不同微波消融天线效率的仿真和实验分析

埃及基础与应用科学杂志5（2018）24完整文章不同微波消融天线效率的仿真和实验分析A.Z. Ibitoyea，P.，T.Orotoyeb，E.O.Nwoyec，M.A.阿维达aa尼日利亚拉各斯大学医学院放射生物学和放射疗法系b尼日利亚，伊沃，鲍恩大学物理系c尼日利亚拉各斯大学医学院生物医学工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月13日收到2018年1月22日收到修订版2018年1月22日接受在线发布2018年关键词：换热器效率模拟微波消融牛组织肿瘤A B S T R A C T本 研 究 的 目 的 是 使 用 数 值 模 拟 和 实 验 方 法 来 分 析 不 同 的 微 波 消 融 治 疗 天 线 的 效 率 。 使 用 COMSOLMULTIPHYSICS®软件进行模拟，以设计天线原型并评估其反射系数、功率耗散分布、功率耗散密度、比吸收率和组织中的温度分布。从50X RG 405/U半刚性同轴电缆制造的天线，以匹配在模拟过程中生成的几何原型。使用50 W的功率，用制造的天线消融离体牛肝脏5分钟和10分钟。测定了烧蚀直径、烧蚀长度和纵横比仿真结果表明，套管天线具有反射系数低、功耗大、功耗密度低、SAR高、温度高的特点。与单槽天线、双槽天线和双槽天线相比，套管天线具有良好的定位性、大的烧蚀直径、低的后向加热和高的纵横比。©2018 曼 苏 拉 大 学 。 由 爱 思 唯 尔 公 司 制 作 和 主 持 这 是 一 篇 基 于 CC BY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍热疗法（如微波消融、射频消融、高强度聚焦超声和冷冻消融）在肿瘤治疗中的潜在应用已在文献中进行了广泛综述[1微波消融正在成为一种在短时间内对大型软组织进行热治疗的有吸引力的方式，使其特别适用于不同组织中的肿瘤[3，5]。微波消融产生的快速温度升高足以导致组织立即凝固和坏死，并且能够传播通过所有类型的生物组织，而不管组织的相对介电性和有效传导性如何当用微波源将组织加热到致死温度时，发生组织破坏微波能量通过间隙天线辐射到组织中，间隙天线用于将能量从MW发生器耦合到组织。由于天线的辐射性质，在天线周围的组织体积中发生直接加热。基本的微波系统由三部分组成：发生器、配电系统和天线。微波消融系统中的天线是最重要的组成部分，它控制着组织消融过程中的微波能量分布天线诸如*通讯作者。电子邮件地址：azibitoye@cmul.edu.ng（A.Z. Ibitoye）。在微波热疗领域，已经提出了双极[6]、偶极子[7，8]、螺旋[9]、三轴[10]、扼流[11]、套管[12，13]和双缝[14]微波天线主要由直径在1.5毫米到1.5毫米之间的细同轴电缆制成。1.5 2.5 mm[15]。几位研究人员正在共同努力，以生产能够产生大肿瘤消融的天线，其中沿天线轴的反向加热较低，微波消融在肿瘤治疗中的临床应用。据报告，大多数这些申报的水循环微波消融针存在沿水循环微波消融针轴向后加热、微波能量分布差和消融覆盖范围小等问题[16理论建模在天线的设计和优化中发挥着重要作用，作为一种快速、方便和廉价的工具来评估所设计天线的性能和效率[13有限元法（FEM）、有限积分法（FIT）、时域有限差分法（FDTD）和矩量法（MoM）等数值COMSOL Multiphysics软件配备了FEM，可提供构建和运行天线几何形状、生物材料、网格划分、物理组件选择（电磁和热传递）相关仿真应用程序所需的所有工具，以及良好的结果平台https://doi.org/10.1016/j.ejbas.2018.01.0052314- 808 X/©2018曼苏拉大学。由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表埃及基础与应用科学杂志杂志主页：www.elsevier.com/locate/ejbasA.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-3025评价[24]。在这项研究中，我们研究了微波消融治疗的天线的特性和功能，比较它们的效率，使用数值和实验技术。2. 