CN103656864A - 一种相控阵微波能量传送装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵微波能量传送装置，包括：控制部；分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部；微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部。利用本发明的相控阵微波能量传送装置，能够精确地定位感兴趣的特定目标，并以最佳的加热方案，向该特定目标传送微波能量。

Description

一种相控阵微波能量传送装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用相控阵天线进行微波能量传送的相控阵微波能量传送装置和方法。该装置能够用于微波能量定向传送、微波CT检测、微波热疗等领域。

背景技术

对人体器官或生物组织进行检测的方法通常有X射线检测、核磁共振检测、超声检测等。利用相控阵天线进行检测的技术也已存在；美国专利4,528,854公开了一种用于超声诊断装置的相控阵接收器，用于从接受超声波的传感器元件来改变输出电压的相位，并合成这些电压来改变超声波的方向和其他特性。但此装置由于大的不连续性限制了超声波成像的效率。

微波检测主要是以微波作为信息载体，利用生物组织中的生物电磁特性(介电常数，电导率等)进行图像重构。由于介电常数大小与生物组织含水量密切相关，故微波成像非常适合对生物组织成像，获得其它成像手段无法获得的信息。微波成像具有安全、成本低、理论上可对温度变化进行成像等特点。此外，利用现有的检测成像技术，大多只能重构出二维图像，在目标组织定位方面仍然存在偏差，无法测出目标组织的深度。

利用微波对人体或生物组织进行加热治疗已有应用。在传统的热疗技术中，对深层组织进行高温治疗可能造成表皮组织灼伤，因此，如何对深层的组织进行加热而不伤及表皮组织或其他组织，是一个具有挑战性的课题。中国专利ZL90106492.0公开了一种微波透热法以及装置，它是根据微波功率密度的规律，在现有贴近式透热法的基础上，将微波辐射器的口面离开人体被透热部位表皮15-70cm的距离，同时，在微波辐射器口面前加一聚焦装置，并加大微波电源的输出功率，且连续输出功率。该方法与装置能较好地解决透热深度浅、表皮易灼伤、加热不均匀等问题。但是，该装置不能对生物组织加热的情况进行实时地监控，也无法调节聚焦深度，入射角度和发射功率，因此不能达到有效的加热治疗效果。此外，现有的加热微波源大都采用单频率进行加热，而目标组织细胞(例如，肿瘤细胞)在一段时间后容易适应此频率，从而达不到有效灭活的治疗效果。

其次，近年来，非热效应的应用已经引起越来越多的关注。而市场上鲜有能够同时进行热疗和非热治疗的设备。生物组织在接受微波低强度、长时间辐射或高强度脉冲式辐射后，体温虽未发生明显上升但也会产生一系列生物学效应称之为非热效应，非热效应所需的辐射功率大大低于热效应所需的功率水平。微波非热效应的作用机制从物理学、生物医学两个角度来看大致包括跨膜离子回旋谐振理论、粒子对膜的穿透理论、生物系统相干电振荡理论、细胞电信号转导理论等等。微波脉冲对细胞膜的作用可以改变跨膜电位使其发生细胞膜的可逆或不可逆性穿孔，使平时受到细胞膜限制进入的抗癌药物大量进入细胞内，降低了化疗药物的用量，降低了抗癌药物对人体的毒副作用。微波可以切断DNA、影响细胞内第二信使的含量、影响线粒体的功能诱导细胞凋亡。微波辐射癌病灶可以刺激患者免疫调节系统，增强NK细胞、T淋巴细胞和巨噬细胞的细胞免疫力。

此外，现有的微波测温技术普遍是利用传感器进行的有损测量，例如利用半导体热敏电阻作为测温探头的测温装置，其不能够进行有效的深层测温，只能测量表皮温度，并且该测温方法会对人体造成损伤，患者要承受较大的痛苦，容易使伤口感染。中国专利CN100475288C公开了一种单极相控阵列高温治疗加热装置，该装置利用位于患者身体表面的温度传感器来测量患者体表温度。但该测温装置不能对深层组织进行有效的测温，也不具有实时测温的功能，不能有效地对加热温度进行监控。

发明内容

鉴于现有技术中的上述不足，本发明旨在提出一种相控阵微波能量传送装置和一种相控阵微波能量传送方法，能够实现微波目标成像，对目标组织进行靶向多频能量传送，并且具有实时测温、三维成像与实时监控的功能，从而可对特定目标组织达到更加有效的能量传送效果。

根据本发明的第一个方面，提出了一种相控阵微波能量传送装置，包括：控制部；分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部；微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部；其中，所述扫描定位部对特定目标进行扫描定位，以获得该特定目标的空间位置信息和图像信息，并将该空间位置信息和图像信息发送给所述控制部；所述微波能量传送控制部根据由所述控制部确定的加热方案，确定待发射微波的频率、功率和波形；所述测温部对所述特定目标实施测温，并将测温结果发送给所述控制部；所述微波源根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率、波形及脉冲方式，生成具有该频率、功率、波形及脉冲方式的微波；所述相控阵天线部和/或所述波带片发射部在所述微波能量传送控制部的控制下，根据由所述扫描定位部获得的所述特定目标的空间位置信息，向该特定目标发射由所述微波源生成的具有所述频率、功率、波形的微波。

