微波技术在医疗诊断中的应用 微波技术作用于医疗诊断主要是微波成像技术【,】。早在,,世纪,,年代初，欧洲科学委员会就认识到了微波成像在生物医学中的巨大应用前景，并开始着手进行研究。最初的工作是由法国开展的，法国政府资助开展了实验工作，接着英国和西班牙也陆续开始研究，以后几年美国、日本和我国也加入了研究行列。 微波成像技术是通过对微波作用下物质周围的电磁场分布的测量来得到物质的介电特性，达到成像的目的，它不受不连续性影响，对低密度软组织也可以很好地区分，弥补了超声波和,射线等成像手段的不足。其次，通过微波成像，可以获得其他成像手段不能获得的生物体特性。常用到的核磁共振技术就是微波成像技术之一。,(,(,微波用于医学临床治疗 微波的生物学效应主要有生物体的热效应和非热效应。微波治疗主要应用微波生物效应中的热效应。 ,绪论 硕士论文 一种为微波理疗，采用微波适量的局部照射，提高局部生物体的新陈代谢，诱导产生一系列的物理化学变化，如增强血液循环、加强代谢、增强免疫能力等，达到解痉镇痛，抗炎脱敏，促进生长等作用。例如微波针灸具有疏通经络，舒筋活血，消肿止痛，消炎、散风去寒，缓解痉挛等作用。临床应用表明，它对关节炎、神经痛、扭伤，久治不愈的面神经、肩周炎等症具有较好疗效【,,。微波是一种有效的现代化热疗方法。 另一种为微波治疗恶性肿瘤，有两种治疗机制。一种是微波温热治疗，其机制主要是由于癌细胞对温度的敏感性高于正常细胞。方法是通过微波辐射器将肿瘤温度提高到,,，,,?，可将癌细胞杀死而保护肿瘤周围的正常细胞，据悉高温治疗具有较好的效果。另一种是微波热凝固治疗肿瘤，其原理是应用,,?或,,?以上高温直接造成肿瘤细胞的凝固性坏死。具体就是通过大功率的微波淦髦苯诱丈渲琢觯蛊渲行奈露却锏剑叮啊嬉陨显斐芍琢鱿赴奶蓟湍袒邓馈,庖彩潜究翁獾闹饕芯糠较颉,保微波治疗肿瘤历史与现状 上世纪,,年代微波问世，,,,,年美国医学接受微波可以用于治疗，,,年代前后，各国对这种新的微波治疗进行了多方面研究，加之高温生物学，高温生理学和高温理工学研究取得了一系列成就，微波的治疗应用有所发展。但,,世纪,,年代之前，微波只能用于外辐射治疗骨关节和肌肉的炎症疾病，以及部分肿瘤加温。,,,,年，,,,,,,,,〕研制成功针状组织辐射加温天线，各种进入人体腔道和插入组织的辐射天线相继在医疗实践中出现，治疗适应症随之扩大，效果也明显提高。尤其在手术科室的应用，更是成效卓著。特别需要指出的是,,世纪,,年代以来，由于各种现代影像技术的发展，在超声引导下的针对肿块的各种局部热凝固的治疗方法在临床上普遍开展。该领域已经成为近,,年来世界性的研究热点，大量的文献报道了令人鼓舞的疗效〔,。,〕和应用前景【,叫,,。如超声引导下微波凝固治疗对单发结节、分化较好、且无复发转移的肝转移癌症患者有较好的远期疗效，并且具有创伤小、疗效好、并发症少等特点【,孓巧】。 微波应用于临床以来，以其对组织加热快，升温高，组织凝固可靠，止血效果彻底，加热范围易掌握，使用方便等特点而被接受。随着高频传输线的发展和天线技术的不断提高，微波辐射方式已从体外辐射，发展到组织中介入辐射和血管、腔道中的直接辐射，应用范围不断扩大，其作用越来越受到人们的关注与重视，在临床治疗肿瘤的应用上发展迅速。 因此，利用微波治疗肿瘤具有很好的发展前景。 随着微波与生物相互作用的深入研究，微波治疗仪的不断改进与发展，尤其是微波医用辐射天线的研制和完善，微波能在医学中的应用可有更好的发展，新成果会不断出现，微波能终会成为医生战胜疾病的得力助手和人类生命健康的可靠卫士。