一种频率可控的半导体微波源以及微波消融设备的改进方法

　　摘要：微波消融技术已经广泛应用于各类肿瘤治疗中， 其原理是在医学影像引导下， 把微波天线植入肿瘤瘤体， 组织内的极性分子在微波场的作用下高速运动产生热量， 当温度升到60℃80℃以上时， 肿瘤细胞的蛋白质变性凝固， 导致其不可逆坏死。这种微波消融治疗法具备创口小、痛苦低、效果好、愈合快等优点已经成为一种优选的肿瘤治疗方法。然而目前， 微波消融术任然存在一些问题， 如：磁控管作为微波治疗功率源， 频率不可控造成微波消融天线在肿瘤组织中失配， 实际有效辐射功率难以测量， 反射功率过大造成微波消融天线局部过热并导致损坏等。本文的主要研究内容包括： （1） 介绍了微波消融术中， 影响消融效果的几个原因。 （2） 介绍了一种频率可控的半导体微波源以及微波消融设备的改进方法。

　　关键词：微波消融； 磁控管； 半导体功率源；

　　1. 引言

　　随着微创技术的发展， 肿瘤的局部微波消融技术 （Microwave ablation, MWA） 已经成为现代肿瘤综合治疗的有效方法之一， 微波消融治疗技术具备创口小、痛苦低、效果好、愈合快等优点， 如何设计高性能的微波消融仪器也为国内外专家研究的热点。

　　2. 微波消融原理介绍与问题分析

　　[1]微波消融术的原理就是将微波功率源将微波信号通过微波消融针 （天线） 辐射至被被消融组织 （肿瘤） , 并引起肿瘤组织内部水分子高速振动产生热量， 快速升温， 当肿瘤组织温度提升至60°以上并保持一定时间， 肿瘤组织将坏死， 达到消融治疗的效果。[2]微波能量在人体组织中的加热过程原理表达式为：, Pv即为肿瘤组织吸收的功率， f为微波频率， 是真空介电常数， 为肿瘤组织的相对介电常数， 为肿瘤组织的介电损耗因子， E为微波为组织内部形成的平均电场强度， 从该表达式可以看出， 频率越高， 电场强度越大， 组织所吸收的功率越大， 加热速度越快。同时微波会沿着传播方向衰减， 根据值的不同， 衰减的速度也不同， [3]我们定义微波的"穿透深度"为该深度的场强相较入射表面场强减少至1/e的深度举例， 对于， 那么可近似表示为：

　　由该表达式可以看出， 在介电常数相对固定的情况下， 频率越低， 波长越长， 则微波的穿透能力越强。微波消融治疗中， 我们既要保证有足够的辐射功率能够达到消融肿瘤组织的目的， 又要保证具备一定的穿透效果， 综合各项因素， 目前微波消融术最常用的微波频率为2.45GHz.

　　微波消融仪主要包括微波功率源、微波传输线缆以及微波消融针 （天线） 组成微波源产生并发射大功率微波信号， 经过微波电缆传输至微波消融针 （天线） , 微波消融针插入待消融组织 （肿瘤） , 将微波能量辐射出去， 产生消融作用。

　　其中微波功率源的主要作用是产生并且发射大功率微波信号， 是微波消融设备的核心部件。目前业内主要采用磁控管作为微波功率源， 但是磁控管存在频率不可控制、频率复杂、功率控制线性、无法有效检测正向与反向功率等缺点， 这也是目前影响微波消融效果的主要原因。

　　微波消融针 （天线） 的发射负载即为肿瘤组织， 在实际设计中， 微波消融针 （天线） 的设计匹配频率为2.45GHz, 即负载的匹配频率也为2.45GHz时， 微波能量能够达到最佳的辐射效果， 但是在实际情况中， 肿瘤组织结构的差异、血管的分布、包括微波消融针介入肿瘤组织位置的不同以及肿瘤组织的温度都会影响天线的负载匹配频率。

　　我们定义微波功率源发射的微波信号的前向功率为PTR, 反向功率为PREV, 实际有效发射功率为PEM, 单位均为瓦特 （W） , 那么三者计算关系为PEM=PTR-PREV, 并可以用回波损耗 （Returnloss） 来衡量负载匹配程度， Retrunloss=10 （PREV/PTR） , 单位为分贝 （d B） .