根据本发明的第二个方面，提出了一种相控阵微波能量传送方法，包括：初始化步骤，确定特定目标的大致位置；扫描定位步骤，对所述特定目标的上述大致位置进行微波扫描，以得到该特定目标的重构图像和精确空间位置；治疗方案确定步骤，确定对于该特定目标的待发射微波的设定频率、功率和波形以及所述特定目标的预期温度和预期加热时间；热疗微波生成步骤，生成具有所述设定功率、波形、频率的热疗用微波；热疗微波发射步骤，将该热疗用微波发射到所述特定目标的上述精确空间位置；热疗温度判定步骤，判断所述特定目标是否达到所述预期温度；以及热疗时间判定步骤，判断是否到达所述预期加热时间；其中，如果所述特定目标没有达到所述预期温度，则增大微波发射功率或增加脉冲频率，并重复执行所述热疗温度判定步骤；其中，如果还未达到所述预期加热时间，则重复执行所述热疗时间判定步骤。

利用本发明的相控阵微波能量传送装置和相控阵微波能量传送方法，能够精确地确定特定目标的空间位置，并将具有优选功率、频率和波形的微波靶向地照射到该特定目标。同时，能够对该特定目标进行实时测温，确保了在微波能量传送的过程中的安全性。

附图说明

图1是示出本发明的相控阵微波能量传送装置的结构框图；

图2是示出微波源的结构及其与其他部件的连接关系的图；

图3是示出波带片发射部的原理的示意图；

图4是示出全息照相原理的示意图；

图5是本发明的微波衍射型扫描定位部的结构图；

图6是示出本发明的相控阵微波能量传送装置的操作实例的流程图；

图7是示出本发明的相控阵微波能量传送装置的另一操作实例的流程图；以及

图8是示出本发明的相控阵微波能量传送装置的又一操作实例的流程图。

具体实施方式

下面，将参照附图具体描述本发明的相控阵微波能量传送装置。

如图1所示，本发明的相控阵微波能量传送装置10包括分别与控制部11相连的扫描定位部12、微波能量传送控制部13和测温部14。该扫描定位部12、微波能量传送控制部13和测温部14共同连接到微波源16，该微波源16直接连接到相控阵天线部17和波带片发射部18。相控阵天线部17还与扫描定位部12和测温部14相连接。此外，控制部11还与一显示及存储部15相连接。

扫描定位部12利用微波透射原理或微波衍射原理，对探测区域内的特定目标(例如，人体内或动物体的特定组织，或者离体组织，或者植物体等等)进行扫描定位，获得该特定目标的空间位置信息和图像信息。或者，该扫描定位部12可以参照其他扫描定位设备(例如，超声设备、核磁共振设备等)的定位结果，获得该特定目标的位置和图像信息。

微波能量传送控制部13根据由扫描定位部12确定的该特定目标的位置信息，利用相控阵天线或波带片，进行微波能量的定向传送。测温部14采用常规的红外测温技术，或者微波测温技术，对所述特定目标进行实时测温，从而获得该特定目标的三维热分布图。当采用微波测温技术时，该测温部14利用比吸收率与温度成正比例的关系，将特定目标对于微波能量的比吸收率转换为温度。

微波源16是一种频率可调、输出波形可调的微波发生设备，可进一步包括扫频微波源和能量传输微波源，分别用于扫描定位部12的扫描成像和微波能量传送控制部13的微波传送。与微波源16相连接的相控阵天线部17和波带片发射部18用于向特定目标发射满足聚焦方向、功率大小、波形形状等要求的微波。

控制部11对本发明的相控阵微波能量传送装置10的各模块操作进行控制。此外，显示及存储部15用于以图形方式显示扫描定位、测温等结果，并对各种操作和测量数据进行存储。

下面，将分别对本发明的相控阵微波能量传送装置10的上述各模块的结构和操作，以及整体操作进行说明。

微波源

如图2所示，在优选实施例中，微波源16包括扫频微波源161和能量传输微波源162。该扫频微波源161与前述的扫描定位部12、微波能量传送控制部13、测温部14和相控阵天线部17相连接；而该能量传输微波源162与前述的微波能量传送控制部13、测温部14以及下述的相控阵天线部17和波带片发射部18相连接。

当本发明的相控阵微波能量传送装置10进行扫描定位操作时，使用所述扫频微波源161生成具有期望频率、脉冲宽度和功率的微波脉冲。该扫频微波源161利用一个(主频是915MHz)或两个(主频是915MHz、2450MHz)大功率微波源进行接力扫频覆盖，扫频范围是0.9～3.0GHz，扫频精度小于1KHz，并且所述该扫频微波源161的输出功率在100瓦到1000瓦范围内可调。考虑到扫频深度和不造成皮肤灼伤的要求，需要通过增大输出功率来增加微波穿透深度，通过减小脉冲宽度来降低能量吸收(例如，对人体进行照射时，可避免对人体表皮造成灼伤)。因此，扫频微波源161能够输出高峰值功率的窄脉冲，其中脉冲宽度在纳秒级。在此情况下，由前述的扫描定位部12根据扫描需求，对该扫频微波源161的扫频范围，扫频精度和输出功率进行控制。

而当本发明的相控阵微波能量传送装置10进行微波能量传输操作或者微波测温操作或者这两个操作同时进行时，则使所述能量传输微波源162生成具有期望频率、脉冲宽度和功率的微波脉冲或连续波。该能量传输微波源162选用一个以上半导体可扫频微波源接力覆盖，使微波频率范围从P波段达到K波段，即从230MHz-26.5GHz。输出功率可由毫瓦(mW)级经放大器放大至100瓦(100W)级。同时，在需要的情况下，可调用所述扫频微波源161兼做能量传输微波源，以达到最大输出功率达到千瓦(KW)级的要求。在此情况下，由前述的微波能量传送控制部13根据微波能量传送的需求，对该能量传输微波源162的发射频率、微波波形和输出功率等进行控制。

