一种微波消融天线的制作方法

本发明涉及肿瘤治疗领域，具体涉及一种微波消融天线。

背景技术：

微波消融是指利用微波的热效应来升高病变组织温度，从而杀死人体病变组织的技术。近年来，微波消融作为一种能够精确杀死肿瘤组织的热疗方法得到快速的发展。实际临床手术中，在ct、超声或mri成像方法的辅助下，消融天线能够准确通过穿刺皮肤到达靶组织进行消融操作。相比传统手术切除，微波消融术具有手术创口小、痛苦少、术后恢复时间短等诸多优点。

目前，微波消融在针对直径小于3厘米的肿瘤治疗中效果显著，能够通过单天线穿刺皮肤进入病变位置后进行一次消融(即一次布针)就能够完成肿瘤的完全消融(肿瘤及周边5-10毫米健康组织消融)，并且能够得到和手术切除相近的病人术后5年及10年存活率。但当肿瘤直径大于3厘米时，需要通过单天线多次布针或多天线单次布针才能够完成肿瘤的完全消融，这将会提高肿瘤周围组织发生感染、组织出血等术中并发症的风险，也会增加手术时间和患者的手术痛苦；另外，如果依然采用单天线一次布针来消融大直径肿瘤，由于天线在一定功率下经过一定时间通过微波消融所能杀死的组织的范围(即消融区域)常常为带有尾部的彗星形或水滴形，其球度小于0.7，而实际临床手术中发现绝大多数肿瘤为球形肿瘤，这意味着在肿瘤组织被杀死的同时也有大量非目标的健康组织被杀死，甚至会灼伤皮肤。因此，需要采用方法以尽可能消除消融区域的尾部特征。

目前，现有的天线采用的第一种消除消融区域的尾部特征的方式是增加天线体内水冷循环，这种手段需要在天线的接口端设置进水口和出水口，并在天线体内设置进水通道和出水通道。冰水或冰生理盐水不断地通过蠕动泵的压力作用从进水口进入天线内，带走天线的热量后从出水口离开天线。一些远离天线尖端并且紧贴天线的组织因为远离天线尖端的组织很难通过吸收微波能量的方式升温，主要是通过吸收天线热传导而来的热量升温，经过这种水冷循环的作用，天线在整个消融过程中都可以保持低温，因此这部分组织不会因为天线的高温热传导而被消融；那些在天线尖端附近的组织虽然也被水循环带走了一部分热量，但所带走的热量不足以将组织的温度下降到60℃以下，因此尖端附近的组织依然是被消融的。从而，达到了消除消融区域彗星尾的目的，提高消融区域的球度。但是，因为采用水冷循环的方式消除彗星尾效应只能在一定程度上增加消融区域的球度，无法从根本上解决问题，一旦增大消融功率，即使在水冷循环辅助下，消融区域的彗星尾依然会出现，因此，这种技术只能和其他技术相结合，起辅助作用，无法起到决定性作用。此外，天线内增加的水循环通道在一定程度上增加了天线的直径，不利于天线的介入过程，这将增加天线的穿刺难度且会增加发生并发症的风险。

现有的天线采用的第二种消除消融区域的尾部特征的方式是在天线外导体上的方式是增加扼流环[prakashp,conversemc,websterjg,etal.anoptimalslidingchokeantennaforhepaticmicrowaveablation.[j].ieeetransactionsonbiomedicalengineering,2009,56(10):2470-2476]。由于沿着天线外导体上流动的电流也会辐射电磁波，产生相应的电磁场，因此，远离天线尖端的组织有可能会吸收这部分电磁场的影响进而达到60℃而被消融。所以，有人提出了在天线外导体上增加长度为四分之一微波波长的扼流环来扼制外导体上电流流动的想法。长度为四分之一波长的扼流环理论上具有无限大的阻抗，在天线外导体上增加这种扼流环能够有效扼制外导体上电流流动，避免产生多余的电磁场，同时也能减少天线的发热量，从而避免产生彗星尾，保证消融区域的球度。

