江瑩旭，趙金哲，錢志余，楊雅敏，劉珈，李韙韜＊

（1. 南京航空航天大學自動化學院，南京，210016；2. 湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院，長沙，410013）

基于433MHz縫隙天線的微波消融系統(tǒng)的研究

江瑩旭1，趙金哲1，錢志余1，楊雅敏1，劉珈2，李韙韜1＊

（1. 南京航空航天大學自動化學院，南京，210016；2. 湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院，長沙，410013）

基于2450MHz微波頻率的離體肝腫瘤消融在實驗和臨床治療中已經(jīng)取得了較好的成果。本文研究基于433MHz頻率的微波消融系統(tǒng)，重點探索性設計433MHz水冷微波消融天線，從仿真和實驗兩方面研究此微波消融天線在離體豬肝中形成的消融區(qū)域和溫度場分布，為新頻段大體積惡性肝腫瘤的適形消融治療提供一定理論和實驗基礎。實驗中比較了不同微波功率下消融區(qū)域的形態(tài)和大小，同時動態(tài)測量了不同測溫點的溫度變化情況。結果表明，433MHz微波天線形成的消融區(qū)域呈現(xiàn)類葫蘆形或近鑰匙形，消融長徑約為短徑的2～3倍，且能在短時間內較快形成最大橫徑。

微波熱療；433MHz微波消融系統(tǒng)；縫隙天線

引言

據(jù)統(tǒng)計，每年惡性腫瘤的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢[1]，其中肝癌是最為常見的惡性腫瘤之一。全世界平均每年有超過一百萬患者因肝癌而死，因此采取有效的治療手段攻克肝癌成為人類面臨的緊迫課題。微波消融(MWA)以其微創(chuàng)、安全和人性化的優(yōu)點廣泛用于肝癌、肺癌、腎癌和骨癌的治療中，成為臨床上治療腫瘤的重要手段之一[2,3]。

目前臨床上使用的微波消融治療儀多使用2450MHz或915MHz，在消融熱場的理論和實驗方面都有比較深入的研究，這些都為微波消融治療技術的臨床應用奠定了堅實的理論和技術基礎[4]。針對大體積和特殊位置的適形腫瘤，臨床上多采用多針和多次消融的方法，這無疑都會增加治療過程的復雜性和危險性。433MHz是一種可用醫(yī)用頻率，普遍應用于全身熱療，在微波熱療方面研究較少[5]。本文根據(jù)433MHz微波頻率的波長特征，以現(xiàn)有臨床微波消融針及多種類型微波天線的設計為參考[6-9]，探索性設計基于433MHz頻率的微波天線。將微波天線與冷卻水管、絕緣介質套、銅套、304不銹鋼管、射頻連接器等部件組裝，成型為較完備的水冷微波消融針。通過組合微波消融針、循環(huán)水冷裝置、433MHz微波源、溫度采集模塊與上位機，形成一套完整的微波消融系統(tǒng),用于離體肝組織的微波消融實驗研究。

1 材料與方法

1.1 實驗內容與方法

新鮮離體豬肝25例，每個重約500g，實驗前先復溫至室溫(37℃)。實驗包括微波消融和溫度采集兩部分，將其分為5組。A組：50W/10min，B組：60W/10min，C組：70W/10min，D組：80W/10min，E組：90W/10min，每個微波功率下重復消融實驗5次，總計25次實驗。

實驗前，選取厚度約為5cm的肝葉，將離體肝組織平放于操作臺。按照不同組別的要求，設置好消融熱劑量后，將微波消融針插入肝組織，插入深度約為15cm（兩倍的天線長度)。測溫針沿平行消融針方向插入組織，且其前端與天線的縫隙處對齊，四個測溫點的旁開距離分別為5mm、10mm、15mm、20mm。實驗中，先開啟循環(huán)水冷裝置和溫度采集設備，然后打開微波源，進行微波消融和溫度采集實驗。微波輻射結束后，消融組織先冷卻一定時間，然后沿進針的針道方向水平切開肝組織，觀察消融區(qū)域的形態(tài)，測量消融區(qū)域的縱徑與橫徑，繪制動態(tài)溫升曲線。

1.2 實驗儀器

基于433MHz頻率的微波消融系統(tǒng)的組成如圖1所示，由微波消融針、433MHz微波源、水冷裝置（蠕動泵和水冷附件）、溫度模塊（熱電偶探頭和溫度采集器）和上位機組成。

圖1 基于433MHz縫隙天線的微波消融系統(tǒng)Figure.1 The microwave ablation system using slot antenna with frequency of 433MHz