由微波源16生成的微波，将被通过波导管或微波发射器等传送至相控阵天线部17或波带片发射部18(将在下文中详述)。在主要以热疗为目的的情况下，将利用波带片发射部18进行微波的聚焦和发射，而在主要以非热效应为目的的情况下，将利用相控阵天线部17进行微波的发射。此外，当需要更大功率的能量传送时，也可同时将扫频微波源161和能量传输微波源162共同作为能量传输微波源使用。例如，在需要对某特定目标进行大功率微波加热的情况下，可以通过微波能量传送控制部13同时对扫频微波源161和能量传输微波源162的扫频范围、扫频精度和输出功率进行控制，并通过相应的微波发射装置(下文中将详细描述的相控阵天线部17和波带片发射部18)向该特定目标发射微波。

相控阵天线部

相控阵天线部17连接到前述扫频微波源161和能量传输微波源162以及扫描定位部12和测温部14。该相控阵天线部17用于在前述扫描定位部12和测温部14的控制下，向特定目标靶向地辐射特定聚焦方向、频率、功率、波形的电磁波，并接收电磁波经特定目标后的反射波(例如，在微波测温操作中)。

相控阵天线是通过移相器来控制阵列天线中各辐射单元的馈电相位，从而改变天线方向图形状的天线。本发明的相控阵天线部17可以配置为单区的结构，也可以配置为包括多个分区的结构。例如，相控阵天线部17可以配置为包括：A型矩形单面阵天线，其配置成128个以上的发射/接收组件，排列方式为(8*8)*n组；B型矩形单面阵天线，其配置成128个以下的发射/接收组件，排列方式为(4*4)*n组；C型拱形单面阵天线，其配置成128个以上的发射/接收组件。

上述单面阵天线的组合方式可以是，一个A型矩形单面阵天线搭配一个以上的B型矩形单面阵天线等其他可选的组合方式，并且各型天线均为可切换式。例如，一种单面阵天线是配有AA、AB、AC三个以上具有128个及以上波束的适应不同频率的共面阵天线，并且配有可切换的BA、BB、BC三个以上具有128个及以下波束的共面阵天线，其中各波束相位可以是相干和不相干。

通过这样的配置，本发明的相控阵天线部17可以实现多区域分别可控的技术效果。例如，可以仅选择开启相控阵天线的部分区域进行操作，而其余部分不工作；或者，可以控制相控阵天线的不同区域，以不同的频率、功率、波形来向不同的目标发射微波。

波带片发射部

除了使用上述的相控阵天线部17向特定目标发射微波外，本发明的相控阵微波能量传送装置10还可以通过波带片发射部18对微波进行聚焦和发射。该波带片发射部18连接到前述的能量传输微波源162，用于将来自该能量传输微波源162的受控微波聚焦并发射至特定目标。

所述波带片发射部18是利用波的衍射特性对波束进行相干叠加，来达到对靶向目标进行聚焦辐射。针对不同频率的微波，本发明的波带片发射部18实质上包括了多个波带片，每一波带片针对一特定频率的微波。

波带片的原理如图3所示：

以聚焦点P₀为中心，以r₁，r₂…r_N为半径作出一系列球面，其中，

$r_1=z_1+\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

$r_2=z_1+\frac{2\mathrm{\λ}}{2}$

……

$r_N=z_1+\frac{\mathrm{N\λ}}{2}$

波带片第j个波带外缘半径为：

${\mathrm{\ρ}}_j=\sqrt{j{z}_1\mathrm{\λ}}$

其中z₁为焦距，为了克服微波波段波带片尺寸(∝λ)较大的限制，技术上可采用机械臂等方法，通过减小焦距达到减小波带片尺寸的目的。

按照波的叠加原理，P₀点波场强度是各个环带在这点产生的波强度之和：

$E=\left|{\tilde{E}}_1\right|-\left|{\tilde{E}}_2\right|+\left|{\tilde{E}}_3\right|-\left|{\tilde{E}}_4\right|+...-{(-1)}^N\left|{\tilde{E}}_N\right|$

当N→∞(相当于波无遮挡情况)时，

$\tilde{E}={\tilde{E}}_1/2$

利用上述原理制作特殊的波阑：使偶(奇)数波带全被阻，奇(偶)数波带全畅通，各通光波带复振幅将同相位叠加，呈现纯相长干涉，P₀的振幅和波强会大大增加。例如一张开放第1，3，5，...，19等十个奇数带的波带片，设无遮挡时P₀点的波振幅为

按半波带法可以确定主焦点的振幅为

$\left|\tilde{E}\right|=\left|{\tilde{E}}_1\right|+{|\tilde{E}}_3|+\·\·\·+|{\tilde{E}}_{19}|\≈10|{\tilde{E}}_1|=20|{\tilde{E}}_{\∞}|$

波强度为

$I\≈{\left(20{\tilde{E}}_{\∞}\right)}^2=400I_{\∞}$

即波强是无遮挡情况的400倍。

通过该波带片发射部18，可以将来自能量传输微波源162的受控微波聚焦至期望的聚焦尺寸，从而对特定目标进行照射。

扫描定位部

扫描定位部12连接到控制部11、相控阵天线部17和扫频微波源161，用于利用微波透射原理或衍射原理，对特定目标进行扫描定位。此外，该扫描定位部12对相控阵天线部17的发射方向、发射相位等进行控制。

