CN103041504A

CN103041504A - 基于体外辐射的微波治疗装置

Info

Publication number: CN103041504A
Application number: CN2013100219762A
Authority: CN
Inventors: 许家栋; 韦高; 郑加生; 刘健
Original assignee: BEIJING WEIBO TIANJIAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING WEIBO TIANJIAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明涉及一种基于体外辐射的微波治疗装置，包括球面天线阵列，多个独立的辐射单元不均匀的设置在球面天线阵列的表面，而且还具有与所述球面天线阵列同心设置的氧化铝球面匹配层。本发明的微波治疗装置由于采用体外辐射加热的方式，从而能够解决创伤和发热的问题，并且通过探针引导，使得治疗在开始定位后可以脱离CT或IMR的介入，依据预先的规划进行治疗，自动化程度高，治疗速度快。

Description

基于体外辐射的微波治疗装置

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，更具体地说，本发明涉及一种介入治疗中对肿瘤的微创和无创治疗用的微波治疗装置。

背景技术

微波热疗是指借助特定形式的微波热疗辐射器，将微波能量引导照射于人体的癌变部位，使之由于介质损耗吸收微波能量而发热升温，达到抑制肿瘤细胞的DNA和RNA的复制、蛋白质合成和肿瘤细胞的繁殖的效果，使肿瘤病变组织细胞的功能受损乃至坏死，进而实现肿瘤治疗。与其他的热疗方法相比，微波热疗具有癌变组织内部升温快、热流分布更加均匀、热疗效果好、成本低、便于操作等优点。因此具有良好的临床应用前景，目前已广泛地应用于乳腺癌、脑肿瘤、颈部瘤、恶性黑色素瘤等浅表肿瘤的热疗。但是如何在肿瘤处形成高强度的电磁场的聚集而又尽可能的减少对附近正常组织的影响是一大难题。现有的射频和微波治疗是通过电缆将射频或微波引入体内，进行治疗。存在创伤较大，电缆发热容易烫伤患者，以及整个治疗过程中度需要在CT介入下进行。

对于浅表肿瘤，多发于皮下数厘米深度之内，通常具有较大的面积，且在皮下生物组织中呈现特殊的形态。如果采用微波热疗技术，需要将微波能量散布在较大的肿瘤区域，且与肿瘤形态相吻合，为此通常需要采用特定的微波天线阵列形式并适当地控制各天线激励的幅度和相位，将微波能量聚焦于肿瘤区域并避免对周围组织的损伤。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于体外辐射的微波治疗装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于体外辐射的微波治疗装置，包括球面天线阵列，其特征在于多个独立的辐射单元不均匀的设置在球面天线阵列的表面，而且还具有与所述球面天线阵列同心设置的氧化铝球面匹配层。

其中，氧化铝球面匹配层的厚度为8-12mm；优选为10mm。

其中，在所述氧化铝球面匹配层内设置有柔性容器，所述的柔性容器内盛装有甘油和水的混合液体，甘油和水的质量比为15±1∶85。

其中所述的柔性容器外表面无缝的粘结在氧化铝球面匹配层的内表面上。

其中，所述的柔性容器由乳胶、橡胶或其它柔性材料制成，上述材料在2.5GHz微波频率下介电常数的损耗角正切时不大于0.015。

其中，所述多个独立的辐射单元分别与功率分配控制器的多个输出端口连接，所述功率分配控制器与微波信号发生器连接。

其中，所述的第一级功率分配器与第二级功率分配器间还设置有移相器。所述移相器用来控制焦斑的尺寸。

其中，所述的体外辐射的微波治疗装置还包括调制器，并且所述的调制器与所述的微波信号发生器连接，所述的调制器采用脉冲调制方式控制微波信号发生器的平均输出功率。

本发明的第二方面，还涉及一种基于体外辐射的微波治疗系统，其包括上述体外辐射的微波治疗装置；此外还具有探针，所述的探针具有温度传感器和微波场强传感器，能够同时测量微波场强和温度；所述的探针在CT或IMR的介入下置于治疗部位的中心，并通过探针检测对准焦斑，并且在计算机的控制下实现自动导航治疗。

其中，所述的微波治疗系统还包括可移动平台，所述的可移动平台在计算机的控制下可实现三维移动。

本发明的微波治疗装置，与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明的微波治疗装置和系统采用体外辐射加热的辐射，避免了创伤和加热烫伤的风险。