1.2.1 433MHz微波消融針與循環(huán)水冷裝置

預考慮到同軸電纜有低成本、小尺寸等優(yōu)點[10]，本文所設計的微波消融天線基于50Ω半剛性同軸電纜，具體結構如圖2所示。天線前端的有效長度為78mm，采用3縫隙結構，縫隙長度分別為18mm，15mm，15mm，縫隙間距都為10mm(λeff/10)，不僅能匹配天線與傳輸線的特性阻抗，而且能優(yōu)化消融區(qū)域。微波消融針實為內置循環(huán)水冷的微波天線，其中貫穿于針桿（304不銹鋼管）內的同軸電纜的前端裸露部分套上絕緣介質套，不僅強化針的剛度，還便于針的存儲。擋水短套（銅質）固定于絕緣介質套與針桿的交界處，防止冷卻水流入針體前端的同時，減少了后向加熱[11]。進水毛細管固定于同軸電纜與針桿之間，便于冷卻水快速冷卻針體后段部分，有效防止損傷針道附近的正常組織。

圖2 微波消融天線的尺寸結構Figure.2 The configuration of the microwave ablation antanna

循環(huán)水冷裝置包括蠕動泵（保定蘭格恒流泵有限公司）和進出水軟管。驅動器的型號為BT01-100，中流量軟管的型號為25#，保證冷卻水的流速在0.22～0.44m/s之間。當微波針工作時，水冷循環(huán)系統(tǒng)中的蠕動泵擠壓水管，將生理鹽水送往針桿內，給微波針降溫。當針桿內充滿水時，冷卻水沿著出水軟管流出。通過進水毛細管、出水軟管和蠕動泵的配合可以實現(xiàn)生理鹽水在微波消融針內的循環(huán)水冷。

1.2.2 433MHz微波源、溫度采集模塊與上位機

微波固態(tài)源是微波消融系統(tǒng)的重要組成部分，配合微波天線，通過輸出特定頻率的微波，使微波能量輻射到組織中。本系統(tǒng)中所采用的是BDS433-200固態(tài)源（杭州八達微波科技有限公司），輸出的微波頻率為433MHz，微波功率在10～100W范圍連續(xù)可調，發(fā)射時間在0～10000s范圍連續(xù)可調。上位機通過微波固態(tài)源控制器(STM32開發(fā)板)從外部向固態(tài)源輸入0-5V模擬電壓來控制其輸出功率的大小。與固態(tài)源控制器相連的固態(tài)源有9個控制端口，其中端口1進行功率輸出控制，端口3進行功率電平調節(jié)，端口5接地。當功率輸出控制端打開，即端口1為高電平時，固態(tài)源控制器液晶屏上顯示GPIOA2=1，此時固態(tài)源就開始輸出433MHz頻率微波。

數(shù)字溫度采集模塊由NHR-5700多回路測量顯示儀和熱電偶探頭組成。顯示儀可以對多路熱電偶信號進行采集、顯示、控制和通訊，其自帶的雙屏LED數(shù)碼顯示屏能同時顯示當前溫度測量值和通道號[12]，測量精度達到0.2% FS。顯示儀采用RS232串行接口與上位機軟件進行數(shù)據(jù)傳遞，從而監(jiān)測微波消融過程中各測溫點的實時溫度。熱電偶探頭則采用K型熱電偶，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可測量0-1300℃范圍內的溫度。圖3是微波消融系統(tǒng)的軟件界面，能進行消融熱劑量的控制與實時溫度的采集。軟件采用自動檢測連接的方式與測溫儀和微波固態(tài)源控制器連接。每次消融實驗前，在實驗方案中設置好功率和時間，當微波固態(tài)源控制器上與功率輸出控制相對應的按鍵被按下時，實時溫度就開始正常采集(指示燈亮)，圖表控件上繪制曲線圖，數(shù)值顯示區(qū)顯示溫度當前值。溫度數(shù)值每秒實時刷新顯示，并保存在.txt文本文件中。溫度預警值為42℃，在圖表中以一條紅實線表示，當實時溫度值超過溫度預警值時，預警指示燈亮，表明肝組織的有效消融過程開始。

圖3 熱劑量控制與溫度采集界面Figure.3 The interface of thermal dose control and temperature acquisition

2 結果與討論

2.1 消融區(qū)域的形態(tài)和大小

不同微波功率下消融區(qū)域的形態(tài)和大小如圖4所示，圖中顯示的是離體肝組織消融區(qū)域的縱切面，功率從左向右逐步增大，消融時間都為10min?？梢园l(fā)現(xiàn)，433MHz天線形成的消融區(qū)域呈現(xiàn)類葫蘆形，包括碳化區(qū)(黑色區(qū)域)、凝固區(qū)(黃白色區(qū)域)和邊緣帶(暗紅色區(qū)域)[13]。消融結果中，我們將縱徑方向上的最大尺寸記為長徑，橫徑方向上的最大尺寸記為短徑。結果顯示消融長徑約是短徑的2～3倍，且消融區(qū)有一個約束的長尾，說明微波從天線槽中出來后，它的主要能量通過套有聚四氟乙烯層的天線開口槽朝著天線尾部方向(遠離天線頂端)傳播到肝組織中。根據(jù)能量守恒定律，隨著功率的增加，短徑和長徑都逐漸增大。進一步觀察消融區(qū)域的短徑，可以看到，在70W功率下，消融區(qū)域的上下短徑的尺寸差別非常大，此時消融區(qū)域更類似于鑰匙形。