这里所说的“特定目标”可以是人体或动物体内的特定组织(例如病变区域，肿瘤等等)，各种生物离体组织、植物等等。在下文中，将分别对微波透射型扫描定位部12A(利用微波透射原理实现)和微波衍射型扫描定位部12B(利用微波衍射原理实现)的原理、结构和操作进行描述。

微波透射型扫描定位部12A利用微波透射原理，通过比较入射特定目标前的入射电磁波信号与透射过特定目标后的透射电磁波信号的振幅和相位，使特定目标对电磁波的电学常数图像化。此外，该微波透射型扫描定位部12A还应用了相控阵技术，即，通过控制相控阵天线部17的天线阵分块来实现多波束发射和聚焦，并且通过调整天线单元的相位，实现微波波束方向的精确调节。

在所述特定目标是生物体组织的情况下，微波透射型扫描定位部12A通过比较入射被检生物体组织前和透过被检生物体组织后的微波电磁信号的振幅和相位变化，来计算被检生物体组织的电磁波的电学常数的分布，从而进行对被检生物体的图像重构。

具体地，利用前述控制相控阵天线部17，可直接测出由微波源16发出的微波透过被检生物组织后的振幅衰减常数α，以及相位常数β。设被检生物组织的介电常数为ε，电导率为σ，磁导率为μ，微波(角)频率为ω，则微波透过被检生物组织后上述参数满足：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\α}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}}$ (式1)

$\mathrm{\σ}=\frac{2\mathrm{\α\β}}{\mathrm{\ω\μ}}$ (式2)

根据上式(1)和(2)，即可计算出被检生物组织的介电常数ε和电导率σ(其中μ≈μ₀＝1)。由于上述电学常数ε和σ因特定目标的不同而不同，所以电学常数的分布就构成了不同被检生物组织的形态图像。

由此，微波透射型扫描定位部12A即完成了通过测量特定目标的电学常数，而重构该被检生物组织的图像的操作。根据由此获得的图像，可以清楚地分辨出感兴趣的被检生物组织，得到该被检生物组织的空间位置参数。例如，如果本发明的相控阵微波能量传送装置10应用于医疗检测，由于病变组织(例如，癌细胞)的介电常数显著区别于周边正常组织，即可从上述获得的图像中将该病变组织从周边正常组织区分开。

还可以利用微波衍射原理，将本发明的扫描定位部12实现为微波衍射型扫描定位部12B。该微波衍射型扫描定位部12B利用微波衍射和散射原理，结合全息照相的原理，对特定目标进行成像。本发明的微波衍射型扫描定位部12B的成像原理如下所述。

微波衍射型扫描定位部12B的成像原理主要是根据投射到衍射屏上的微波信号与参考微波信号的相位关系，经过计算得到特定目标(例如生物体)内任意断面上的影像。设经过特定目标衍射出的物波强度为：

(式3)

参考波强度为

(式4)

其中a₀(x，y)，

和a_r(x，y)，

分别是衍射波和参考波的振幅和相位，衍射波中带有特定目标内各个断层的信息(相位和振幅都不一样)。两者投射到衍射屏上波强叠加，衍射屏上各点的和波强为：

(式5)

第一、二项是一个平均强度，第三项中包含特定目标的相位信息，当参考波相位信息一定时，对于特定目标的不同部分，第三项中的相位将不同，以此获取特定目标不同断面上的图像信息。

根据全息原理，用一束与参考波相干的波束照射衍射屏形成的衍射底片进行物波的再现。相干波照射全息底片时发射衍射，该衍射波包含原来的物波。其投射系数(线性变化材料)是：

$t=k_0+k_{1}I=$

(式6)

$(k_0+k_1{\left|{\tilde{E}}_r\right|}^2)+k_1({\left|{\tilde{E}}_0\right|}^2+{\tilde{E}}_r^{*}{\tilde{E}}_0+{\tilde{E}}_r{\tilde{E}}_0^{*})$

若全息再现所用的照射波与全息记录时所用的参考波完全相同，即

则透过全息底片的波强度为

$E^{\′}(x,y)=t{\tilde{E}}_r(x,y)$ (式7)

$=\{k_0+k_1{\left|{\tilde{E}}_r\right|}^2\}{\tilde{E}}_r+k_1{\left|{\tilde{E}}_0\right|}^2{\tilde{E}}_r+k_1{\left|{\tilde{E}}_r\right|}^2{\tilde{E}}_0+k_1{\tilde{E}}_r^2{\tilde{E}}_0^{*}$

在式(7)中，第一、二项与物波无关，第三项与原物波完全相同的重现物波，在原物位置得到物的虚像，如图4所示，其中A为虚像，A’为实像，a为-1级，b为0级，c为+1级，B为再现波束，C为全息照片，以及D为观察方向。

由于微波和可见光都是电磁波，因此，上述的光学全息原理也同样适用于微波。差别仅在于，在使用微波全息成像的情况下，肉眼无法辨识所成的虚像，而需要由图像处理器对该虚像进行重构。