,硕士论文 微波肿瘤消融治疗仪的工程研制,(,本课题的工作 本文首先介绍微波能治疗肿瘤的理论基础，接着介绍微波肿瘤消融治疗仪的研制和治疗仪中所用微波功率分配器的设计，最后应用本课题研制的微波肿瘤消融治疗仪进行几项性能分析实验。本课题的工作主要分为以下几个部分: ,、微波能治疗肿瘤的理论基础。第二章对微波特性、微波的生物效应及微波治疗肿瘤的原理进行了简要阐述，了解微波治疗肿瘤的机理。 ,、微波肿瘤消融治疗仪的研发。第三章详细介绍微波肿瘤消融治疗仪的研制过程，包括微波源的选择、智能控制系统的研制、测温系统的研制、人机交流显示系统及报警等。 ,、微波功率分配器的工程设计。第四章介绍一分二和一分三等分功率分配器的工程设计，实现微波肿瘤消融治疗仪输出功率的等额输出，进而实现一台治疗仪能够支持两到三根辐射器同时工作，有助于对体积较大或形状不规则肿瘤的灭活。 ,、微波肿瘤消融治疗仪的性能实验与微波凝固实验。通过大量的动物离体组织实验，检验肿瘤治疗仪工作的安全性、功率输出的稳定性与一致性;通过微波肿瘤消融治疗仪对离体猪肝组织进行凝固实验，观察微波辐射后组织的凝固范围、凝固形状。通过对比得到输出功率和辐射时间与凝固范围及凝固形状的关系。 , ,微波能治疗肿瘤的理论基础 硕士论文 ,微波能治疗肿瘤的理论基础 ,(,微波的物理性 微波一般是指波长为,,?,,，,(,,,的电磁波，其频率范围约在,,,,,,,,,,,,,,。 按波长又将微波波段分为米波、分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。为限制和控制空 间的电波噪声，国际电信联盟分配给工业、科学和应用的微波频率(，,,频率)有 ,,,,,,、,,,,,,、,,,,,,,、,,,,,,,、,,,,,,,,。 作为一种特定频段的电磁波，微波表现出它所特有的一些物理特性〔,,,,,,。 ,(,(,微波的能量特性 微波作为一种电磁波也具有波粒二象性，微波量子的能量为,(,,,,,,,,,,(,,,,,— ,,,。微波作用于生物体时，它的量子能量不足以改变物质分子的内部结构，破坏物质的(分子键。因此微波照射人体组织细胞时不会造成健康细胞的损伤。 ,(,(,微波对极性分子的作用特性 物体中的极性分子在微波作用下会偶极矩的偏转，分子间的相互碰撞会使分子的热 运动加剧，分子吸收的微波能量在碰撞中被转化为热能。因此极性分子比无极分子更能 吸收微波能量。 ,(,(,微波的发射与传播特性 由于微波的波长较短，因此它可以在空间直线传播。另外，微波还可以被聚焦成很 窄的微波波束，以集中它的能量。 ,(,微波的生物效应 当微波作用于生物体时，生物体必然要建立新的平衡以适应外界电磁环境的变化， 因此也就必然产生某些生物效应。微波的生物效应主要是微波的热效应。 微波的生物热效应主要是生物体内有极性分子在微波高频电场作用下反复快速转 动而摩擦生热。另外，体内离子在微波作用下的振动也会将振动能量转化为热量，一般 分子也会吸收微波能量使热运动能量增加。 如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体散发的能量，则会引起生 物组织温度升高。局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如局部血管扩张，血液循 环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。 除了热效应外，微波还存在其它一些非热效应，如电效应、磁效应以及化学效应等。 在微波作用下，生物体内 一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜内外液体的电状况变 ,硕士论文 微波肿瘤消融治疗仪的工程研制化，引起生物作用的改变，进而影响中枢神经系统等。