现有的天线采用的第三种消除消融区域的尾部特征的方式是在天线外导体外增加金属浮动套筒[yangd,bertramjm,conversemc,etal.afloatingsleeveantennayieldslocalizedhepaticmicrowaveablation[j].ieeetransactionsonbiomedicalengineering,2006,53(3):533-537]。这里提出的在天线外导体外增加金属浮动套筒也是为了消除外导体上的电流辐射出的电磁场对组织的影响。但与上文所述的扼流环不同，金属浮动套筒并没有和外导体连接，因此无法起到扼制外导体电流的作用。天线的外导体上依然存在电流流动，且会产生多余的电磁场，但在外导体外侧的金属套筒能够屏蔽电磁波，阻止外导体上的电流产生的电磁波向组织方向传播，避免远离天线尖端的组织吸收这部分电磁能而被消融导致彗星尾的产生。

现有的天线采用的第四种消除消融区域的尾部特征的方式是在天线尖端增加平衡-不平衡转换器。天线外导体上产生流动电流的根本原因在于天线与馈电的同轴电缆之间的阻抗失配。大多数情况下，如果没有对微波消融天线的结构进行专门的阻抗匹配优化，那么天线与同轴电缆之间通常都会发生阻抗失配，这会导致天线无法将电缆馈送而来的微波能量完全辐射出去，有一部分微波能量将会沿着天线外导体返回微波源。这是天线外导体上流动电流产生的原因。这些电流会产生很多不利的影响，如产生多余的电磁场、升高天线的温度、损坏天线结构等。因此，有人提出在天线尖端增加平衡-不平衡转换器来人为调节天线的阻抗，与同轴电缆完成阻抗匹配，以此来避免外导体上产生流动电流，从而避免消融区域彗星尾的产生。

上述的第二、第三、第四种方式分别采用扼流环、金属套筒以及平衡-不平衡转换器的方式来消除彗星尾效应，其效果显著，且即使增大功率也依然能够以较高的球度产生消融区域。但是，天线内增加扼流环、金属套筒和平衡-不平衡转换器不可避免地增加了天线的直径，不利于天线的介入过程。

现有的天线采用的第五种消除消融区域的尾部特征的方式是在外导体上环切多个等间距的缝隙[wangt,zhaog,qiub.theoreticalevaluationofthetreatmenteffectivenessofanovelcoaxialmulti-slotantennaforconformalmicrowaveablationoftumors[j].internationaljournalofheat&masstransfer,2015,90:81-91]。在外导体上环切多个等间距的缝隙能够增加微波能量在组织内的沉积，同时，由于从不同缝隙中传播进入组织的电磁场具有不同的相位，多个电磁场在远离天线尖端且紧贴天线表面的区域能够实现相互叠加抵消，可以以此避免消融区域彗星尾。因此，采用在天线外导体上环切多个等间距缝隙的方式抵消多余的电磁场，能够有效地消除彗星尾效应，保持高球度消融，且没有在天线中增加任何结构，不会导致天线直径的增加。但是，天线经过这种处理以后与同轴电缆的阻抗匹配性变得极差，导致天线的消融效率很低下，由于天线产生的消融区域很小，消融的长径有限(小于4cm)，即使增大微波功率也无法实现大肿瘤的一次性消融。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是一种微波消融天线，以期在不增加天线的直径的情况下，同时提高阻抗匹配性和提高消融区域的球度。

本发明提供一种微波消融天线，用于产生一消融区域，该天线具有本体，其本体包括内导体，内导体的外侧依次包覆有电介质、外导体和外壳，该本体沿轴向一端与一同轴电缆连接，另一端为一天线末端，在靠近天线末端处的外导体上环切有若干缝隙，在该天线末端处外导体与内导体突出于电介质并彼此焊接，在本体的中部处的电介质上沿轴向依次设有一电介质镂空段及一自外导体向内延伸的加厚外导体。

所述缝隙包括依次远离天线末端的第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙。

所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙的设计参数满足：第一缝隙距离天线末端的位置为12.214mm,第一缝隙的宽度为1.219mm,第二缝隙的宽度为1.753mm，第三缝隙的宽度为1.256mm，第一缝隙和第二缝隙之间的间距为4.647mm，第二缝隙与第三缝隙之间的间距为0.984mm。

所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙的设计参数采用nsgaii算法得到。

所述电介质镂空段的远离加厚外导体的一端面向所述天线末端。

所述电介质镂空段的材质为空气。

所述加厚外导体与所述外导体一体成形。

所述电介质镂空段和加厚外导体的设计参数满足：电介质镂空段离第三缝隙的距离为15.128mm，电介质镂空段的长度为7.2mm，加厚外导体的长度为18mm，加厚外导体的内径为0.4mm。

