微波热消融定向天线的研究现状

刘慧慧，毕思欣，南 群

（北京工业大学环境与生命学部智能化生理测量与临床转化北京市国际科研合作基地，北京 100124）

0 引言

热消融是通过局部加热（通常组织温度达到50 ℃以上）进而使组织变性、失活的治疗方法[1]，用于加热的能量来源包括微波、射频、激光和超声等[2]。其中，微波热消融是一种新兴的并日益广泛应用于肿瘤微创治疗的热疗方法，通常是在CT、MRI 等影像设备的引导下[3]，将一个或多个天线插入靶组织中心进行消融并产生轴对称的消融区[4-6]。据报道，微波热消融已用于肝、肾、肺、膀胱等多种部位肿瘤的治疗，对于不同大小、位置的肿瘤组织，输送能量的方法包括经皮、腔内、血管内、内窥镜、腹腔镜和开放外科手术等[7-8]。

微波天线是微波热消融装置中必不可少的组成部分，它是决定消融区大小和形状的关键因素之一。目前，用于肿瘤消融的天线大多为同轴轴对称天线[9]，基本的设计形式包括单极子、偶极子、缝隙天线、螺旋天线以及带扼流圈和套筒的天线等。这些天线设计的目标是产生接近球形或椭球形消融区，同时提高天线传输效率。例如Ge 等[10]提出了周期性多缝隙天线结构的设计，设计的天线由10 个长度均为0.6 mm、相隔0.8 mm 的相同缝隙向组织输送能量。与单缝隙天线相比，该天线产生了更接近球形的消融区，即沿天线轴的热量沉积更少。而为了产生更大、更圆的消融区，Xu 等[11]提出了非周期性三缝隙天线的设计，3 个缝隙的长度分别为1.219、1.753、1.256 mm。与周期性十缝隙天线相比，该天线可以产生圆度几乎相等且直径更大的消融区。

然而，在临床肿瘤微波热消融中，天线的选择取决于靶组织的形状、位置和邻近器官。通常在靶组织与周围关键组织结构相邻时，必须严格控制消融区域的形状，既要达到靶组织消融的全覆盖，又要避免对周围关键组织的热损伤[12-13]。有研究人员提出了一些将目标肿瘤组织与周围健康组织隔离和热绝缘的防护技术，如采用流体或气体分隔、采用球囊插入或腔内冷却/升温等[14]。但这些技术存在一定的局限性，可能会对组织造成额外损伤。此外，Bottiglieri 等[15]根据组织的相对介电常数和有效电导率值越高，组织的吸收、存储电磁能量并将其转换为热的能力越强的特点，提出了利用靶组织周围脂肪组织反射电磁能量，从而实现靶向消融的方法。但该方法对目标组织所处位置要求较高，且其可行性及安全性还需进一步研究。

而使用定向天线进行微波热消融时，其辐射的能量被限制在沿天线轴向一定角度内，可以引导能量向目标方向沉积。因此，将定向天线置于肿瘤外周进行消融可以有效地将靶组织与周围关键组织分隔，避免热防护技术可能带来的额外损伤[16]。例如靠近胸壁的乳腺肿瘤、前列腺肿瘤[17]、位于横隔膜附近的肝脏肿瘤或肠道附近的肾肿瘤等。同时使用多个定向天线可以产生更大的消融区，以治疗较大尺寸的肿瘤。此外，定向天线仍可以插入肿瘤中心进行消融，通过旋转天线不同角度以产生相应的消融区。虽然定向天线旋转360°时产生的消融区不如全向天线有效，但对于一些不规则的靶组织，可以通过改变天线旋转角度及消融参数设置来创建特定消融区[18]。因此，定向天线结构设计的研究对现有微波热消融技术具有重要意义。

