单振子辐射器在圆柱状分层生物组织中的场分布

　　近年来,利用微波电磁场对生物组织的热效应和非热效应所产生的治疗作用,各种类型的微波治疗机正日益广泛地应用于临床医学中.由四川大学研制的WKJ-Ⅱ型微波口腔综合治疗机[1]经大量临床实践证实,对牙根尖周炎等口腔常见病具有独特的疗效和显著的优点,能在几秒钟内一次治愈,与传统常规疗法(一般治愈疗程为一月左右)相比,大大缩短了治疗时间、简化了治疗方法、减轻了病人的痛苦.

　　微波治疗达到预期效果的关键,一是研制符合各种治疗要求的辐射器,二是根据病变的类型及程度正确掌握微波辐射的剂量,即控制治疗功率与时间,两者都需要深入研究不同辐射器在生物组织内的电磁场分布.与传统天线理论中天线(辐射器)的场分布研究所不同的是:第一,普通天线一般更注重天线远区辐射场的分布,而临床治疗用的微波辐射器起主要作用的是近区场.第二,通常天线理论分析中,辐射器周围为均匀、无耗、无限大的介质环境(空气),临床应用的医用辐射器,例如常用的植入式或腔内辐射器(天线)是处于有耗的生物组织介质中,并且实际生物组织为分层组织,如骨骼、肌肉、脂肪,各层的介质参量差别很大,研究辐射器在各层组织中的场分布、各层组织吸收电磁功率密度的分布,对于预计治疗效果,拟定正确的治疗方案,具有决定性的作用.两者相比,普通天线理论研究中的介质环境简单、理想,远区场的理论已较成熟、完善,对天线在不均匀、分层媒质中近场分布的理论分析却很少,我们将根据电磁场理论,以治疗牙根尖周病为例,在一定的近似条件下,研究微波口腔综合治疗机单振子辐射器在分层生物组织中的场分布,为临床治疗提供必要的理论依据.

　　1　近似模型及坐标系

　　微波口腔综合治疗机工作频率为2450MHz,临床治疗时,针状单振子辐射器插入病齿主根管,纵截面示意图如图1.图中1区为振子辐射器,长度1~3cm,半径a=0.1mm,可近似为理想导体.2区为病齿主根管,半径为b,可认为是空气层,电导率σ2=0,介电系数ε2=ε0=8.854×10-12F/m,电磁波在其中的波数k2=ωμ01/2ε1/22.3区为牙本质,等效外半径为c,牙本质内有许多毛细根管(微管),其介质特性与骨骼组织相近,介电参量取[2]为σ3=114ms/m,ε3=(4.50-j0.84)ε0,波数k3=ωμ01/2ε31/2.2区、3区为牙根尖周炎的主病变区,由于主根管、微管受细菌感染、发炎,导致剧烈疼痛.4区为空气(齿颈部)或牙齿的支持组织(齿根部)———牙床组织,因重点研究齿根部的场分布,近似模型中将4区作为牙床组织处理,其径向尺寸远大于1,2,3区的厚度,可近似看成均匀有耗介质,介电参量与肌肉相同[2],为σ4=2.21s/m,ε4=(47.00-j16.24)ε0,复波数k4=ωμ01/2ε41/2.如图1所示,在齿根部,a,b,c的数值相应分别缓慢减小,近似成圆锥状分层生物组织,其圆锥的坡度角为θ.