目前临床医用微波辐射器的缺陷与改进方向的研究

引言

目前微波治疗在临床上已被广泛使用.事实证明在有些场合微波是比其它方法更为理想的治疗手段[1].但与X射线、同位素、超声波、激光的医学应用相比较,显然这些技术的应用要比微波应用成熟得多.而微波在临床上的使用其关键问题是要制作高效安全的微波辐射器.

作为微波医疗设备,其对象是人体中患病的器官和组织.因此,就提出了不同于一般微波工程设备的独特要求.任何频率的微波,只有将一定剂量的微波能量传送到人体部分组织,被组织吸收时,才会产生不同的生物效应.微波被辐照区域中的皮肤,肌肉,腺体、神经,结缔组织等吸收后的效应,与更微观的组织细胞的间质,膜,核,甚至线粒体、溶酶体,高尔基体中带电粒子的电磁相互作用有着密切的关系.其效果已被国内外临床实践所证明[2,3].但要产生能观察到的效应,必然与组织吸收微波能量的多少有关.

一台典型的微波医疗设备可分为3大部分,包括微波源、传输线和辐射器,其中最关键的、直接影响到疗效的、也是最难解决的是如何制作高效稳定,适合临床各种需要的微波辐射器.

1　单极型医用微波辐射器

微波用于临床治疗的初期,一般多采用体外微波辐射器,用这种辐射器进行治疗,称为微波透热疗法(Microwave diathermy).因为体外微波辐射器常与人体保持一定距离,故会造成微波泄漏和微波场分布对需治疗组织覆盖过量或覆盖不全.特别是覆盖过量,若微波功率过大或持续时间过长,由于热效应和非热效应[4],会造成正常组织不必要的损伤[5].以后发展成单极型辐射器,将辐射器直接紧贴或插入受照组织进行治疗.这样既减少了正常组织的损伤,又提高了疗效.目前临床应用的微波辐射器大致可分为3类:(1)将较细的微波辐射器插入鼻腔、肛肠道、阴道子宫腔内直接辐射微波进行治疗;(2)通过内窥镜活检孔插入辐射器,可对体内深部进行治疗;(3)将针型辐射器直插入肝脏或肿瘤组织或将多支辐射器成阵列式插入或贴近组织进行治疗.目前临床常使用的单极型微波辐射器可分为针型、柱型和球型3种.

我们在临床应用中经常要求微波辐射器的顶端能量最强,根部(与电缆连接处)能量较弱,可是目前临床使用的单极型微波辐射器的第一时间极值区不在顶端,治疗时不方便,甚至可能损伤正常人体组织.我们对目前临床使用的单极型辐射器作了理论分析和实验研究.以其能改变微波辐射器前端的能量分布,达到临床使用最佳效果.

单极型微波辐射器可将其看作一段被高频电流激励的短导线,或称“元电辐射体”.由于治疗时将辐射器直接插入组织或紧贴组织.故天线的远场区理论在此已不再适用.实际上医用微波辐射器主要是辐射器的近场区在起作用.从理论上看,“元电辐射体”的近场区中电场与磁场分量之间相位差90°,其能量只能在天线表面附近以能量交换的方式存在,以感应场为主.近场区中辐射场能量远小于感应场能量.但若要对“元电辐射体”场分布进行计算,必须首先考虑辐射体上电流分布、电压分布和电磁场分布,再根据边界条件(人体组织)计算周围场分布,这在计算上有很大困难,主要是因为人体不同的病变组织有完全不同与空间自由场的参数和很大的不确定性.这是当前天线理论暂时无法解决的问题.有人曾经把螺旋天线分割成若干个元电振子,然后用微分叠加的方法,算出了在自由空间场的螺旋型辐射器的空间能量分布,通过调节螺旋型辐射器的各参数,得到辐射器顶端功率密度较强的理想结果,但由于医用体内辐射是在接近和接触人体病变组织下使用,与自由空间场的条件完全不一致,因此我们用实测的方法(蛋清凝固热图),再辅助于漏能功率仪测出空间各点微波功率密度使其量化,并画出等功率密度线,从热图和等功率密度线可得到该微波辐射器的场分布,同时测定微波辐射器和传输线的驻波比,从而分辨出其传输微波性能的优劣.通过实验室不断地改变螺旋型辐射器的各种参数可以得到比较完善的、符合临床使用的辐射器的能量分布热图.