目前，微波天线设计已经取得了较大的进步，关于定向天线的研究也日益增多，因此，本文对定向天线的研究现状进行综述，以供研究人员查阅参考。

1 微波热消融原理及微波天线的性能评价指标

1.1 微波热消融原理

在微波热消融过程中，微波功率发生器产生的高频电磁能量通过电缆及同轴天线传输到组织中。其原理是高频率的微波辐射引起组织内水分子的极性发生变化，极性分子快速振荡，通过分子摩擦产生介电热，将动能转化为热能，从而使蛋白质变性、组织失活[19-20]。与射频消融相比，微波消融较少受到血管热沉效应及组织高温炭化和水蒸气的影响[21]，因此可以在较短的时间内产生更大的消融范围及更彻底的肿瘤杀伤效应[22]。

1.2 微波天线的性能评价指标

为了达到预期消融区形状、高效率传输及低侵入性的要求，微波天线的性能评价指标包括天线传输效率、功率损耗密度、比吸收率（specific absorption rate，SAR）分布以及消融区形状和大小[23]。根据这些指标，研究人员可以对天线设计进行优化，以满足临床需求。

1.2.1 天线传输效率

天线传输效率使用天线反射系数S11（dB）来描述，S11越小，表示天线的传输效率越高，耦合到组织中的能量越高。计算公式如下：

类似的细节遍布于文学史。6月8日，百岁刘以鬯在香港去世。对大部分读者而言，这是一个极其陌生的名字。他去世后，众多媒体围绕着他和王家卫、和《花样年华》才能做起文章，没有多少人知道，他之于现代文学、香港文学的重要性。老舍先生的《四世同堂》，是他从上海到重庆编辑《扫荡报》副刊时，专门约稿、编发的。包括首届茅盾文学奖获得者姚雪垠，创作起步的主要支持者正是在上海开办怀正文化社的刘以鬯。

式中，Pr为反射功率（W）；Pi为输入功率（W）。

1.2.2 功率损耗密度

功率损耗密度和功率损耗分布体现微波能量在生物组织中的损耗情况，即生物组织吸收微波能量的多少。功率损耗值越大，说明组织吸收的微波能量越多，转化的热能越多，生物组织的温度也就越高[24]。

1.2.3 SAR

SAR（W/kg）代表生物组织在单位时间内吸收的能量。通过计算SAR 可以预测特定天线产生的消融区形状和大小[25-26]，计算公式如下：

式中，E 为电场（V/m）；ρ 为组织密度（kg/m3）；σ 为组织电导率（S/m）。

2 定向天线的研究现状

定向天线设计的关键是在产生定向消融区的基础上，避免反向以及沿天线轴的热量沉积，通常是消融区的温度分布和天线反射系数之间权衡的结果[27]。由于大多数天线是基于单极子、偶极子及缝隙天线结构设计，因此，将定向天线按这3 种天线结构进行分类讨论。

2.1 基于单极子的定向天线研究

图1 支撑组件横截面示意图[29]

McWilliams 等[30]在单极子天线的外侧加入了圆柱形金属和导管，将圆柱形金属一侧的尾端部分去除，另一侧作为电磁反射器（如图2 所示），从而使电磁能量向目标方向辐射，产生定向消融区。模拟和实验结果表明，在2.45 GHz 频率下，最佳的天线反射系数为-32 dB，且目标方向温度升高速度明显快于对侧，产生的消融区半径可达20 mm，而对侧消融区小于4 mm。通过在最外侧导管中充满循环水可以有效减少沿天线轴的加热，并实现良好的天线阻抗匹配。但循环水的加入导致该天线的直径过大（3.5 mm），从而对组织的侵入性增加。此外，天线的辐射能量部分会被循环水吸收，使天线的辐射效率显著降低。

图2 天线横、纵截面示意图[30]

Sebek 等[31]为了减小McWilliams 等[30]提出的定向天线的直径并增加径向加热深度，改变了单极子天线和反射器的相对位置以及反射器形状，提出了球面和抛物面2 种形状反射器的定向天线设计。该设计中使用的单极子天线为UT-34 同轴电缆，使天线直径小于2.5 mm。结果表明，带球形反射器和抛物面反射器的天线均可产生定向温度分布，SAR分布一致且带抛物面反射器的天线产生的消融区横向深度略高于带球形反射器的天线。在肝组织实验中，天线反射系数为-15 dB，天线传输效率高。与McWilliams 等[30]的设计相比，该设计将辐射单极子向导管壁靠近，虽然会增加加热速率及耦合到组织中的能量，但也会造成目标方向对侧的辐射增多，降低了产生高度定向消融区的预期标准。

