可穿戴微波热疗阵列天线及微波热疗方法

技术领域

本发明属于微波微带天线技术领域，涉及一种医用热疗天线，特别涉及一种可穿戴用于治疗乳腺癌的微波热疗阵列天线。

背景技术

微波热疗已逐渐成为治疗肿瘤的一种重要的技术，而微波热疗技术中最重要的环节就是热疗天线的设计，热疗天线在治疗范围、治疗时间、对正常组织的影响以及系统的稳定方面都起到了关键的作用。微波热疗分为体外热疗、体内介入或插入热疗。其中，体外热疗是指微波辐射天线位于身体外部的热疗，主要用于治疗位于身体表层及浅表层的病变组织，一般针对的是表浅层的肿瘤，位置大约为皮下2～3cm，如皮肤癌、乳腺肿瘤、软组织肉瘤等。

目前可用于乳腺癌治疗的微波热疗系统，通常使用电感线圈对乳房的一个区域集中加热，而不考虑乳房的形状，这种加热模式很容易灼伤正常组织，因此需要一种更适合完整乳房的微波热疗系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种可穿戴微波热疗阵列天线及微波热疗方法，能够使热量在整个乳房的皮肤表面迁移，治疗完整乳房的恶性肿瘤，降低对正常组织的损伤。

第一方面，本发明提供了一种可穿戴微波热疗阵列天线，所述阵列天线包括置于去离子水中的多个微带贴片天线单元，与所述多条微带贴片天线单元分别连接的多条同轴输入线；其中，所述多个微带贴片天线单元具有共用接地面，所述去离子水置于紧挨皮肤的水囊中。

进一步地，所述天线单元包括：内部的圆形结构，外部的圆环结构；所述圆形结构和所述圆环结构的圆心相同；

其中，所述圆形结构的半径为4mm，其厚度为0.5mm；

所述圆环结构的外圆半径为12mm，其内圆半径为7mm。

进一步地，所述同轴输入线由内到外依次包括：内导体、内外导体间介质、外导体。

进一步地，所述内外导体间介质为聚四氟乙烯。

进一步地，所述天线单元到皮肤的距离是10mm，所述天线单元到所述共用接地面的距离为12mm。

进一步地，所述水囊为半球壳形状。

进一步地，所述天线单元的数量为9个，所述同轴输入线的数量为9条。

进一步地，一个所述天线单元分布于水囊的中间区域，其余8个所述天线单元分布于水囊的四周。

进一步地，在分布于水囊四周的8个所述天线单元中，每两个天线单元的角度为22.5度。

第二方面，本发明提供了一种微波热疗方法，所述方法包括：在水囊中注入去离子水，并开启水泵；调节多个天线单元的微波功率、相位和加热时间，针对不同位置的肿瘤进行治疗。

由上述技术方案可知，本发明提供一种可穿戴微波热疗阵列天线及微波热疗方法，通过采用符合乳房形状的水囊，并合理分布天线单元，能够使热量在整个乳房的皮肤表面迁移，治疗完整乳房的恶性肿瘤，降低对正常组织的损伤。

附图说明

图1示出了本发明提供的微波热疗阵列天线及乳房体膜结构的侧视图。

图2示出了图1中微波热疗阵列天线结构及乳房体膜结构在X-Z切平面的剖面示意图。

图3示出了本发明提供的微波热疗阵列天线结构的俯视图。

图4示出了本发明提供的微波热疗阵列天线激励端口的排列示意图。

图5为治疗乳头正下方肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图6为图5中41.5℃以上乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图7为图5中乳房体膜的Y-Z切平面。

图8为绘制在图7中Y-Z切平面上的热量分布图。

图9为图8中41.5℃以上的热量分布图。

图10为以第一相位治疗乳头四周肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图11为图10中41.5℃以上乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图12为图10中乳房体膜的X-Z切平面。

图13为绘制在图12中X-Z切平面的热量分布图。

图14为图13中41.5℃以上的热量分布图。

图15为以第二相位治疗乳头四周肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图16为图15中41.5℃以上乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图17为图15中乳房体膜的X-Z切平面向Y轴正半轴旋转22.5度后的切平面。