(2)本发明中的微波治疗装置和系统通过调节辐射单元之间的相对位置和辐射单元之间的相位差可以实现对焦斑大小和形状的控制。

(3)本发明的微波治疗装置和系统采用脉冲调制器来控制微波信号发生器的平均输出功率，并且保持微波信号发生器的输出峰值功率不变，从而保证了微波信号发生器的工作状态单一，效率高，显著提高了微波信号发生器的使用寿命，而且也简化了微波场强的探测。

(4)本发明的微波治疗装置和系统设置有氧化铝匹配层和盛装有混合液体的柔性容器，不仅保证了微波能量对人体的透射，而且实现了匹配层和人体的无空隙适配，显著降低了传输损耗，并且避免了治疗区域表层皮肤的灼烧和烫伤。

附图说明

图1是具体实施方式所述的体外辐射的微波治疗系统的示意图。

图中各附图标记所表示的含义分别为：1-微波信号发生器，2-调制器，3-一分四功分器，4-移相器，5-一分八功分器，6-球面天线阵列，7-氧化铝球面匹配层，8-柔性容器，9-探针，10-可移动平台。

具体实施方式

以下将结合具体实施方式以及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

如附图1所示，本具体实施方式涉及的基于体外辐射的微波治疗装置，包括球面天线阵列6，32个独立的辐射单元不均匀的设置在球面天线阵列6的表面，而且还具有与所述球面天线阵列6同心设置的氧化铝球面匹配层7。在所述氧化铝球面匹配层7内表面无缝的粘结有由乳胶制成的柔性容器8，所述的柔性容器8内盛装有甘油和水的混合液体。所述的体外辐射的微波治疗装置还包括微波信号发生器1，所述的微波信号发生器1通过调制器2控制微波输出的平均功率，微波信号发生器1发出的微波信号通过一分四功率分配控制器3将微波功率等分为四份，并通过一分八功率分配控制器5进一步将微波信号分成32份独立的辐射单元，并且在一分四功率分配控制器3和一分八功率分配控制器5之间设置有移相器4，可以控制输出到一分八功率分配控制器5的辐射单元的相位。并且进一步的在所述的微波治疗装置的基础上设置探头9、计算机控制系统以及可移动平台10可以构成本发明的微波治疗系统。

本发明的微波信号发生器发出的高功率的微波通过球形天线在人体内聚焦，形成高强度微波的聚集，在该处产生热量，从而杀死肿瘤细胞。这是一种基于体外辐射的微波治疗方式。微波功率是通过球形的天线阵列辐射，在球心处聚焦，产生尺寸很小，场强很高的焦斑。由于是球形阵列，就很容易产生在x，y，z三个方向尺度一致的焦斑。阵列单元一共有32个，采用不均匀布置，不仅可以减少辐射单元的数量，减低系统的复杂性，而且还可以保持天线的聚焦性能，并且在需要时可以控制焦斑的大小尺寸。

示例性地，本发明的微波功率是由频率为2450MHz信号发生器产生，所述的微波功率流经过相等的功分电路，分成32路功率相等的直路，加到球形天线阵的32个辐射单元上。功率分配采用两级方式，第一级分为四路，第二级采用四个分为八路的功分器，这样实现32路的等功率分配，不仅具有电路简单，线路损耗小的优点，此外在两级功分器之间附加移相器，可以控制输出到各组(每组8个)辐射单元的相位，通过计算机优化设计，选择各组单元的位置和各组间微波信号的相位差，可以实现对焦斑大小的控制。

对组织的加热的温度和速度是和所加的微波功率的平均功率相关的，这里采用脉冲调制方式，控制微波源的平均输出功率。即微波信号发生器的输出峰值功率是不变的，通过矩形脉冲调制器使得信号发生器时间段工作的，工作和间歇的周期是20毫秒，控制工作和间歇的时长，即控制脉冲的占空比，就可以控制输出的平均功率。由于要改变微波信号发生器的输出功率是比较复杂的，采用本发明的技术回避了这一难题，微波发生器的工作状态单一，效率高，微波发生器的使用寿命长，同时，也有利于采用探针探测体内的微波的强度。

采用体外微波辐射的一大难题是人体对微波的反射，由于人体组织和空气的特性相差极大，由天线辐射的微波能量的大部分将被反射，无法进入人体组织，这样不仅造成治疗的效率降低，还会产生环境的电磁污染。本发明提出使用球形匹配层和焦点控制装置，在接近球心位置采用一个球形装置，它和球面天线阵是同心的，由厚度为10mm的氧化铝材料构成。这一厚度是微波在氧化铝材料中波长的四分之一，它将产生匹配作用，保证微波能量对人体的透射。