材料和方法本 研 究 使 用 的 材 料 为 COMSOL Multiphysics 软 件 版 本 4.4（Stockholm，Sweden）、2.45 GHz固态微波发生器（SAIREM SAS200 W ， Neyron Cedex ， France ） 、 半 刚 性 同 轴 电 缆 （ RG405Coax，Pasternack Enterprises Inc，Los Angeles）、离体牛肝、Teflon胶带和用于分析采集图像的ImageJ软件（NIH）。2.1. 天线仿真利用COMSOL Multi-physics软件，使用“热”和“射频”模块对天线进行了仿真天线由直径为2.2 mm的50X内导体（0.51 mm厚）是镀银的铜包层钢，具有低损耗固体聚四氟乙烯（PTFE）作为电介质（1.16 mm厚）和铜作为外导体（0.52mm厚）。COMSOL Multiphysics 4.4版软件可轻松指定天线几何形状，并求解周围组织中的Max-well每个水循环微波消融针的直径为3.4 mm，包括用作导管的聚四氟乙烯胶带（必要时还包括浮动套管），以提供统一的几何结构。导管由聚四氟乙烯（PTFE）制成，用于卫生和引导目的。天线工作频率为2.45 GHz，这是微波消融中广泛使用的频率。所研究的天线的几何形状和尺寸如图所示。1.一、牛肝脏被建模为半径为40 mm、高度为80 mm该组织也被认为是均匀的，其生物学特性取自文献并与软件中的内置功能进行比较[25，26]。 每个天线都使用图1所示的尺寸进行建模。 1以及RG405半刚性同轴电缆制造商技术表中所示的规格。在天线设计完成后，将微波能量放置在天线介质元件的上端在天线中传播的电磁波的特征在于横向电磁场（TEM），而在组织中，电磁波的特征在于横向磁场（TM）。因此，该模拟有助于预测使用这些天线的肝脏中的比吸收率（SAR）、温度分布和组织坏死还确定了反射系数，最大SAR，最高温度和总功率沉积。使用50 °C等温等高线持续10分钟获得纵横比。使用Image J（NIH，版本1.47）确定设计和模拟水循环微波消融针的病变直径和纵向长度以及纵横比。2.2. 实验验证建模天线由50 X 半刚性同轴电缆（RG405 Coax，PasternackEnterprises Inc，Los Angeles）制造，以复制模拟部分（图1）中描述的几何原型。槽被创建用于发射微波能量与尖端焊接在必要的地方。利用半刚性同轴电缆制作了四种不同几何形状水循环微波消融针覆盖有聚四氟乙烯胶带，便于消融后从肝脏中在水循环微波消融针插入过程中也避免了大血管微波能量分别以20、30、40和50 W的输入功率传递5 min和10 min。在每次手术结束时，沿水循环微波消融针插入位置对消融组织进行切片，以评价消融直径和消融长度。每个Fig. 1. 天线、单槽天线、双槽天线和套管天线的示意图。26A.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-30-将切片的组织拍照，用ImageJ软件进一步分析。同时测定了消融长度、消融直径和坏死组织的纵横比。2.3. 统计分析使用ANOVA（Statistical Package for Social Sciences，SPSS）分析4根水循环微波消融针的消融直径、消融长度和纵横比的差异，以研究它们之间的关系。认为P值0.05具有统计学显著性。同时比较了消融凝固直径和长度的百分比差异。3. 结果反射系数、功率耗散、SAR分布、消融直径、消融长度和纵横比是预测适用于微波消融治疗的天线效率的主要参数。表1给出了反射系数、功率耗散、最大功率耗散密度和最大功率耗散密度。比辐射率（SAR）、最高温度（50 W，10 min）、消融直径、消融长度和设计和模拟天线的纵横比。从表中可以看出，套管式天线的反射系数（24.2dB）、功率耗散密度（125.4MW/m3）和消融长度（4.93cm）均低于普通天线、单槽天线和双槽天线。此外，与其他水循环微波消融针相比，还记录了最高功耗（48.9 W）、SAR（20.6 kW/kg）、温度（305.0 °C）、消融直径（4.44 cm）和纵横比（0.90）。由于套管的存在，套管式水循环微波消融针中的电场轮廓在远端受到更多约束（图2）。模拟期间肝脏中的温度和坏死分布模式（图3和4）类似于模拟组织中的电场分布（图2）。