圖4 50 W～90 W功率下消融區(qū)域剖面圖Figure.4 Sectional areas of ablation zone using microwave with power (from left to right: 50W，60W，70W，80W，90W)

2.2 仿真與實驗結果對比

本文采樣有限元方法(FEM)建立天線的數(shù)學模型，并利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics進行微波熱消融離體豬肝的仿真實驗研究[14]。在建立電磁場和生物傳熱模型時，采用以溫度為自變量的動態(tài)肝組織參數(shù)，使仿真結果更接近實際微波消融情況[15]。

仿真計算所得消融區(qū)域形狀與實驗所得消融區(qū)域形狀對比如圖5所示。圖5(a)為60W微波功率下作用600s的仿真結果，顏色表的樣式為GrayScale，圖5 (b)為60W微波功率作用600s的消融結果?？梢钥闯?，仿真與實驗的消融區(qū)域在大小和形態(tài)上都較為接近。觀察實驗所得的消融區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，在靠近微波針縫隙附近有由于高溫而形成的黑色碳化區(qū)，這與溫度場仿真中120℃等溫線處相對應。

圖5 實驗結果與仿真結果對比圖(a)實驗結果 (b)仿真結果Figure.5 The comparison of experimental results and simulation results (a) experimental results (b) simulation results

2.3 60W/10min升溫曲線特點

微波功率為60W下，不同測溫點處的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。由于微波消融實驗中溫度儀的最高溫度顯示值為100℃，在旁開距離為5mm和10mm的測溫點1和2處，微波源分別工作112s和144s，在旁開距離為15mm和20mm的測溫點3和4處，微波源工作600s，即當溫度超過100℃時，就停止微波輻射。從圖中可以看出，測溫點3和測溫點4的溫升曲線比測溫點1和測溫點2的溫升曲線上升的緩慢，相比2450MHz頻率的溫升曲線[9]，在433MHz頻率下，最大橫徑的形成時間更短，這與微波在組織中的高穿透深度能力和肝組織遠距離熱傳導作用有關[16]。

圖6 60W功率下各測溫點的溫度變化曲線Figure.6 The temperature variation on different measuring sites with microwave power of 60W

3 結論

本文研究基于433MHz微波頻率的微波消融系統(tǒng)，適用于新頻率段離體肝組織的微波消融實驗。通過探索性設計循環(huán)水冷微波消融天線，從仿真和實驗上驗證了此消融針的有效性。433MHz微波消融天線能形成類葫蘆形或近鑰匙形的消融區(qū)域，且消融長徑約為短徑的2～3倍，有希望應用于大體積惡性肝腫瘤的適形消融治療中。當然，本文提出的消融系統(tǒng)和微波天線處于初步探索階段，仍有巨大的改進空間。

[1] 姚陳果. 可控陡脈沖對惡性腫瘤細胞不可逆性電擊穿的實驗和機理研究[D].重慶: 重慶大學, 2003.

[2] 盛林, 翟偉明, 董寶瑋, 等. 微波熱消融技術的臨床應用進展[J]. 科技導報, 2014, 32(30): 30-34.

[3] 范清宇, 馬保安, 周勇, 等.微波消融治療骨腫瘤[J]. 中國骨科臨床與基礎研究雜志, 2011, 03(4): 304-317.

[4] 李欣, 張宏, 盛林. 植入式微波消融離體豬肺的實驗研究[J].醫(yī)學研究生學報, 2009, 22(11): 1159-1161.

[5] Gas P. Multi-Frequency Analysis For Interstitial Microwave Hyperthermia Using Multi-Slot Coaxial Antenna[J]. Journal of Electrical Engineering, 2015, 66(1): 26-33.

[6] 肖秋金, 梁萍, 王珍麗, 等. 氣冷卻天線微波消融熱場的實驗研究[J]. 生物醫(yī)學工程與臨床, 2007, 11(1): 5-8.

[7] Marta C, Claudio A, Paolo B,et al. A minimally invasive antenna for microwave ablation therapies:design,performances, and experimental assessment[J]. IEEE transactions on bio-medical engineering, 2011, 58(4): 949-959.