Mohtashami 等[32]提出了一种新型的单极子定向天线设计（如图3 所示）。该天线将同轴单极子天线的外导体延伸到单极子馈电点之外，以实现定向电磁能量辐射，产生定向消融。研究结果显示，反射器后方的SAR 值比目标方向低15 dB，且输入到同轴天线的大约84%的功率传输到了组织，天线消融效率比McWilliams 等[30]提出的高4 倍。与加入金属结构作为电磁能量反射器的设计相比，这种利用单极子天线固有内外导体结构而实现定向的设计可以有效减小天线直径。此外，在外导体上创建缝隙的设计，不仅可以加强单极子在辐射方向产生的电场，同时可以减小非目标方向的电场分布。因此，该天线在临床应用上具有较大优势。

图3 单极子定向天线结构示意图[32]

以上单极子定向天线中，Debicki 等[29]提出的天线的临床性能已在术中和Ⅰ期临床研究中进行了早期评估。有关McWilliams 等[30]和Sebek 等[31]提出的水冷式定向天线的研究逐渐增多，如Pfannenstiel等[14]使用该天线进行了离体牛肝和活体家猪实验，结果表明该天线可以在组织中形成定向消融区。Curto 等[33]建立了该天线与MRI 集成系统，用于临床前小动物的热疗实验研究。Faridi 等[34]基于该系统对天线几何参数及相应的温度分布进行了进一步评估，确定了一种在MRI 引导下将热量传递到距离小动物皮肤表面1～3 mm、消融直径为2～4 mm 目标组织的最优天线参数设计。Sebek 等[35]对该天线与MRI集成系统进行了进一步扩展，用于实时测温及定量评估热分布。在裸鼠皮下移植的HAC15 肿瘤体内加热实验中表明，该系统能够准确监测肿瘤边界温度，进而有助于控制对目标区域的加热剂量。对于该水冷式定向天线的临床前研究已逐渐成熟，在未来的研究中，还需进行更多的活体及临床实验，为其应用于肝、肾、肺以及一些腺体肿瘤的治疗提供研究基础。而利用同轴单极子天线固有结构实现定向的天线还缺乏相关的体内及临床研究，有待进一步验证其安全性及可行性。

2.2 基于同轴偶极子的定向天线研究

偶极子天线由同轴电缆和一个固体金属圆柱体组成，二者之间的间隙为电磁波传播的有效源。Alnassan 等[36]使用了不带套筒的偶极子天线作为初始天线，并将其插入金属导管中。在金属导管长度为8 mm、旋转角度为300°的方向上，使用了相对介电常数为10 的陶瓷将金属导管反射的电磁波能量传输到组织（如图4 所示），进而产生定向消融区。数值模拟结果表明，在消融时间为10 min 时，该天线在目标方向和其对侧产生的消融区半径分别为2 cm和1 cm，且两侧的SAR 分布明显不均匀。该天线设计的缺点是直径较大（3 mm），产生的消融区体积较小；优点是偶极子天线和金属导管之间形成的空气腔可以进行水冷却循环，沿天线轴的热量传输较少。

图4 天线结构横截面示意图[36]

Brannan[37]提出了在天线上配置一个可拆卸的电磁屏蔽反射器，进而产生定向消融区的方法。其中，用于屏蔽电磁能量的材料可以为铝、金、银、铜、铅、锡、镍、青铜、黄铜、不锈钢、导电聚合物、高导磁率合金和超高温合金。Murat 等[38]则设计了一种反射式微波天线，将圆形铝盘作为反射器置于介质散热器截面上方，降低了天线反射系数。研究结果表明，该天线反射系数为-36 dB，消融区域的电磁辐射增加，且肿瘤表面的电场和SAR 值可高达437 V/m 和208 W/kg，可用于高度局部化的肿瘤治疗。