　　失配状态下， 回波损耗越小， 天线的实际有效辐射功率越小、那么肿瘤消融的效果就越差， 微波消融针所损耗的功率越大， 针杆温度越高， 故障风险越大。

　　表1是我们以猪肝模拟人体组织， 以某型号微波消融针为测试天线， 测试不同温度下的回波损耗值。

　　表1 不同温度下的回波损耗

　　由表1可以看出， 不同温度下， 由于介电常数的变化， 猪肝组织作为负载的匹配状态一直在变化， 如果微波源发射频率固定， 则会出现负载严重失配的情况， 回波损耗指标恶化， 造成实际消融效果恶化， 要获得改善效果， 微波源的发射频率必须不断跟踪负载的最佳频率匹配点。

　　3. 半导体微波源的原理以及应用优势

　　半导体微波源是采用半导体功率器件以及控制器件设计的可控微波功率源， 其原理框图如图1.

　　图1 半导体微波源原理框图  

　　半导体微波源又3部分组成：1.半导体可调信号源、2.半导体功率放大模块、半导体传感模块。其中半导体可调信号源可以根据MCU指令控制信号源输出信号频率与信号功率大小， 半导体功率放大模块的功能是将信号源模块发出的微波信号进行放大， 而半导体传感模块可以将功率源的是正向功率、反向功率、温度、电压等状态进行传感检测并将传感信息发送至MCU进行处理。

　　半导体微波源替代磁控管成为微波消融设备中的微波源， 其工作原理如下：

　　（1） MCU首先控制半导体可调信号源发射一个初始频率至放大模块， 经过放大后， 通过微波消融天线辐射至负载中， 半导体传感模块将检测半导体微波源的正向功率与反向功率， 并将检测电压发送至MCU, MCU可根据检测电压， 计算出该频率的回波损耗值；

　　（2） MCU可连续控制半导体可调信号源发射频率， 以目前国家允许的ISM频段2400MHz~2500MHz为例， 可通过逐点扫描检测的模式， 以1MHz为步进， 将频段内各个频点的正向功率与反向功率值全部检测并计算出相应的回波损耗值；

　　（3） MCU选择回波损耗最佳的频率点作为工作频点， 控制半导体可调信号源发射微波信号， 并在该频点下实施消融；

　　（4） MCU可根据时间， 设置扫描间隔时间， 例如以30秒为固定间隔， 每隔30秒， 重复步骤1、2、3, 保证在整个微波消融过程中， 功率源的输出频点始终处于被消融组织 （负载） 的最佳匹配频点下， 达到有效辐射功率最佳状态。

　　半导体微波源， 具备频率、功率精确可调、微波源状态实时检测、并可以根据被消融组织状态的变化， 实时调节频率， 达到最佳的天线辐射效果， 相较传统的磁控管微波源具备较大的优势。

　　4. 半导体微波源消融效果实验

　　为进一步验证半导体功率源对于消融效果的改善作用， 我们采用某型号微波消融针， 分别应用磁控管微波源以及半导体微波源进行消融猪肝实验。

　　实验条件为：磁控管微波源输出频点2450MHz、输出功率80W, 对受体猪肝进行消融；半导体微波源， 开始频率扫描功能， 输出频点根据被消融组织自动控制设定， 输出功率50W, 消融时间为5分钟， 得出以下消融结果：

　　图2 磁控管微波源消融效果  

　　图3 半导体微波源消融效果

　　其中磁控管微波源消融范围为4cm*2.5cm;半导体微波源消融范围为4cm*3cm.可见， 采用半导体微波源进行消融实验， 在功率下降至60%的情况下， 消融效果依然达到甚至优于磁控管微波源， 效果改善明显。

　　参考文献
　　[1]范卫君。射频、微波、冷冻消融治疗肿瘤的临床应用及优势对比[J].实用医学杂志， 2012年21期。
　　[2]Industrial Microwave Heating A.C.Metaxas and R.J.Meredith.
　　[3]The Challenges of SSRFE Design:Residential and Industrial Cooking Applications Klaus Werner Microwave Journal China微波杂志Mar/Apr 2017.
　　[4] 姜华， 范卫君， 张亮。微波消融的净功率以及净能量的离体、活体猪肝对比实验观察。