[8] 劉有軍, 閆剴, 聶曉慧, 等. 集束型水冷微波消融天線的熱場特性[J]. 科技導報, 2014, 32(30): 50-54.

[9] 劉方義, 于曉玲, 梁萍, 等. 植入式水冷915MHz與2450MHz微波消融的豬活體肝臟的實驗對比[J]. 中國醫(yī)學影像技術, 2009, 25(10): 1765-1768.

[10] 安愛民, 張愛華, 張浩琛, 等. 同軸電纜的電磁特性可視化模擬與仿真實現(xiàn)[J]. 電工技術學報, 2013(S2): 167-171.

[11] Ibitoye Z A, Nwoye E O, Aweda M A,et al. Optimization of dual slot antenna using floating metallic sleeve for microwave ablation[J]. Medical Engineering & Physics, 2015, 37(4): 384-391.

[12] 孫海祥. 基于光譜的微波熱療療效評估模型及系統(tǒng)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2016, 3: 31-37.

[13] 張福君, 焦德超, 李傳行, 等. 水冷循環(huán)2450MHz微波凝固離體豬肝的實驗研究[J]. 當代醫(yī)學:中國介入放射學, 2008(3): 215-221.

[14] Rattanadecho P, Keangin P. Numerical study of heat transfer and blood flow in two-layered porous liver tissue during microwave ablation process using single and double slot antenna[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2013, 58(1-2): 457-470.

[15] 孫海祥, 趙金哲, 王宏.基于動態(tài)生物組織參數(shù)的微波熱消融仿真研究[J]. 生物醫(yī)學工程研究, 2015, 34(4): 84-87.

[16] 趙金哲, 錢志余, 劉珈, 等.微波消融有效消融體積模型實驗研究[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報, 2014, 33(1): 51-56.

a Targeted Urine Proteome Assay for kidney diseases[J]. Proteomics Clinical applications, 2016, 10(1): 58-74.

[12] Brown C E, Mccarthy N S, Hughes A D,et al. Urinary proteomic biomarkers to predict cardiovascular events[J]. Proteomics Clinical applications, 2015, 9(5-6): 610-617.

[13] Jia K, LiW, Wang F,et al. Novel circulating peptide biomarkers for esophageal squamous cell carcinoma revealed by a magnetic bead-based MALDI-TOFMS assay[J]. Oncotarget, 2016, 7(17): 23569-23580.

[14] Meng Q, Ge S, Yan W,et al. Screening for potential serumbased proteomic biomarkers for human type 2 diabetes mellitus using MALDI-TOF MS[J]. Proteomics Clinical applications, 2016.

[15] Jiang H, Guan G, Zhang R,et al. Identification of urinary soluble E-cadherin as a novel biomarker for diabetic nephropathy[J]. Diabetes/metabolism research and reviews, 2009, 25(3): 232-241.

[16] 洪侃, 郁志明, 石維. 糖尿病腎病差異蛋白質組分析[J]. 南京醫(yī)科大學學報(自然科學版), 2012, 07: 1033-1037.

The Study of Microwave Ablation System with a 433MHz Slot Antenna

Jiang Yingxu1, Zhao Jinzhe1, Qian Zhiyu1, Yang Yamin1, Liu Jia2, Li Weitao1?
(1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Hunan Provincial Tumor Hospital/The Affiliated Tumor Hospital of Xiangya Medical School of Central South University, Changsha 410013, China)

Liver tumor ablation by microwave with frequency of 2450MHz has achieved good results in both ex vivo studies and clinical treatment. In order to provide a theoretical and experimental basis for treating large malignant liver tumors through conformal ablation with a lower frequency, in present paper, an microwave ablation system with frequency of 433MHz was developed, and our main objective is to explore the optimized design of water-cooled microwave ablation antenna. Following the microwave ablation by our system, the temperature distribution and subsequent ablation zone in an ex vivo porcine liver were studied both experimentally and in simulations. The shape and dimension of ablation area under different microwave powers was compared, and the temperature distribution was measured dynamically in a series of measuring points. The results have shown that the ablation region induced by 433 MHz microwave antenna is in a gourd or key shape. The length of the ablation zone is about 2～3 times of transverse diameter, and the transverse diameter can reach to the maximum value in a short time.

Microwave hyperthermia; Microwave ablation system at 433MHz; slot antenn

R318

A

10. 11967/ 2017150107

R318

A DOI：10. 11967/ 2017150107

國家自然科學基金(61275199和61378092)，南京航空航天大學博士學位論文創(chuàng)新與創(chuàng)優(yōu)基金B(yǎng)CXJ14-07，獲得南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金資助kfjj20160303，中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（NS2015032和NP2015201）。

?通訊作者：李韙韜，副教授，博士。Email: liweitao@nuaa.edu.cn.