如图5所示，本发明的微波衍射型扫描定位部12B包括分束板121B、第一全反射镜122B、第一扩束镜123B、全息干板124B、第二扩束镜125B、第二全反射镜126B以及图像处理器127B。来自上述相控阵天线部17的微波发射到分束板121B，该微波经分束板121B分束后，其中一束微波作为物波，由第一全反射镜122B反射再经第一扩束镜123B扩束后照射在被检生物体120B上，并发生衍射，经被检生物体120B衍射后的微波照射在全息干板124B上；而经所述分束板121B分束后的另一束微波作为参考波，由第二全反射镜126B反射再经第二扩束镜125B扩束后，照射在全息干板124B上，与上述照射在全息干板124B上的物波相干涉。全息干板124B将接收到的相干微波信号发送给图像处理器127B，该图像处理器127B利用相干微波电信号和上述参考波电信号重构上述被检生物体120B的图像。

作为本发明的扫描定位部12的另一实施方式，上述微波衍射型扫描定位部12B即完成了对特定目标的成像操作。根据由此获得的特定目标的图像，可以清楚地分辨出感兴趣的特定目标(例如，病变组织、肿瘤等)，并得到该特定目标的空间位置参数。

此外，本发明的扫描定位部12也可以参照其他扫描定位设备(例如，超声设备、核磁共振设备等)的定位结果(即，空间位置参数)，获得该特定目标的位置信息和图像信息。通过这种参照，可以显著地减少本发明的扫描定位部12的运算处理量。上述的其他扫描定位设备的定位结果可以例如通过控制部11提供给扫描定位部12。

本发明的扫描定位部12的另一功能是查找特定目标的共振频率。该扫描定位部12控制微波源16发出不同频率的微波，通过相控阵天线部17定向发射到特定目标；同时，由下述的测温部14实时地测量该特定目标的温度。在特定目标的温度出现最大值时，即可判定此时的微波频率即为该特定目标的共振频率。

微波能量传送控制部

本发明的微波能量传送控制部13连接到前述能量传输微波源162和控制部11，用于在控制部11的控制下，指令微波源16发出具有合适频率、功率、波形的微波，从而根据由前述扫描定位部12确定的特定目标的空间位置参数，通过前述波带片发射部18或相控阵天线部17向该特定目标发射微波，传送微波能量。

微波对生物组织作用的特点是：随着频率的升高，加热的深度变浅，而随着频率的降低，加热的深度变深。

此外，根据一优选实例，该微波能量传送控制部13指令微波源16生成具有由扫描定位部12确定的所述特定目标的共振频率的微波。

测温部

本发明的测温部14连接到控制部11、扫频微波源161和相控阵天线部17，用于以无损方式测量特定目标的温度。

作为一个例子，该测温部14也可以是红外线测温部。红外线测温部适于生成浅表生物组织(例如，人体皮肤)的实时温度图。

或者，该测温部14也可以通过微波测温的方式实现，通过计算比吸收率，再将特定目标(生物体、离体组织等)所吸收的能量转换为实际温度值，可得到特定目标不同组织的温度。

生物组织吸收的电磁总功率P_at与生物系统的总质量m_t之比(单位质量吸收的功率)为生物体的比吸收率：

${\mathrm{SAR}}_a=\frac{P_{\mathrm{at}}}{m_t}(W/\mathrm{kg})$ (式8)

因为能量与温度是成正比的，即：

w∝kT    (式9)

其中k为玻尔兹曼常数。

而生物体的比吸收率实际就是生物体单位质量(Δm)在单位时间(Δt)吸收的微波能量，即：

W＝SAR*Δt*Δm    (式10)

结合上述式9和式10，可得：

SAR*Δt*Δm∝k*T    (式11)

结合上式11和式8，可得：

P/m*Δt*Δm∝k*T    (式12)

对于相同的生物体组织(即，m相同)，照射不同的电磁功率P1和P0，会造成该生物体组织不同的温度T1和T0；根据上式(12)，P1、P0、T1和T0满足下式：

P1/P0＝T1/T0    (式13)

在所述特定目标是人体组织的情况下，通过向标准人体模型输入一吸收功率P0，即可得到该人体组织的温度T0；然后，以此P0和T0作为参考值，根据上式(11)，即可计算出在该人体组织吸收了微波能量P1(由能量传输微波源162生成微波，并通过相控阵天线部17发射)后的温度T1。

关于人体组织吸收的能量P1，在使用相控阵天线部17进行微波发射的情况下，可以通过比较“相控阵天线部17发射的能量”和“该相控阵天线部17接收到的回波能量”而简单地得出(即，二者之间的差值)，并经过与标准人体模型用有限差分法得出的SAR进行修正而得到。而在使用波带片发射部18进行微波发射的情况下，可以由相控阵天线部17检测从特定目标(目标人体组织)反射回的回波能量，并通过比较“波带片发射部18发射的能量”和“该相控阵天线部17接收到的回波能量”而简单地得出(即，二者之间的差值)，并经过与标准人体模型用有限差分法计算得出的SAR进行修正而得到。

应当注意的是，测温部14的测温操作是伴随着微波能量传送控制部13控制下的微波能量传送而实时地进行的。例如，在本发明的相控阵微波能量传送装置10向特定目标进行微波加热的情况下，须实时地测量该特定目标的温度，以确保温度不会变得过高。

控制部

本发明的控制部11控制本发明的相控阵微波能量传送装置10的整体操作。具体流程，将在下文中描述。

显示及存储部

本发明的显示及存储部15用于以图像化的形式，对由扫描定位部12对特定目标的成像，以及由测温部14测定的实时温度图像进行显示。此外，该显示及存储部15还对扫描定位部12、微波能量传送控制部13和测温部14的各项测量数据、控制数据等进行存储。