图5显示了使用不同天线消融离体牛肝的消融分布模式，套管天线产生的消融区域比其他天线最大。使用不同的输入功率和消融持续时间，根据图5通常，将套管包括在双槽天线中减少了微波沿着天线轴的反射，从而增加了沉积到消融组织中的微波能量表1不同天线的仿真结果比较参数天线类型单极单槽双槽双槽带套管反射系数（dB）-5.67-20.43-17.85-24.16功耗（W）34.3 46.9 47.9 48.9最大功耗密度（MW/m3）396 135 170 125最大SAR（kW/kg）11.12 15.28 14.14 20.56最高温度（50 W，10 min）°C 195 205 247 307消融直径（cm）3.77 4.14 4.01 4.44消融长度（cm）5.51 5.86 5.71 4.93宽高比0.68 0.71 0.70 0.90图二. 使用（A）单极天线、（B）单槽天线、（C）双槽天线和（D）套管天线在组织中的电场分布。A.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-3027图三. 使用（A）双槽天线、（B）单槽天线、（C）双槽天线和（D）套管天线的组织温度分布。见图4。 使用（A）双缝、（B）单槽、（C）双槽和（D）套管式水循环微波消融针的组织中坏死分布。图图6- 11显示了5分钟和10分钟时输入功率为20、30、40和50 W的消融牛离体肝脏的消融直径、消融长度和纵横比分布。套管天线产生的消融直径大于双缝、单槽和双槽天线（图6 - 11）。第6和7段）。消融长度较短，比其他人的天线（图）。第8和第9段）。这表明，在消融术期间，带套管的水循环微波消融针有可能减少套管式天线消融组织的球度指数高于双缝、单槽和双槽天线（图1和图2）。 10和11）。Sta-28A.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-30图五、使用（A）双缝天线、（B）单槽天线、（C）双槽天线和（D）套管天线的离体肝脏实验确认结果见图7。 消融直径与消融持续时间为10分钟的输入功率。见图6。 消融直径与消融持续时间为5分钟的输入功率。统计学分析表明，在5 min时，消融直径与消融持续时间无显著差异（p= 0.005）。.41）和10 min（p =.53）。同样，5 min（p =.87）和10 min（p=.88）时消融长度的平均值无统计学差异。.24）。同时，在5 min（p = .01）和10 min（p = .01）时观察到其纵横比存在显著差异。根据表2，通过考虑消融直径，在5分钟消融持续时间内，双缝与带套管水循环微波消融针产生的百分比差异最高（32.3%），在10分钟消融持续时间内，单槽与带套管水循环微波消融针也产生了百分比差异（27.3%）同样，对于消融长度，套管与双腔天线在消融持续时间为5时产生的A.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-3029-见图8。 消融持续时间为5分钟的消融长度与输入功率。见图11。 消融持续时间为10分钟时的纵横比与输入功率。4. 讨论见图9。 消融持续时间为10分钟时的消融长度与输入功率。见图10。 消融持续时间为5分钟时的纵横比与输入功率。而在10 min持续时间内，无袖天线与袖式天线产生的百分比差异最低（15.0%）。 纵横比的比较表明，在5分钟和10分钟消融持续时间时，双极天线与套管天线产生的最高百分比差异分别为45.5%和40.2%。本研究以数值模拟与实验方法，探讨单开槽、双开槽与套筒式天线在微波消融技术中的效能。通常，与10分钟持续时间相比，5分钟消融对于所有应用的输入功率产生更大的坏死直径。与双缝、单槽和双槽天线相比，套管天线的反向加热一般最低。与其他天线相比，套管天线的纵横比通常较高。在不同输入功率下，消融时间为10 min时，双缝带套管天线的消融直径、消融长度和纵横比均高于双缝、单槽和双缝天线。通常观察到消融直径和消融长度取决于输入功率和消融持续时间（图1A和1B）。 4-9）。据报告，微波消融中的天线效率取决于消融组织中的反射系数、功率耗散和SAR分布模式[16]。同时，高反射系数通常表明组织中的功率耗散较低，并且消融组织与天线之间存在阻抗不匹配的证据[15]。