所述电介质镂空段和加厚外导体的设计参数采用trustregion算法得到。

所述外壳的材质为teflon。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的微波消融天线电介质通过镂空段以及加厚外导体的设置形成了一个π匹配节，并通过该π匹配节结构实现天线在和同轴电缆之间的阻抗匹配，由于天线与同轴电缆之间良好的阻抗匹配性，大部分微波能量都通过三缝隙结构沉积到组织中，只有少部分能量通过外导体反射回同轴电缆，这减少了外导体的发热，因此不需要水循环通道进行降温，进而不需要增加天线体直径以设置水循环通道；同时，增加微波能量在组织中的沉积，提高了天线的消融效率，使得天线的消融半径较大，进而使得消融区域较大，在不增加天线体直径的情况下能够实现通过一次布针完成大肿瘤(直径大于3厘米)的完全消融。此外，本发明通过采用nsgaii算法优化三个缝隙的宽度、第一缝隙和第二缝隙之间的间距、第二缝隙与第三缝隙之间的间距以及第一缝隙距离天线末端的位置并使之满足一定关系式，并采用trustregion算法优化π匹配节结构(电介质镂空段离第三缝隙的距离，电介质镂空段的长度，加厚外导体的长度，加厚外导体的内径)来调节所述微波消融天线的特性阻抗，由此进一步使微波消融天线在消融区域(例如消融后凝固的猪肝组织)中与所述同轴电缆阻抗匹配，进而保证在消融过程中能在大部分时间内保持阻抗匹配状态。

2)本发明的微波消融天线上的外导体上设置的缝隙数量为三个，三个缝隙的设置使得缝隙节能够在轴向上跨度很大，消融时能获得足够大的消融长径(大于5cm)。此外，通过优化三个缝隙的宽度、第一缝隙和第二缝隙之间的间距、第二缝隙与第三缝隙之间的间距以及第一缝隙距离天线末端的位置的参数使之满足公式，使得能够提高本发明的微波消融天线的消融区域的球度。另外，由于nsgaii算法所限，算法中超过6个设计参数将导致难以获得令人满意的解，因此三个缝隙的设置可以将采用不等距缝隙排列设计时需要优化的参数减少为6个。

综上所述，本发明通过三缝隙节获得较大的消融长径和消融球度，配合上述的π匹配节来增大消融半径，从而获得一个尽可能高的球度，很好地克服了目前一些天线需要通过增大天线直径或降低天线效率来增加消融圆度的缺点，能够在不增加天线直径的情况下很好地消除彗星尾效应，并保持高球度消融，即使增大微波功率也不会导致消融区域的球度出现明显下降，可以用于产生一高球度的消融区域，该消融区域足以完全覆盖直径在3厘米到5厘米之间的球形肿瘤。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的一种微波消融天线的结构示意图。

图2在600s消融时间内，两种阻抗匹配方式所对应的阻抗匹配变化图。

图3两种阻抗匹配方式所对应的的共振频率曲线。

图4是45w功率下消融600s的等温线分布仿真图。

图5是在不同功率下消融600s的仿真结果比较图，图中虚线表示最大消融半径，实线表示球度。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种微波消融天线，用于产生一高球度的消融区域，该消融区域足以完全覆盖直径在3厘米到5厘米之间的球形肿瘤。该天线具有本体，其本体包括内导体1，内导体1的外侧依次包覆有电介质2、外导体3和teflon材质的外壳4；该本体沿轴向一端与一同轴电缆连接，另一端为一天线末端，在该天线末端处外导体3与内导体1突出于电介质2并彼此焊接。

在靠近天线末端处的外导体3上环切有三个缝隙31、32、33，使得天线末端以及靠近天线末端处的天线共同形成一个的三缝隙节5，由此，天线通过三缝隙节5发射微波，并且利用从三缝隙节5的三个缝隙中辐射出来的三个微波场在远离天线末端处能够进行相位抵消的原理，实现将微波能量集中于天线末端的目的。