下面，将对本发明的相控阵微波能量传送装置10的优选实例及其操作进行说明。

实例1

本实例的操作步骤可大致分为：初始化、扫描定位、加热方案确定、微波发射参数确定、微波发射、温度监测与判断、热疗/非热疗时间的判定与控制、结束等步骤。

下面，以本发明的相控阵微波能量传送装置10用于对生物体的特定目标进行扫描定位和加热为例，说明本发明的相控阵微波能量传送装置10的操作实例1。

如图6所示，首先，在初始化步骤S11：本发明的相控阵微波能量传送装置10开始操作，扫描定位部12首先参照其他检测设备，如B超机、X光机、核磁共振机等的初步检测结果，确知生物体内感兴趣的特定目标的大致位置。

随后，在扫描定位步骤S12：扫描定位部12(例如，以上文所描述的微波透射原理实现的微波透射型扫描定位部12A为例)对特定目标的上述大致位置进行扫描，并最终得到该特定目标的重构图像和精确空间位置参数(例如，三维坐标)。该特定目标的重构图像和该精确空间位置参数被发送给控制部11。

接着，进入热疗方案确定步骤S13：根据该特定目标的特性(例如，肿瘤的类型、位置等等)，控制部11生成该特定目标的预期温度和预期加热时间，以及针对该特定目标的热疗用微波的功率、波形和频率。

随后，在热疗微波生成步骤S14，控制部11将在步骤S13中确定的热疗用微波的功率、波形和频率发送给微波能量传送控制部13。该微波能量传送控制部13在接收到来自控制部11的信息后，控制微波源16的能量传输微波源162生成具有该设定功率、波形、频率的热疗用微波。

在热疗微波发射步骤S15，将该热疗用微波通过波带片部18发射到由扫描定位部12确定的该特定目标的精确空间位置处。

测温部14测量所述特定目标的实时温度，并将所测量的温度发送给微波能量传送控制部13。在热疗温度判定步骤S16，微波能量传送控制部13判断特定目标是否达到控制部11在步骤S13中所设定的加热方案的预期温度(微波测温的具体过程及计算方法，请参见上文中对于“测温部14”的描述)。如果特定目标没有达到该预期温度，则流程返回步骤S14，由微波能量传送控制部13控制增大微波发射功率或增大脉冲频率；而如果特定目标已经达到该预期温度，则在热疗时间判定步骤S17中判断是否到达在步骤S13中所设定的加热方案的预期加热时间。如果判定已经达到所述的预期加热时间，则流程在结束步骤S22结束；否则，流程返回步骤S17。

此外，上述整个流程的各步骤的参数，都被记录在前述显示及存储部15中，并由该显示及存储部15以图像化的形式显示出。

实例2

本发明的相控阵微波能量传送装置10的操作实例2与上述实例1的不同之处仅在于：在步骤S12和S13之间，增加了一个共振频率确定步骤S25(参见图7)，其中控制部11控制所述微波能量传送控制部13和测温部14共同判定所述特定目标的共振频率。

在共振频率确定步骤S19中，微波能量传送控制部13控制能量传输微波源162生成一系列在预设频段内频率连续增大的低功率微波，并将该微波通过相控阵天线部17发射至由扫描定位部12在步骤S12中确定的特定目标的精确空间位置处。同时，测温部14实时地对所述特定目标进行测温，并将频率-温度关系发送给控制部11。当所述低功率微波完成在预设频段内的扫频之后，控制部11即可根据所得的频率-温度关系，找出对应于特定目标的最高温度的那个频率，即为该特定目标的共振频率。

在之后的S14(确定热疗用微波参数)步骤中，可以直接采用在步骤S19中确定的该特定目标的共振频率，以达到最佳的热疗/非热疗效果。

实例3

在上述各实例中，都是以对生物组织的热疗、灭活为主要目的而进行操作。但是，对于某些特殊位置处的生物组织(例如，复杂血管结构附近的病灶组织)进行热疗，有可能存在安全方面的担心。在这种情况下，可以利用微波对生物体的非热效应，对该生物组织进行微波照射，使其产生非热效应(如细胞膜穿孔，易于药物导入，切断DNA等)。

如图8所示，在本实例中，增加了非热疗方式的判断。例如，在所述治疗方案确定步骤S13中：控制部11进一步确定采取热疗方式还是非热疗方式，以及确定用于非热疗方式的非热疗用微波的功率、波形、频率及脉冲方式。

如果控制部11确定采取非热疗方式，则流程在下一步进入非热疗微波生成步骤S18，其中控制部11将该决定发送给微波能量传送控制部13。该微波能量传送控制部13在接收到来自控制部11的该决定(非热疗)后，控制微波源16的能量传输微波源162生成具有所述功率、波形、频率及脉冲方式的非热疗用微波。

在随后的非热疗微波发射步骤S19，将该非热疗用微波通过相控阵天线部17发射到由扫描定位部12确定的特定目标的精确空间位置处。在非热疗温度判定步骤S20，微波能量传送控制部13判断特定目标是否达到加热方案的预期温度(微波测温的具体过程及计算方法，请参见上文中对于“测温部14”的描述)。如果特定目标没有达到该预期温度，则流程返回步骤S18，由微波能量传送控制部13控制增大微波发射功率；而如果特定目标已经达到该预期温度，则在非热疗时间判定步骤S21中判断是否到达在在步骤S13中所设定的加热方案的预期加热时间。如果判定已经达到所述的预期加热时间，则流程在结束步骤S22结束；否则，流程返回步骤S21。

