[论文解读] Tissue Temperature Distributions for Different Frequencies derived from Interstitial Microwave Hyperthermia

P. Gaś|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Ultrasound and Hyperthermia Applications参考文献 8被引用 6

一句话总结

本研究利用同轴缝隙天线，在间质微波热疗过程中模拟生物组织内的温度分布，求解TM模电磁波方程与Pennes生物热方程。结果表明，915 MHz在深层组织中提供最均匀且高效的加热效果，2.45 GHz则具有更优的表层控制能力，而5.8 GHz因能量快速衰减，限制了穿透深度。

ABSTRACT

The aim of this study was to evaluate and compare temperature distributions for different tissues being treated at the time of interstitial microwave hyperthermia. A coaxial-slot antenna implemented into the tissue is the source of microwave radiation. The described model takes into account the wave equation for the TM mode and the Pennes equation determining the temperature distribution within the tissue in the stationary case. The simulation results for the three fundamental microwave frequencies of tissue heating devices are presented.

研究动机与目标

• 评估并比较在间质微波热疗过程中不同组织内温度分布的差异。
• 评估不同微波频率对生物组织中热穿透深度与分布的影响。
• 利用同轴缝隙天线在真实组织环境中建模电磁场与热行为。
• 基于热分布与穿透深度，确定深部组织热疗的最佳频率选择。
• 为使用Pennes生物热方程与电磁波传播模型预测热疗治疗效果，提供计算框架。

提出的方法

• 将同轴缝隙天线建模为植入组织的微波源。
• 求解TM模电磁波方程，以确定组织中的功率沉积分布。
• 采用Pennes生物热方程计算组织中的稳态温度分布。
• 应用有限元法（FEM）数值求解耦合的电磁场与热传导方程。
• 对三种标准微波频率（915 MHz、2.45 GHz 和 5.8 GHz）进行仿真。
• 将组织特性（如介电常数、电导率、灌注率及血液灌注率）纳入模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同微波频率如何影响生物组织中温度分布的深度与均匀性？
• RQ2 在间质微波热疗中，频率与热穿透深度之间存在何种关系？
• RQ3 同轴缝隙天线结构如何影响微波能量的空间分布及相应的温度分布？
• RQ4 哪种频率能为深部肿瘤治疗提供最有利的温度分布？
• RQ5 组织灌注在不同微波频率下对温度上升的影响程度如何？

主要发现

• 在915 MHz时，温度分布表现出最均匀且穿透最深的加热效果，适用于深部肿瘤治疗。
• 在2.45 GHz时，加热更集中，穿透中等，适用于表浅或中等深度目标的更好控制。
• 在5.8 GHz时，能量沉积高度集中于表层，迅速衰减，穿透有限，导致表面温度高而深层组织加热不足。
• 模型预测，较高频率会导致天线附近温度梯度更陡峭，增加周围健康组织热损伤的风险。
• 915 MHz产生更广且更均匀的热场，减少热点，提高治疗安全性。
• 仿真结果与临床预期一致，证实915 MHz最适合深部热疗，而2.45 GHz更适合局部治疗。