在治疗中需要调整加热区域的位置，由于改变天线聚焦位置是比较困难的，因此采用改变人体和天线的相对位置实现对人体不同部位的聚焦照射。即天线位置不变，通过调整人体位置沿x，y，z方向移动和绕人体纵轴转动，实现对加热区域的调整。为了避免球形匹配层和人体表面间出现空隙，本发明提出在球形匹配层和人体皮肤表面之间放置柔性适配装置。该柔性适配装置系由乳胶制成的柔性容器，内盛有水和甘油组成的混合液体，柔软的充有液体的容器实现了匹配层和人体的无空隙适配，避免了当被治疗者体位改变时产生的空隙从而形成的反射。容器内的液体具有和人体组织相近的电磁特性，同时损耗很小。这样实现了小的反射和传输损耗。治疗位置的确定和治疗的自动导航，准确的确定微波聚焦焦斑的位置时体位辐射技术的又一关键，本发明提出采用一个可以同时测量微波场强和温度的探针，将该探针在CT的介入下置于治疗部位的中心，调整患者体位，通过探针监测，对准焦斑位置，然后就可以由计算机控制下，依据预先的规划进行自动导航，治疗，整个过程自动化程度高，治疗速度快。本发明的体外辐射的微波加热治疗系统利用体外发射微波能量，在体内聚焦，产生热效应，对肿瘤等病变组织加热，进行治疗；球形的天线阵列，在球心处聚焦，产生小尺寸的焦斑；焦斑的位置是固定的，而不均匀的天线阵列分布，实现不同馈电时焦斑尺寸的优化；微波功率源输出的能量通过两级等幅功分，实现对天线阵列个单元的等幅激励。而微波源的输出峰值功率是不变的，通过矩形脉冲调制，控制脉冲的占空比来控制输出的平均功率；另外对天线单元的激励分为四组，通过改变各组的相位，实现对焦斑尺寸的控制；而球形的四分之一波长厚度的匹配装置，保证微波能量对人体的透射；依靠改变人体和天线的相对位置实现对人体不同部位的聚焦照射；柔性的适配结构实现匹配层和人体的无空隙适配.；通过体内放置的探针，实现对该部位的场强和温度的探测，从而实现对焦点位置的确定。在确定探针的位置后，治疗是通过计算机控制下的规划进行的，不需要CT或IMR的介入。

虽然具体实施方式部分已经通过具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细阐述，但本领域的普通技术人员应当理解可以在不脱离本发明公开的范围以内，可以采用等同替换或等效变换形式实施。因此，本发明的保护范围并不限于具体实施方式部分的具体实施例，只要没有脱离发明实质的实施方式，均应理解为落在了本发明要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于体外辐射的微波治疗装置，包括球面天线阵列，其特征在于多个独立的辐射单元不均匀的设置在球面天线阵列的表面，而且还具有与所述球面天线阵列同心设置的氧化铝球面匹配层。

2.根据权利要求1所述的微波治疗装置，其特征在于所述的氧化铝球面匹配层的厚度为8-12mm；优选为10mm。

3.根据权利要求1或2所述的微波治疗装置，其特征在于在所述氧化铝球面匹配层内设置有柔性容器，所述的柔性容器内盛装有甘油和水的混合液体。

4.根据权利要求3所述的微波治疗装置，其特征在于所述的柔性容器的外表面无缝的粘结在氧化铝球面匹配层的内表面上。

5.根据权利要求4所述的微波治疗装置，其特征在于所述的柔性容器由乳胶制成。

6.根据权利要求1所述的微波治疗装置，其特征在于所述多个独立的辐射单元分别与功率分配控制器的多个输出端口连接，所述功率分配控制器与微波信号发生器连接。

7.根据权利要求6所述的微波治疗装置，其特征在于所述的微波信号发生器与功率分配控制器之间还设置有移相器。

8.根据权利要求7所述的微波治疗装置，其特征在于还包括调制器，并且所述的调制器与所述的微波信号发生器连接，所述的调制器采用脉冲调制方式控制微波信号发生器的平均输出功率。

9.一种基于体外辐射的微波治疗系统，其特征在于包括权利要求1-8任一项所述的体外辐射的微波治疗装置；另外还具有探针，所述的探针具有温度传感器和微波场强传感器，能够同时测量微波场强和温度；所述的探针在CT或IMR的介入下置于治疗部位的中心并通过探针检测对准焦斑，在计算机的控制下实现自动导航治疗。

10.权利要求9所述的微波治疗系统，其特征在于还包括可移动平台，所述的可移动平台在计算机的控制下可实现三维移动。