应当注意的是，热效应和非热效应总是同时出现的。在上述采取非热疗方式的情况下，仅仅是将治疗温度设定为低于热疗时的治疗温度。例如，在热疗方案中，为了有效地灭活或使病灶细胞凝固，通常采用例如50度以上的高温(有文献报道，用植入式微波天线治疗乳腺癌和肝癌时，用60-90℃高温将其热凝固)；而在非热疗方案中，为了确保治疗的安全性，可以将治疗温度设置在例如40度左右(对于距离体表深度超过15cm的恶性病灶或者实际热疗治疗时不能使病灶温区度升高至42.5℃以上的患者以及在热疗间歇期的患者，以及骨癌无法耐受热疗引发骨痛的患者，可以采取微波非热治疗方案)。

实例4

本发明的相控阵微波能量传送装置10的操作实例4区别于上述实例1-3在于：在热疗方案确定步骤S13中确定的热疗用微波的频率为多个频率，而非单频。对热疗目标设置多个热疗微波频率的优点是：避免组织细胞对单一频率微波产生的耐受性，从而更有效地进行灭活。

在此情况下，可利用相控阵天线部17的不同分区，将具有不同频率的热疗用微波分别发射至特定目标。在这种多频微波照射下，可更有效地灭活例如癌细胞等组织。

实例5

在上述各个实例中，都是利用相控阵天线部17(以热疗为主)或者利用波带片发射部18(以非热效应为主)，将由能量传输微波源162生成的微波发射至特定目标。

而在本实例5中，期望以较大的功率进行能量传送。在此情况下，将利用相控阵天线部17和波带片发射部18同时对特定目标进行微波能量传送。例如，参考图2，在微波能量传送控制部13的控制下，扫频微波源161和能量传输微波源162二者都生成期望的微波；然后，将由扫频微波源161生成的微波经由相控阵天线部17、将由能量传输微波源162生成的微波经由波带片发射部18，发射至特定目标，以达到大功率加热的效果。

以上示例性实施例仅仅是用于阐明本发明的原理，而并非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不背离本发明所揭示的精神和原理的范围内，可以对本发明做出各种改进，而不会超出由权利要求书限定的范围。

Claims (24)

1.一种相控阵微波能量传送装置，包括：

控制部；

分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部；

微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及

相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部；

其中，所述扫描定位部对特定目标进行扫描定位，以获得该特定目标的空间位置信息和图像信息，并将该空间位置信息和图像信息发送给所述控制部；

所述微波能量传送控制部根据由所述控制部确定的加热方案，确定待发射微波的频率、功率和波形；

所述测温部对所述特定目标实施测温，并将测温结果发送给所述控制部；

所述微波源根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率和波形的待发射微波；

所述相控阵天线部和/或所述波带片发射部，在所述微波能量传送控制部的控制下，根据由所述扫描定位部获得的所述特定目标的空间位置信息，向该特定目标发射由所述微波源生成的具有所述频率、功率、波形的待发射微波。

2.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，还包括一显示及存储部，用于以图像化的形式，对由所述扫描定位部获得的所述特定目标的图像信息和由所述测温部的测温结果进行显示；并且，该显示及存储部还对由所述扫描定位部获得上述特定目标的空间位置信息和图像信息以及由所述测温部的测温结果进行存储。

3.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述微波源包括一扫频微波源和一能量传输微波源；

所述扫频微波源连接至所述扫描定位部、微波能量传送控制部和相控阵天线部，用于根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率、波形的待发射微波；

所述能量传输微波源连接至所述微波能量传送控制部、测温部和波带片发射部，用于根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率和波形的待发射微波。

4.如权利要求3所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述扫频微波源生成频率连续变化的微波，通过所述相控阵天线部发射到所述特定目标的空间位置；同时，所述测温部实时地测量该特定目标的温度，在该特定目标的温度出现最大值的时候，判定此时的微波频率为该特定目标的共振频率，作为待发射微波的所述频率。

5.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述相控阵天线部具有多个分区，用于同时向所述特定目标发射不同频率的微波。

6.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其中，所述测温部根据下式，对所述特定目标实施测温：

P1/P0＝T1/T0；

其中，P0是向一标准人体模型中与所述特定目标相对应的部分输入的微波能量；T0是该标准人体模型的该相对应的部分在吸收了P0后的温度；P1是所述特定目标吸收的微波能量；T1是所述特定目标在收了P1后的温度。

7.如权利要求6所述的相控阵微波能量传送装置，其中，由所述相控阵天线部向该特定目标发射由所述能量传输微波源生成的具有所述频率、功率、波形的微波，并且该相控阵天线部还检测从该特定目标反射回的回波信号。

8.如权利要求6所述的相控阵微波能量传送装置，其中，由所述波带片发射部向该特定目标发射由所述能量传输微波源生成的具有所述频率、功率、波形的微波，并且所述相控阵天线部检测从该特定目标反射回的回波信号。

9.如权利要求6所述的相控阵微波能量传送装置，其中，由所述相控阵天线部向该特定目标发射由所述扫频微波源生成的具有所述频率、功率、波形的待发射微波；同时，由所述波带片发射部向该特定目标发射由所述能量传输微波源生成的具有所述频率、功率、波形的待发射微波；并且，所述相控阵天线部还检测从该特定目标反射回的回波信号。

10.如权利要求7所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述特定目标吸收的微波能量P1是所述相控阵天线部向该特定目标发射的微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

11.如权利要求8所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述特定目标吸收的微波能量P1是所述波带片发射部向该特定目标发射的微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