其中，三个缝隙31、32、33包括依次远离天线末端的第一缝隙31、第二缝隙32和第三缝隙33，这三个缝隙31、32、33采取非周期排布的形式，即各个缝隙的大小以及之间的间距都各不相同，在本实施例中，三个缝隙31、32、33的6个设计参数(所述三个缝隙31、32、33的宽度、第一缝隙31和第二缝隙32之间的间距、第二缝隙32和第三缝隙33之间的间距以及第一缝隙31距离天线末端的位置)是通过采用matlab+comsol联合仿真的优化工具，并采用nsgaii算法进行优化的，以使得本发明的微波消融天线所产生的消融区域具有更高的球度。同时，由于本发明的优化工具为matlab+comsol联合仿真，涉及有限元计算，且每次计算的时间都不短，而遗传算法的特点是需要进行大量迭代计算才能得到最终的优化结果。如果单次迭代收敛慢，则会大量增加计算时间，因此采用nsgaii算法，加快单次迭代收敛，缩短计算时间，且结果也是可靠的。

表1.由nsgaii算法优化所得的三缝隙节各个缝隙的尺寸及相对位置

上述的三个缝隙31、32、33的6个设计参数采用nsgaii算法得到的优化结果如表1所示。即三个缝隙31、32、33的设计参数满足：，第一缝隙31距离天线末端的位置为12.214mm,第一缝隙31的宽度为1.219mm,第二缝隙32的宽度为1.753mm，第三缝隙33的宽度为1.256mm，第一缝隙31和第二缝隙32之间的间距为4.647mm，第二缝隙32与第三缝隙33之间的间距为0.984mm。

其中p1为第一缝隙距离天线末端的位置，w1为第一缝隙的宽度，w2为第二缝隙的宽度，w3为第三缝隙的宽度，s1为第一缝隙和第二缝隙之间的间距，s2为第二和第三缝隙之间的间距。

再请参见图1，在天线的本体的中部处的电介质2上沿轴向依次设有一电介质镂空段21以及一自外导体3向内延伸的加厚外导体34，其中，电介质镂空段21的远离加厚外导体34的一端面向天线末端。电介质镂空段21通过移除一段电介质2制得，其材质为空气。加厚外导体34与外导体3一体成形，相当于与外导体3共同形成一段加厚的外导体。由此，相当于在天线的中部形成了由一段由加厚的外导体和一段空气段组成的π匹配节6，用于实现天线在消融区域中与同轴电缆的阻抗匹配。

由于加厚的外导体相比于原来不加厚的外导体，相当于增加了线路每单位长度的电容，即，降低了天线的特性阻抗；移除电介质后形成的一段电介质镂空段21，相当于减小了线路每单位长度的电容，即，增加了天线的特性阻抗。因此，本发明的微波消融天线的特性阻抗是通过优化π匹配节6的设计参数(电介质镂空段21离第三缝隙33的距离、电介质镂空段21的长度、加厚外导体34的长度、加厚外导体34的内径，共4个)来调节的，并调节为使得微波消融天线在消融区域中与所述同轴电缆阻抗匹配。

其中，阻抗匹配是指将天线在某一介质中工作的特性阻抗保持与馈电同轴电缆的特性阻抗相等，天线在消融区域中与同轴电缆的阻抗匹配，即说明本发明的微波消融天线的特性阻抗具有如下关系：微波消融天线和包围消融天线即消融区域的介质的总阻抗等于同轴电缆的特性阻抗。其中同轴电缆的特性阻抗已经标准化为两种规格，50ω和75ω，在本实施例中微波消融的同轴电缆为50ω。由此，当天线通过同轴电缆连接到微波消融仪并插入消融区域时，天线和消融介质被看作一个整体，作为同轴电缆的负载；天线在消融介质中与同轴电缆的阻抗匹配，天线工作效率最高，此时几乎全部的微波能量从三个缝隙辐射到消融区域中，以完成大肿瘤消融。