许多作者对用于微波消融的水循环微波消融针进行了综述，重点是其优点和缺点，这些优点和缺点也在本研究中得到了证实[15，16]。在这项研究中获得的结果证实了以前的报告的特点，如高反射系数，低功耗，低纵横比和细长的SAR沿天线轴[6，16]。微带天线的主要优点是它能够很容易地从半刚性同轴电缆以及简单的几何形状制造（图。①的人。许多作者建议并审查了单槽水循环微波消融针，在短路远端头端附近切割一个小环槽[16]。与微波消融一样，单槽天线仍然存在向后加热和插入深度问题，尽管它能够将更多的微波能量沉积到组织中[16]。双缝隙天线的引入克服了单缝隙天线和双缝隙天线的缺点.先前的报告表明，双缝隙天线在高功率定位中比先前设计的天线更有效，即使向后加热没有完全消除[14]。引入套管天线以提高功率定位效率，并将沿天线轴的反向加热最小化到最低限度[12，13]。尽管其几何结构复杂，制造过程也复杂，但将微波能量定位到组织中的能力使其成为所提出的天线中消融的最佳选择。30A.Z. Ibitoye et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）24-30表2四根水循环微波消融针消融直径、长度和纵横比的平均百分比差异-3.03比率10 21.01 20.00 40.21 6.75 23.30 15.50本研究确定，尽管沿天线轴的加热模式延长，但由于其直径较小，螺旋形和槽形天线将适用于姑息性和经皮手术[15]。发现套管天线将更多的电场、微波能量和温度限制在其远端，而不是单缝和双缝天线[19，20]。水循环微波消融针的选择及其在微波消融中的应用主要取决于临床适应症，如肿瘤部位、位置、邻近器官和形态[14，15，225. 结论本研究的结果清楚地证明，与其他研究的天线相比，套筒天线通过产生最高的球度指数和温度分布以及最低的后向加热效应，具有将微波能量定位到组织中的最大能力。这项研究还提供了更深入的了解拟议的天线的微波消融使用数值和实验程序的功能和特点。资金这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的资助。引用[1] Habash RWY，Bansal R，Krewski D，Alhaushi HT.热疗法，第三部分：消融技术。 Crit Rev Biomed Eng 2007;35：37-121。[2] Simon CJ ， Dupuy DE ， Mayo-Smith WW. 微 波 消 融 ： 原 理 与 应 用 。RadioGraphic2005;25：69-83.[3] Ahmed M，Brace CL，Lee FT，Goldberg SN.经皮消融的原理与进展。放射学2011;258：351-69。[4] 张玲，王宁，沈琼，程伟，钱国杰。经皮射频消融与微波消融治疗原发性肝癌的疗效比较。PLoS ONE2013;8（10）：e76119.[5] 图像引导肿瘤消融：术语和报告标准的标准化 - 1 0 年 更 新 。血管介入放射学杂志2014;25（11）：1691-705。[6] 放大图片作者：J.用于心脏组织微波导管消融的单极。IEEE TransMicrow TheoryTech1995;1：303-6.[7] Hurter W，Reinbold F，Lorenz WJ. 用于组织间微波热疗的偶极天线。 IEEETransMicrow Theory Tech 1991;39：1048-54.[8] 杨D.微波消融的测量、天线设计和高级建模博士论文。威斯康星大学电气工程系;2005年。www.rf-ablation.engr.wisc.edu/papers/Yang_Thesis.pdf>.[9] Luyen H，Hagness SC，Beautiful N.用于微创微波消融的无巴伦螺旋天线。 IEEETrans Escheras Propag 2015;63：959-65.[10] Brace LC，van der Weide WD，Lee TF，Laeseke FP，Sampson L.用于微波肿瘤消融的三轴天线的分析和实验验证。I E E EMTTS Int Microw Symp 2004;3：1437-40.