Mohtashami 等[39]在同轴偶极子天线的基础上，将内外导体分别作为2 个偶极臂进行电磁能量传输，提出了非同轴微波定向消融天线的设计，定向消融区的产生通过改变2 个偶极臂相对于横、纵平面的倾斜方向及角度实现（如图5 所示）。结果显示，2个偶极臂均向上倾斜，倾斜角度θ1为80°、θ2为40°时，SAR 分布图高度局部化且集中分布于天线一侧。在微波消融频率为6 GHz、消融功率为25 W、时间为5 min 时，可产生目标方向与其对侧方向比为40%的消融区。然而，该天线由于偶极臂没有与馈电轴位于同一轴线，在进行消融治疗时，会对正常组织造成更大的创伤，投入临床使用前还需进行优化研究。

图5 偶极臂定向倾斜示意图[39]

基于同轴偶极子的定向天线结构较复杂，其应用于临床前还需进行大量的优化设计及活体实验，降低对组织的侵入性并验证其有效性。

2.3 基于同轴缝隙的定向天线研究

同轴缝隙天线通过在同轴电缆外导体的一定位置处创建一个宽度远远小于有效波长的槽进行电磁辐射，通过改变槽的大小、位置及数量可以产生不同的消融区。基于同轴缝隙天线的这种馈电特点，Thaiwat 等[40]提出了同轴非对称缝隙天线的结构，如图6 所示。在开槽角度分别为90°、180°、270°和360°时的仿真结果显示，SAR 集中分布于开槽一侧，且产生的定向消融区范围取决于开槽的角度、微波功率及加热时间。然而，这种设计会导致消融区温度上升速度减慢、峰值温度降低且消融区范围缩小。

图6 同轴非对称缝隙天线结构图[40]

随着时间的推移和技术的进步，对于同轴缝隙定向天线的结构优化及实验研究逐渐增多。Wongtrairat等[41]对开槽角度为180°时的非对称结构天线产生的消融区温度和SAR 分布进行了研究。结果表明，最高温度和SAR 位于开槽一侧，可实现定向消融，并且在功率不变时，温度会随着槽的宽度发生改变。Nantivatana 等[42]使用多目标优化算法研究了开槽角度为180°时槽的宽度和位置。结果表明，当槽的中心处与天线末端距离3.3 mm、槽宽度为6 mm 时，该天线的天线反射系数最小，产生的消融区更接近半球形且体积最大。Phasukkit 等[43]利用开槽角度为180°时的同轴非对称缝隙天线进行了有限元及离体实验分析。该研究中，使用了3 根定向天线并以等边三角形排列置于肿瘤组织周围，半槽均指向三角形内侧。结果表明，该消融模式可以产生60 ℃或温度更高且更大的凝固区，且消融区集中分布于天线内侧。在天线间距为10、20 和30 mm 时，产生的消融区体积分别为18.437、29.317 和63.504 cm3。目前对于该天线的研究还缺少活体及临床实验，有待进一步开发。

3 结语

现有的定向天线均可产生预期的SAR 分布，实现引导能量向目标方向沉积的目的。但定向天线研究还存在一些不足：（1）提出的定向天线设计中，为了最大限度减少反向加热，研究者使用了特定的消融时间和功率，进而产生了预期结果，但这也导致了消融体积大幅减小的问题。（2）为了达到定向消融的目的而导致天线直径过大和形状复杂的问题，还需进一步优化天线结构，提高其临床应用的可行性。（3）关于定向天线的研究还缺乏在体实验，缺少血液灌注、组织异质性以及代谢热等对温度分布的影响研究。在未来的研究中，还需不断优化定向天线设计，在产生定向消融区的基础上减小天线直径，从而降低其对组织的侵入性，扩大应用范围。其次，还需对定向天线的临床适用场景不断探索并进行相应的活体及临床实验，为其应用于临床提供研究基础。此外，定向天线的使用需要精确的空间定位，因此，还需要探究在三维影像指导下天线有效消融的可行性。总之，随着研究的日益成熟，定向天线将广泛应用于临床，为微波消融提供技术支持。