值得注意的是，本发明在进行阻抗匹配优化时，将天线周围的消融区域的介质的电导率设置为0.1s/m。因为在消融过程中，猪肝的电导率会随着水分的蒸发而减小，健康猪肝组织的电导率在2.45ghz频率下约为1.69s/m，经过微波消融加热失去水分后，其电导率下降到0.1s/m左右。因此，本发明在进行阻抗匹配时将天线周围猪肝的电导率设置为0.1s/m后再进行阻抗匹配优化计算，由此可以实现天线在消融后的组织(例如消融后凝固的猪肝组织、脱水干燥的肝脏组织)中的阻抗匹配，即可以满足如下关系：微波消融天线和消融后凝固的猪肝组织(即脱水干燥的肝脏组织)的总阻抗等于同轴电缆的特性阻抗。这是一种创新的阻抗匹配手段，而目前的天线进行阻抗匹配时都是在还未消融的健康肝脏组织中完成的，这两种阻抗匹配手段是不同的。如图2所示为通过comsolmultiphysics5.3软件进行瞬态计算仿真得到的在两种不同组织中实现阻抗匹配的天线在600s消融时间内的阻抗匹配特性变化结果，点线表示在健康猪肝组织中完成阻抗匹配，实线表示在消融后的猪肝组织中完成阻抗匹配，纵坐标为s11参数，其数值表示阻抗匹配的好坏，数值越小表示阻抗匹配性越好，横坐标表示消融时间。该图说明猪肝组织中与同轴电缆阻抗匹配的天线总体具有更优的阻抗匹配特性。这是因为，在消融后凝固的肝脏组织在消融过程中会发生凝固(包括蛋白质变性、水分蒸发等生化变化)，其电学性质和热学性质会发生极大的改变，在微波能量下，天线周围的猪肝组织很快就发生凝固，并在大部分消融时间中保持凝固状态。因此，如果天线与同轴电缆的阻抗匹配是在健康的猪肝组织中进行的，那么在消融开始后，天线与同轴电缆之间很快就会产生阻抗失配，并维持阻抗失配的状态继续消融，最终会导致消融球度的降低；而如果天线和同轴电缆之间的阻抗匹配是在消融后以发生凝固的猪肝中进行的，那么一开始天线和同轴电缆之间可能会产生一些阻抗失配(在本发明中没有发生)，但由于天线周围的猪肝很快就发生凝固，因此天线和同轴电缆之间的阻抗匹配性逐渐变好，最后达到阻抗匹配状态并在剩余的大部分时间中保持阻抗匹配的状态直到消融结束。通过这种阻抗匹配方式能够进一步增加消融区域的球度。

π匹配节6的设计参数，即电介质镂空段21和加厚外导体34的设计参数(电介质镂空段21离第三缝隙33的距离，电介质镂空段21的长度，加厚外导体34的长度，加厚外导体34的内径)采用trustregion算法(信赖域算法)得到的优化结果如表2所示。电介质镂空段21和加厚外导体34的设计参数满足：电介质镂空段21离第三缝隙33的距离为15.128mm，电介质镂空段21的长度为7.2mm，加厚外导体34的长度为18mm，加厚外导体34的内径为0.4mm。

表2.π匹配节的各个设计参数

仿真结果

如图3所示为软件仿真得到的两种阻抗匹配方式所对应的共振频率曲线，纵坐标为s11参数，横坐标为频率。在本实施例中，医用微波频率设定为2.45ghz，这样一来，若天线的工作频率为2.45ghz，则说明本发明天线的工作效率很高，天线与同轴电缆实现了很好的阻抗匹配。图中实线表示本发明的微波消融天线所对应的共振频率曲线，可以看出，本发明天线与同轴电缆实现了很好的阻抗匹配，使共振频率落在了2.45ghz。这说明，π匹配节的存在能够极大地减少天线向微波发生器的功率反射，因此大部分功率得以沉积到天线周围的组织中，使得微波在组织中的穿透深度增加，消融半径增加，从而增大了天线的消融区域。并且，由于消融半径的增加，消融区域的球度进一步增加，最终产生高球度的消融区域，实现球形大肿瘤的适形消融。

本发明的微波消融天线的性能在comsolmultiphysics有限元软件中进行轴对称建模仿真，消融区域的圆度和最大直径的仿真结果如图4、5所示，作为天线的评价指标。功率45w，消融时间600s的仿真结果如图4所示。图中四条等温线从内到外分别为120℃、100℃、80℃、60℃等温线。图中尺寸表示优化的三缝隙节和π匹配节同时存在情况下的消融尺寸，半径25.9mm，长度52.9mm，此时的消融球度为0.979。在不同功率下消融600s的仿真结果比较图如图5所示。图中虚线表示最大消融半径，实线表示球度。可以看到，随着功率的增大，消融半径不断增大，球度在45w达到最大值0.979，之后再继续增加功率会导致球度有所下降，但依旧能保持大于0.9。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。