微波还可干扰心电、脑电、神经传导电位、细胞活动膜电位等生物电的节律，导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍。 当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的，而长期的低功率密度微波辐射主要引起非热效应。,(,微波治疗肿瘤的基本原理 微波对肿瘤的治疗效果好，具有发展前景，下面简述其基本原理。,(,(,微波作用于生物体会产生热量 ? 从组织人体细胞的内液和细胞外液来讲，其中有大量的带电粒子，如钾离子、钠离子、氯离子等，这些带电粒子在交变电场的作用下产生振动，它们与其周围的其他离子或分子发生碰撞而生热。另一种方式是偶极子加热。在生物组织中存在有大量的水分子和蛋白质分子等极性分子，它们是由于原子排列引起的正、负电荷“重心”不重合而构成的电偶极子。这些极性分子在没有外力作用时，其极性指向呈随机状态，因而总体呈中性。当这些极性分子处在交变微波电场的作用下，它们的极性指向便与电场一致，排列有序，并随微波场的交交而转动。这些极性分子在转动的过程中与其临近的分子摩擦碰撞产生热量。机体中的水分子和蛋白质分子都是极性分子，这些极性分子在外部电场的作用下，会使细胞内、外液中的离子进行超高速而频繁的转动和振动，也会同周围的离子及分子相碰，摩擦产生热量。这种热来自于机体，是一种内部热。 人体机体吸收的微波能量越多，产生的热量也越多。就人体组织而言，不同的组织由于电特性和含水量的不同，对微波的吸收及产热也不相同。含水量多的组织吸收多，产热也多。就同一组织在生理与病理条件下，也不尽相同。已经证明，皮肤癌组织的含水量为,,(,,，正常组织的含水量为,,(,,;正常肝组织的含水量仅为,,(,,，而肝癌组织的含水量为,,(,,刚。因此在微波照射下癌组织的升温要比正常组织高，呈现出对癌组织的选择性加温。,(,(,肿瘤组织的储热作用 由于肿瘤组织的增长，使周围的血管和新生毛细管等受到压迫，发生扭曲、变得狭窄，造成血液流受阻。研究表明，肿瘤血流量仅为周围组织的,,”,?,,,，造成由于肿瘤组织的散热作用大大低于正常组织，文献也报道，同在微波照射下，肿瘤部位的温度比正常组织的温度高出,”,,,,,”,，甚至有,,,,,?，如此高的温度差足以使癌组织坏死，而周围正常组织则会免于受损。 ,,微波能治疗肿瘤的理论基础 硕士论文,(,(,肿瘤组织的耐热性差 肿瘤组织由于供血不足、局部营养不良和供氧不足等原因，使肿瘤细胞对热的耐性降低。实验动物和临床资料已表明，肿瘤细胞的致死温度明显低于正常组织。当温度升高至,,,,,,,,,,，肿瘤细胞就会发生血液淤滞，癌细胞也停止分裂;在,,(,,,(，,,”,或更高时，肿瘤细胞就会发生不可逆的损伤，血流停滞、血栓形成、癌细胞变性坏死。临床中，使用微波所选的临界温度是,,(,”,，在此温度下的正常细胞将不会受到损害。 微波治疗疾病主要利用了它的热效应。大致可以分为三个温区，,,”,,,,。,为第一温区，成为理疗区;,,,,,，,,。,为第二温区，称为治癌区;,,”,”,,,”(,为第三温区，称为组织蛋白凝固区。不同的疾病，可选用不同的温区来治疗，温度主要取决于微波功率的大小与作用时间的长短，另外还与组织的性质和血液循环情况有关。,(,(,生物组织对微波能量的吸收 微波辐射组织后主要有微波能量的吸收和生物组织的热传导两个过程。下面作一简单介绍。 单位体积生物组织所能吸收的微波能量为: 见,要岛衙,,,,,,,„?,,，, ,, (,(,) 式中，岛表示生物组织的复介电常数，,,,‖一,,。。