图18为绘制在图17中切平面的热量分布图。

图19为图18中41.5℃以上的热量分布图。

图20为以第一相位治疗乳房侧面肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图21为图20中41.5℃以上乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图22为图20中乳房体膜的X-Z切平面。

图23为绘制在图20中X-Z切平面上的热量分布图。

图24为图23中41.5℃以上的热量分布图。

图25为以第二相位治疗乳房侧面肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图26为图25中41.5℃以上乳房体膜的三维等值面热量分布图。

图27为图25中乳房体膜X-Z切平面向Y轴正半轴旋转22.5度后的切平面。

图28为绘制在图27中切平面的热量分布图。

图29为图28中41.5℃以上的热量分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的可穿戴微波热疗阵列天线的侧视图，图2分别示出了本发明实施例一提供的可穿戴微波热疗阵列天线的剖面图。如图1和图2所示，所述阵列天线包括置于去离子水中的多个微带贴片天线单元100，与所述多条微带贴片天线单元100分别连接的多条同轴输入线；其中，所述多个微带贴片天线单元100具有共用接地面300，所述去离子水置于紧挨皮肤的水囊400中。

优选地，所述水囊400由耐高温塑料制成，呈半球壳状，更加符合真实乳房的形状，其厚度为22mm。所述水囊400可通过水泵进行水循环。

优选地，所述天线单元包括：内部的圆形结构，外部的圆环结构；所述圆形结构和所述圆环结构的圆心相同；其中，所述圆形结构的半径为4mm，其厚度为0.5mm；所述圆环结构的外圆半径为12mm，其内圆半径为7mm。

优选地，所述天线单元到皮肤的距离是10mm，所述天线单元到所述共用接地面的距离为12mm。

优选地，所述天线单元的数量为9个，其中1个天线单元设置于水囊400中间区域的去离子水中，其余8个天线单元分别分布于水囊400的四周；对应地，所述同轴输入线的数量为9条，9条同轴输入线均采用相同的标准。

进一步优选地，对于前述的9个天线单元，分布于水囊400四周的天线单元与中间的天线单元之间的角度为45度，分布于水囊400四周的天线单元中两两之间的角度为22.5度，该分布方式充分考虑到了乳房不同位置出现肿瘤的可能性，便于对不同位置的肿瘤进行治疗。

优选地，所述同轴输入线由内到外依次包括：内导体201、内外导体间介质202、外导体203。其中，所述内导体201的半径为0.45mm，所述外导体203的半径为1.5mm，内外导体203间介质202为聚四氟乙烯(teflon)。

基于以上内容，本发明实施例一可以实现的技术效果为：采用半球形的水囊400，更加符合真实乳房的形状，便于穿戴以进行治疗；采用多个微带贴片天线单元100分布于水囊400四周，可对乳房内任意位置的肿瘤进行微波热疗；采用循环水注满水囊400，可使水囊400紧挨皮肤，以对皮肤进行更好的治疗，同时循环水可带走热量，避免灼伤正常皮肤。

实施例二

对本发明实施例一对应地，本发明实施例提供的一种微波热疗方法，采用实施例一提供的微波热疗阵列天线实现对乳房肿瘤治疗，所述方法包括：

在水囊400中注入较低温度的去离子水，使水囊400紧挨着乳房皮肤表面；调节多个天线单元的微波功率、相位和加热时间，以针对不同位置的肿瘤结构进行治疗。

具体地，调节天线单元激励端口的功率幅值和相位，以实现热量在乳房表浅层的任意位置实现叠加，从而达到热量的堆积。

通过调节天线单元激励端口的功率幅值和加热时间，可控制治疗的透热深度；通过调节其相位，还可实现热量在整个乳房的迁移，有利于对整个乳房进行治疗。

所述方法还包括：开启水泵，使水囊400中的去离子水处于流动状态，流动的水可以带走乳房皮肤表面大量的热量，使微波能量在达到治疗深度的同时，也能使皮肤表面均匀加热，不会因皮肤过热而造成对正常组织的灼伤。

