水冷却天线微波热疗温度场的数值分析

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1、第1章绪论1．1微波热疗第1章绪论热在医学中作为一种治疗手段，已有很长的历史。热疗是根据生物细胞的热特性，利用高温来杀死肿瘤细胞的方法。肿瘤热疗起源于欧洲，1866年德国医生Bush首先报道了一例经组织学证实的面部晚期肉瘤病人感染丹毒高热后肿瘤消失现象⋯，随后许多学者在此基础及临床研究中进一步揭示了热疗的作用及机制。在过去的30年间。随着基础研究的深入及热疗设备的开发和应用，热疗这一古老的疗法得到了普遍应用，已成为一种重要的致癌手段。肿瘤的热疗方法按照热源不同，目前主要包括激光消融治疗(LaserAblatio

2、n，LA)、射频消融治疗(RadiofrequencyAblation，re：A)、微波消融治疗(MicrowaveAblation，MA)、聚焦超声消融治疗(ExtracorporealFocusedUltrasoundAblation，EFUA)等疗法，其共同特点是用物理的方法使局部组织温度骤升，造成凝固区肿瘤组织的完全坏死u'2j。微波热疗是利用微波的致热效应，是治疗的组织温度达到54℃以上，致使组织脱水、干燥、产生凝固坏死，从而阻断异常传导或消除异位兴奋灶，达到治疗目的。微波热疗是继手术、放疗、化疗之后

3、的有一有效治疗肿瘤的新方法。微波产生的高温导致癌细胞死亡的原理大致为：高温对癌细胞有选择性破坏作用。正常组织血液供应比较丰富，随着温度的升高血流调节作用明显，因而局部血流冷却效果好。而肿瘤组织大多供血较差，即使血管丰富的肿瘤也因是新生血管，血流调节作用弱，局部冷却效果差；高温对细胞核的破坏，当肿瘤长时间处于41℃以上高温时，细胞核凝成团体，蛋白质凝固，细胞吸氧量减小，核糖核酸和脱氧核糖核酸的合成收到抑制，进一步使DNA和蛋白质合成障碍，导致细胞死亡。微波消融治疗因其热效率高、使用方便、安全等优点而倍受国内外学者

4、的重视，肿瘤的介入式微波热凝固治疗(InvasiveMicrowaveCoagulation，IMC)就是其中之一。它通过把微波天线在超声引导下直接插入肿瘤内部作为热源，使其温度达到凝固点(54℃)以上，通常可一次性原位杀灭癌细胞。微波热疗显著的优点除疗效稳定可靠、操作简便安全、治疗时间极短(仅需5分钟)外，而且其副作用极小，还能提高机体免疫力，不仅可以用于体表加热，也可做成小体积的体腔辐射器进行腔内治疗，因此在癌症临床治疗方法中极具竞争力【3,4,5】。微波热消融辐射频率主要有2450MHz、915MHz及4

5、34MHz三种。2450MHz加热深度可达皮下2．3ClTI，434MHz加热深度可达皮下4．5ClTI，915MHz介于二者之间【6。8】。对生物组织加热的机制有两种：北京工业大学工学硕士学位论文1．离子加热：在生物组织的细胞内，外液体中含有大量的带电粒子，如钾离子、钠离子和氯离子等【9】，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。2．偶极子加热：在生物组织中存在着大量的水分和蛋白质分子等极性分子。它们是由于原子排列引起的正、负电荷的“重心”不重合而构成的电偶极子。这

6、些极性分子在交变的微波场作用下时，它们的极性指向便与电场一致，极性分子在转动的过程中与其临近的分子摩擦碰撞便产生热量。1．2微波热疗温度场研究的意义肿瘤微波热消融治疗技术已经在临床中应用很多年，但是其仍存在一些问题有待研究解决。其一，也是最大的热点，就是如何扩大热消融范围，增强适形治疗能力【lo．13]。事实上当肿瘤稍大(直径>3cm)或欠规整，或周边有大血管存在时，要求一次消融整个肿瘤肿块，无论是哪一种技术实现在三维上的适形消融都并非易事。其中不仅要重视消融技术的改进，同时要深入研究组织的生物物理学特性以及与

7、能量的相关性。其二，肿瘤热消融治疗要达到一次成功，必须在治疗前进行科学的设计、治疗中的实时监控以及消融后的有效评估【l41。提出治疗方法的科学性、术前温度场的设计、有效凝固区域的评估，是热消融治疗成功的关键因素。微波热凝固治疗的关键在于确保肿瘤内各处的温度都能达到组织的凝固温度。组织中血液循环对热疗温度场的影响非常大，特别是大血管的冷却效应，常常会使其周围的组织达不到预期的热疗温度而造成癌细胞残留，手术疗效不理想[1s-18]。为此，研究大血管的血流状况对凝固区温度场的影响，提出相应的温度场补偿措施，为临床治疗

8、手术规划提供决策依据，也成为临床面临的一个严峻课题u％01。器官内血管比较丰富，癌瘤又有派生新血管的特性，此外肿瘤有时长在动脉大血管的附近或周围，这样就在微波热疗过程中提出了两个难题：一是大血管周围组织可能因血流的强烈冷却效应而达不到凝固温度；二其它良性组织可能因过热而损坏。解决这两个相反要求的矛盾问题是达到理想疗效的必要条件。因而温度场的分布预测与监控就显的十分重要。由于实际肿瘤位置