[11] Bertram JM，Yang D，Converse MC，Webster GJ，Mahvi DM.利用轴对称电 磁 模 型 设 计 微 波 肝 消 融 的 天 线 生 物 医 学 工 程 在 线 2006; 5 ： 15. 网 址 ：http://www.biomedical-engineering-online.com/content/5/1/15>。[12] Yang D，Bertram JM，Converse MC，Webster JG，Hagness SC，Will JA等人，浮动套管天线产生局部肝脏微波消融。IEEE TransBiomed Eng 2006;53：533-7.[13] IbitoyeZA，Nwoye EO，Aweda MA，Oremosu AA，Annunobi CC，AkanmuON. 微波消融用浮动金属套管双缝隙天线的优化。Med Eng Phys2015;37：384-91.[14] BraceCL. 用于微波组织加热的双槽天线：参数设计分析和实验验证。医学物理2011;38：4232-40。[15] BraceCL. 微波组织消融：生物物理学、技术与应用。Crit Rev Biomed Eng2010;38：65-78。[16] BertramJM，Yang D，Converse MC，Webster JG，Mahvi DM. 用于肝脏微波消融的同轴间质天线的综述。Crit Rev BiomedEng 2006;34：187-213。[17] 李文，李文. 用有限元法估算尖端分裂阵列微波凝固治疗器的SAR分布。IEICETransElectron2001;84：948-54.[18] 滨 田 湖 组 织 间 微 波 热 疗 同 轴 缝 隙 天 线 阵 SAR 分 布 的 基 本 分 析 。 IEICETransElectron1995;78：1624-31.[19] 伊藤K，齐藤K.用于热疗的微波天线。热医学2007;23：23-30.[20] BraceCL. 微 波 消 融 技 术 ： 每 个 用 户 都 应 该 知 道 的 CurrProbl Diagn Radiol2009;38：61-7.[21] Prakash P.肝脏微波消融的理论建模。Open BiomedEng J 2010;4：27-38.[22] Lubner MG，Brace CL，Louis Henshaw J，Lee Jr FT. 微波肿瘤消融：作用机制、临床结果和器械。血管介入放射学杂志2010;21：192-203。[23] 手JW。 模拟电磁场（10 MHz-10 GHz）与人体的相互作用：方法和应用。物理医学生物学2009;53：246-86.[24] COMSOL Multiphysics，用户指南。电磁模块和传热模块，版本4.4，瑞典;2013年。.[25] 放大图片作者：Andreuccetti D，Fossi R，Petrucci C.一个用于计算10 Hz-100GHz频率范围内人体组织介电特性的互联网资源IFAC-CNR，意大利佛罗伦萨;1997年。可通过以下网址获得：[accessed 19 November，2015].[26] Hasgall PA，Di Gennaro F，Baumgartner C，Neufeld E，Gosselin MC，PayneD 等 人 ， 用 于 生 物 组 织 的 热 和 电 磁 参 数 的 IT'IS 数 据 库 ; 2015 。 可 用 ：http://www.itis.ethz.ch/database> [访问日期：2015年12月12日]。[27] Chiang J，Hynes KA，Bedoya M，Brace CL.用于更多球形消融区的双槽微波天线：体外和体内确认。放射学2013;268：382-9。参数消融持续时间天线（分钟）单极/单槽单极/双槽单极/套管单槽/双槽单槽/套管双槽/套管（%）（%）（%）（%）（%）（%）直径53.0317.1732.325.5616.6710.53103.238.8720.1613.6427.2712.00长度510-12.22-13.55-8.89-10.75-9.44-14.956.676.45-10.003.23-15.67方面516.9028.0845.53-1.0429.6330.99