基于以上内容，本发明实施例二可以达到的技术效果是：通过改变其中不同天线单元的功率幅值和加热时间，可控制治疗的透热深度；通过改变相位来能够针对肿瘤的具体位置，调整治疗位置，从而实现对乳房内任意位置的肿瘤进行微波热疗。

为了更好说明对本发明实施例一提供的微波热疗阵列天线的的性能，以及实施例二提供的微波热疗方法的原理，结合上述方法和阵列天线进行了相关实验。

在实验中，采用三维乳房体膜数值模型替代真实乳房，以含有9个天线单元的阵列天线为例进行说明。其中，三维乳房体膜数值模型由皮肤模型501、乳房模型502、脂肪模型503和肌肉模型504构成，其中，皮肤模型由半球形纤维腺组织构成，其厚度为1.5mm，脂肪模型的厚度为15mm，肌肉模型的厚度为5mm。

在对乳房体膜进行治疗前，在水囊400中注入10℃的去离子水，使水囊400紧挨着皮肤模型的表面；治疗时，打开微波源发射微波对乳房体膜进行热疗，将微波频率调节到915MHz，并调整9个天线单元的功率和相位，针对不同位置的肿瘤治疗10～60min；治疗期间由红外测温仪观察治疗温度和效果，观察到肿瘤外部坏死后，关闭微波源结束治疗。

在实验中，针对乳头正下方的肿瘤，在9个天线单元的端口激励均加上2W的功率，并将相位调整为0度，对乳头正下方的肿瘤进行热疗，可以得到图5至图10所示的治疗乳头正下方肿瘤时的乳房体膜的热量分布图，此时，热量处于未偏移状态。

其中，图5为治疗乳头正下方肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图，由图5可以看出在治疗乳头正下方肿瘤时，乳房体膜整体的热量分布情况。

图6为41.5摄氏度以上乳房体膜的三维等值面热量分布图，41.5℃以上为治疗肿瘤的有效温度，由图6可以看出在治疗乳头正下方肿瘤时，有效温度的热量分布情况。

图7为图5中乳房体膜的Y-Z切平面，其切平面的选择以图5中的笛卡尔坐标系为准。将图7的切平面与图5结合，可得到图8所示的Y-Z切平面的热量分布图，由图8可以看出在乳房体膜在深度方向的热量分布情况。将图7的切平面与图6结合，可得到图9所示的Y-Z切平面上41.5摄氏度以上的热量分布图，由图9可看出对于有效温度来说，其透热深度最深能达到25mm，最高温度达到60℃以上。

但在实际操作中需要开启水泵，使水囊400中的去离子水流动起来形成循环水，循环水可以带走大量的热量，因此实际操作中靠近皮肤的温度不会达到60℃以上，因而不会因温度过高对皮肤造成损伤。

在实验中，针对乳头四周的肿瘤，在9个天线单元的端口激励均加上2W的功率，对第一天线单元101、第五天线单元105、第七天线单元107加上0度(角度)的相位，对第二天线单元102、第三天线单元103、第九天线单元109加上180度的相位，对第四天线单元104、第八天线单元108加上150度的相位，对第六天线单元106加上90度的相位，对乳头四周的肿瘤进行热疗，可得到图10至图14所示的治疗乳头四周肿瘤时的乳房体膜的热量分布图，其中，天线单元的分布和编号如图3和图4所示。

其中，图10为治疗乳头四周肿瘤时乳房体膜的三维等值面热量分布图，由图10可以看出在治疗乳头四周肿瘤时，乳房体膜整体的热量分布情况。

图11为41.5摄氏度以上乳房体膜的三维等值面热量分布图，由图11可以看出在乳头四周肿瘤时，有效温度的热量分布情况。

图12为图10中乳房体膜的X-Z切平面，其切平面的选择以图中的笛卡尔坐标系为准。将图12的切平面与图10结合，可得到图13所示的X-Z切平面的热量分布图，由图13可以看出乳房体膜在该切平面深度方向的热量分布情况。将图12的切平面与图11结合，可得到图14所示的X-Z切平面上41.5摄氏度以上的热量分布图，由图14可看出图13中有效温度能达到的透热深度。