占?表示生物组织的介电常数的实数部分;占”表示生物组织的介电常数的虚数部分。另外有: 盯,国,” (,(,) ,,,,,”,,, (,(,) 其中，盯表示生物组织的电导率;留万表示生物组织的损耗角正切;,,表示电磁波的角频率。 生物组织中的占?和留万与组织的含水量有密切关系，含水量越高，,?和留万就越大。因此，像肝和肌肉等高含水量组织吸收的微波能量就比含水量低的脂肪要多。可见，组织吸收微波能量的多少不仅与微波本身的芰壳咳跤泄兀褂胱橹牡缧圆问泄于,恚玻常矗敝辛谐隽巳颂甯卧诓煌德氏碌慕榈绯,蟆偷嫉缏识?荆玻啊俊?表,(,(,(,人体肝在不同频率下的介电常数占?和导电率盯 频率(,,,) ,,, ,,,, ,,,, 介电常数占? ,,(,, ,,(,, ,,(,, „ 导电率仃 ,(,(,,(, ,(,,(, ,(, ,,(,,(, 热传导是微波治疗的又一重要过程，组织吸收微波能量必然引起组织局部的升温，形成温度场。这既与微波源的频率和功率有关，又与生物组织的电性、物性和生态参数有关，还与加热时间有关。这些因素与温度场的关系，可以通过能量守恒原理来建立。,硕士论文 微波肿瘤消融治疗仪的工程研制迄今为止应用最多的是,,,,,,于,,,,年提出来的 生物热传导方程(又叫,,,,,,方程)【,，】: ,?,?,,,,,,,?,,,，,,;，(,—,)，,,，,, (,(,) 其中,、,和丁表示组织密度、比热和温度;,表示组织的导热率，,。表示血液灌注率，,表示血液的比热，乙表示动脉血温度，,表示组织代谢产热率，,,为单位组织所吸收的微波辐射能，,表示时间，,为算子(,,别,材)。 该生物热传导方程本质上是一个能量守恒方程。方程左边表示单位组织内能的变化，右边第一项是通过导热传出去的能量，第二项是灌注血流带走的能量，第三、四项是单位组织内增加的能量。从公式可以看出生物热传导不仅与组织有关，还与血液灌注率和温度变化有关。 微波肿瘤消融治疗仪将大功率微波通过辐射器植入肿瘤，首先通过组织吸收使温度快速升高，形成温度场;其次通过生物热传导向周围传递热能。经过一段时间在肿瘤中形成三个不同的温度区，第一个温度区为炭化区，即由于温度过高组织形成炭化;第二个温度区为凝固区，它的形成一部分是由于微波具有一定的辐射深度，癌组织吸收微波能量而温度升高。另一个原因由于中心温度高，组织的热传导所致;第三个区域为边缘区域，称为充血反应区，温度在,,,,,?左右，主要为热传导所致。 ,,微波肿瘤消融治疗仪的工程研制 硕士论文,微波肿瘤消融治疗仪的工程研制 微波肿瘤消融治疗仪是微波应用于医学的必要媒质，它集低频电子、高频电子、微波和医学理论于一身，属于电子学、微波技术与医学的交叉学科方向。近年来，随着电子技术的进一步发展，特别是单片机技术的发展，使微波肿瘤消融治疗仪的研制朝着小型化、智能化方向的发展成为可能。同时，如何提高微波治疗仪的总体性能、提高微波输出的稳定性、如何方便医护人员的使用成为本项课题的目标。,(,微波肿瘤消融治疗仪的总体结构 微波肿瘤消融治疗仪主要由三部分组成:微波源、智能控制电路和与传输线相连接的辐射器，以及一些相应的辅助部分。微波肿瘤消融治疗仪的总体结构框图如图,(,(,所示，从图中可以清楚的看出治疗仪的整个工作流程。市网,,,,交流电压提供给开关电源，开关电源产生,,,,,直流高压和,,交流电压，而这正是微波源(磁控管)所需的阳极工作电压和阴极工作电压，微波源在控制电路的控制下产生,(,,,, ,、功率,,,,,,可调得的微波，提供给辐射器(手术刀或天线)。 ,(,, ,微 ,,, 么 丁 , ,,,, ，眦 ,， 厂 、 .