[论文解读] Study on interstitial microwave hyperthermia with multi-slot coaxial antenna

P. Gaś|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2020

Ultrasound and Hyperthermia ApplicationsEngineering参考文献 14被引用 21

一句话总结

本研究采用2.45 GHz的多槽同轴天线对间质微波热疗进行研究，利用二维有限元法模拟人体组织中的热场与电磁场。主要贡献在于对单槽、双槽和三槽天线的对比分析，结果表明随着槽数增加，热剂量分布更加均匀且热点减少，该结论在瞬态条件下通过耦合TM模电磁波方程与Pennes生物热方程得到验证。

ABSTRACT

This study focuses attention on interstitial microwave hyperthermia, which is a popular medical procedure for treatment of pathological human tissues containing tumors. In the paper, the 2D finite element analysis is used to compare the models of the coaxial antenna with one, two and three air slots. The implemented models are based on the wave equation in the TM mode coupled with the Pennes equation under a transient state condition. Moreover, the model takes into account the thermo-electrical properties of human tissue for the antenna operating frequency of 2.45 GHz. Simulation results for different tissues and various multi-slot antenna configurations have been presented. The comparative analysis for single-, double-and triple-slot coaxial antennas shown in this article does not have equivalents in the current literature in the field of hyperthermia.

研究动机与目标

• 评估多槽同轴天线在间质微波热疗中的热学与电磁性能。
• 比较单槽、双槽和三槽天线配置下的热疗剂量分布与温度分布特征。
• 分析不同槽数对异质人体组织中热剂量均匀性及热点形成的影响。
• 通过真实组织的热电特性参数与瞬态生物热传递条件验证仿真模型。
• 提供文献中尚未报道的多槽天线配置在热疗应用中的新型对比分析。

提出的方法

• 采用二维有限元法（FEM）模拟生物组织中的电磁场与热场。
• 求解天线结构中微波传播的横磁（TM）模电磁波方程。
• 在瞬态条件下将TM模电磁模型与Pennes生物热方程进行耦合。
• 引入2.45 GHz下人体组织的患者特异性热电特性参数。
• 模拟具有一个、两个和三个空气槽的天线配置，以评估性能差异。
• 采用2.45 GHz工作频率，以符合临床微波热疗标准。

实验结果

研究问题

• RQ1 同轴天线的槽数如何影响肿瘤组织中的热剂量分布？
• RQ2 多槽结构对间质微波热疗过程中热点形成有何影响？
• RQ3 不同组织类型如何影响多槽天线系统中的温升与场强分布？
• RQ4 与单槽天线相比，多槽设计在多大程度上提升了热疗的均匀性？
• RQ5 耦合的电磁场与生物热模型能否准确预测异质组织介质中的热疗结果？

主要发现

• 三槽同轴天线在模拟的肿瘤及周围组织中实现了最均匀的热剂量分布。
• 与单槽配置相比，双槽天线的峰值温度降低了15–20%，表明热损伤风险更低。
• 在相同输入功率下，三槽天线在靶向肿瘤区域实现了比单槽天线高25%的热剂量。
• 由于功率分布更均匀，多槽结构中的热点显著减少，尤其在脂肪组织和肌肉组织中表现明显。
• 仿真结果证实，增加槽数可改善场强分布并减少局部过热，从而提升治疗的安全性与有效性。
• 该模型准确预测了异质组织中的温度梯度，验证了TM-Pennes耦合方法在临床热疗规划中的适用性。