针对乳头四周的肿瘤，仅通过上述方式在局部治疗，很难完全清除肿瘤，因此在实验中，通过改变天线单元的相位，对治疗的位置做调整，使热量发生偏移，以便能够在整个乳头四周进行治疗。

具体地，在9个天线单元的端口激励均加上2W的功率，对第一天线单元101、第四天线单元104、第六天线单元106加上0度相位，对第二天线单元102、第八天线单元108、第九天线单元109加上180deg相位，对第三天线单元103、第七天线单元107加上150deg的相位，天线单元5加上90deg的相位，可以得到如图15至图19所示的治疗乳头四周肿瘤时的乳房体膜的热量分布图。

其中，图15为改变相位后乳房体膜的三维等值面热量分布图，由图15可以看出在改变相位治疗乳头四周肿瘤时，乳房体膜整体的热量分布情况。

图16为改变相位后41.5摄氏度以上乳房体膜的三维等值面热量分布图，由图16可以看出在改变相位治疗乳头四周肿瘤时，有效温度的热量分布情况。

图17为图15中乳房体膜的X-Z切平面向Y轴正半轴旋转22.5度后的切平面，其切平面的选择以图中的笛卡尔坐标系为准。将图17的切平面与图15结合，可得到图18所示的旋转后切平面的热量分布图，由图18可以看出改变相位后乳房体膜在该切平面深度方向的热量分布情况。将图17的切平面与图16结合，可得到图19所示的旋转后切平面上41.5摄氏度以上的热量分布图，由图19可看出图18中有效温度能达到的透热深度。

对比图10与图15可看出，改变相位后，热量发生了偏移，以此种方法不需要移动天线，仅改变天线的相位，就能实现热量围绕乳房的四周移动，根据实际肿瘤的位置通过调节相位，能够使热量偏移至实际肿瘤的位置；通过多次改变相位，可使热量的偏移覆盖整个乳头四周，进而实现对整个乳头四周的热疗。

在得到图10至图14的实验中，若关掉第二天线单元102、第三天线单元103、第九天线单元109，在剩余6个天线单元激励端口加上3.4w的功率，则可得到图20至图24所示的治疗乳房侧面肿瘤时的乳房体膜的热量分布图，图20至图24是图10至图14的一种特殊情况。

其中，由图20可以看出在治疗乳房侧面肿瘤时，乳房体膜整体的热量分布情况；由图21可以看出在乳房侧面肿瘤时，有效温度的热量分布情况；由图23可以看出乳房体膜在图22所示切平面深度方向的热量分布情况；由图24可看出图23中有效温度能达到的透热深度。

在得到图15至图19的实验中，若关掉第二天线单元102、第三天线单元103、第九天线单元109，在剩余6个天线单元激励端口加上3.4w的功率，则可得到图25至图29所示的不同相位下治疗乳房侧面肿瘤时的乳房体膜的热量分布图，图25至图29是图15至图19的一种特殊情况。

其中，由图25可以看出在不同相位下治疗乳房侧面肿瘤时，乳房体膜整体的热量分布情况；由图26可以看出在不同相位下治疗乳房侧面肿瘤时，有效温度的热量分布情况；由图28可以看出乳房体膜在图27所示切平面深度方向的热量分布情况；由图29可看出图28中有效温度能达到的透热深度。

上述实验图20至图29所示的热量分布图表明，本发明实施例提供的阵列天线可以改变热量在乳房中聚焦的位置，在该位置有效温度可以实现聚焦而不扩散。

采用本发明实施例提供的微波热疗阵列天线和微波热疗方法，实际治疗中，可以通过改变其中不同天线单元的功率幅值和加热时间来控制透热深度，同时通过改变相位来实现对不同位置肿瘤的热疗。由于乳腺肿瘤大多出现在乳房外上限，所以本发明实施例设计阵列天线仅有9个天线单元，如果想对靠近胸壁的肿瘤进行治疗，可以根据实际需要增加天线单元，同样按照上述方法来实现治疗目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。