12.如权利要求9所述的相控阵微波能量传送装置，其中，

所述特定目标吸收的微波能量P1是所述波带片发射部和所述相控阵天线部向该特定目标发射的微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

13.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其中，所述测温部是红外测温装置。

14.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其中，所述波带片发射部具有分别对应于不同发射频率的多个波带片。

15.一种相控阵微波能量传送方法，包括：

初始化步骤S11，确定特定目标的大致位置；

扫描定位步骤S12，对所述特定目标的上述大致位置进行微波扫描，以得到该特定目标的重构图像和精确空间位置；

治疗方案确定步骤S13，确定对于该特定目标的待发射微波的设定频率、功率和波形以及所述特定目标的预期温度和预期加热时间；

热疗微波生成步骤S14，生成具有所述设定功率、波形、频率的热疗用微波；

热疗微波发射步骤S15，将该热疗用微波发射到所述特定目标的上述精确空间位置；

热疗温度判定步骤S16，判断所述特定目标是否达到所述预期温度；以及

热疗时间判定步骤S17，判断是否到达所述预期加热时间；

其中，如果所述特定目标没有达到所述预期温度，则增大微波发射功率或增大脉冲频率，并重复执行所述热疗温度判定步骤S16；

其中，如果还未达到所述预期加热时间，则重复执行所述热疗时间判定步骤S17。

16.如权利要求15所述的相控阵微波能量传送方法，在所述扫描定位步骤S12和所述治疗方案确定步骤S13之间，还包括一共振频率确定步骤S25，在该步骤中：

生成一系列在预设频段内频率连续增大的低功率微波，并将该微波通过所述波带片发射至所述特定目标的所述精确空间位置；

测量所述特定目标在不同频率下的温度；以及

确定对应于该特定目标的最高温度的频率为该特定目标的共振频率。

17.如权利要求15所述的相控阵微波能量传送方法，其中，在治疗方案确定步骤S13中，进一步确定对于该特定目标是否执行非热疗方式；

在确定对于该特定目标执行非热疗方式的情况下，在所述治疗方案确定步骤S13中，进一步确定用于非热疗方式的非热疗用微波的功率、波形、频率；并且，所述相控阵微波能量传送方法在所述治疗方案确定步骤S13之后还包括：

非热疗微波生成步骤S18，生成具有所述设定功率、波形、频率的非热疗用微波；

非热疗微波发射步骤S19，将该非热疗用微波通过相控阵天线发射到所述特定目标的上述精确空间位置；

非热疗温度判定步骤S20，判断所述特定目标是否达到所述预期温度；以及

非热疗时间判定步骤S21，判断是否到达所述预期加热时间；

其中，如果所述特定目标没有达到所述预期温度，则增大微波发射功率，并重复执行所述非热疗温度判定步骤S20；并且

其中，如果还未达到所述预期加热时间，则重复执行所述非热疗时间判定步骤S21。

18.如权利要求15所述的相控阵微波能量传送方法，其中，由一波带片发射部向该特定目标发射所述热疗用微波，并且由一相控阵天线部检测从该特定目标反射回的回波信号。

19.如权利要求17所述的相控阵微波能量传送方法，其中，由一相控阵天线部向该特定目标发射所述非热疗用微波，并且该相控阵天线部还检测从该特定目标反射回的回波信号。

20.如权利要求15所述的相控阵微波能量传送方法，其中，由一相控阵天线部和一波带片发射部二者向该特定目标发射所述非热疗用微波，并且该相控阵天线部还检测从该特定目标反射回的回波信号。

21.如权利要求18所述的相控阵微波能量传送方法，其中，在所述热疗温度判定步骤S16中，根据下式，对所述特定目标实施测温：

P1/P0＝T1/T0；

其中，P0是向一标准人体模型中与所述特定目标相对应的部分输入的微波能量；T0是该标准人体模型的该相对应的部分在吸收了P0后的温度；P1是所述特定目标吸收的微波能量；T1是所述特定目标在收了P1后的温度，

其中，所述特定目标吸收的微波能量P1是所述波带片发射部向该特定目标发射的所述热疗用微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

22.如权利要求19所述的相控阵微波能量传送方法，其中，在所述热疗温度判定步骤S16或所述非热疗温度判定步骤S20中，根据下式，对所述特定目标实施测温：

P1/P0＝T1/T0；

其中，P0是向一标准人体模型中与所述特定目标相对应的部分输入的微波能量；T0是该标准人体模型的该相对应的部分在吸收了P0后的升温；P1是所述特定目标吸收的微波能量；T1是所述特定目标在收了P1后的升温，

其中，所述特定目标吸收的微波能量P1是所述相控阵天线部向该特定目标发射的所述非热疗用微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

23.如权利要求20所述的相控阵微波能量传送方法，其中，在所述热疗温度判定步骤S16中，根据下式，对所述特定目标实施测温：

P1/P0＝T1/T0；

其中，P0是向一标准人体模型中与所述特定目标相对应的部分输入的微波能量；T0是该标准人体模型的该相对应的部分在吸收了P0后的温度；P1是所述特定目标吸收的微波能量；T1是所述特定目标在收了P1后的温度，

其中，所述特定目标吸收的微波能量P1是所述相控阵天线部和所述波带片发射部向该特定目标发射的所述热疗用微波的能量与该相控阵天线部接收到的所述回波信号的能量两者之差。

24.如权利要求15或17所述的相控阵微波能量传送方法，其中，

在所述热疗温度判定步骤S16和所述非热疗温度判定步骤S20中，利用一红外测温装置检测所述特定目标的温度。

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