CN105816240A - 用于微波消融的天线组件及采用其的微波消融针 - Google Patents

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Abstract

一种用于微波消融的天线组件，包括：辐射器，用于将用于消融的微波发射出去；同轴线，用于将微波发生器产生的所述用于消融的微波传输给所述辐射器；其特征在于，在所述同轴线的外围设置有一个环状复合结构，用于抑制沿所述同轴线反向传播的电磁波，其中，所述环状复合结构包括一环状非金属层及位于所述环状非金属层外的一环状金属层，所述环状金属层与所述同轴线电绝缘。以及一种采用其的微波消融针。本发明的环状复合结构能有效地抑制沿同轴线外壁后向传输的微波，且不需要在辐射区填充稳定介质，允许循环水进入辐射区，能够有效控制消融针头部的温度，避免温度过高烧坏消融针及医疗事故。

Description

用于微波消融的天线组件及采用其的微波消融针
技术领域
本发明涉及微波治疗设备技术领域，更具体地涉及一种用于微波消融的天线组件及采用其的微波消融针。
背景技术
近年来，微波消融逐渐成为治疗肝癌的重要的治疗手段之一。微波消融是利用微波在极性分子，如水中的热效应，使病变区域瞬间达到很高的温度，组织凝固，脱水坏死，从而达到治疗的目的。
从微波天线设计上说，目前市场上主流的消融针有两种：一种是未采用扼流技术的消融天线，例如公开号为CN103142307A的中国专利申请公开；另一种是采用扼流环(槽)的消融天线，例如公开号为CN104688335A的中国专利申请公开，其主体结构如图1所示。
在未采取扼流技术的情况下，部分微波会沿着同轴线外导体的外表面向后“逃逸”，从而导致消融区成椭球形。采用扼流环(槽)技术的消融天线能有效抑制微波反向逃逸，获得较圆的消融区，但为了稳定扼流环(槽)的性能，需要在天线的辐射区填充对温度稳定的高介电常数介质，从而导致循环水无法到达消融针的头部。针头部温度过高容易烧坏消融针，甚至可能引起消融针爆裂，导致医疗事故。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于微波消融的天线组件及采用其的微波消融针。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种用于微波消融的天线组件，包括：
辐射器，用于将用于消融的微波发射出去；
同轴线，用于将微波发生器产生的所述用于消融的微波传输给所述辐射器；
其中，在所述同轴线的外围设置有一个环状复合结构，用于抑制沿所述同轴线反向传播的电磁波，其中，所述环状复合结构包括一环状非金属层及位于所述环状非金属层外的一环状金属层，所述环状金属层与所述同轴线电绝缘。
作为优选，相对以辐射器方向作为前端，反方向为末端，所述环状复合结构中的所述金属层的长度L1、馈电点到所述金属层末端的距离L2之间满足如下关系：
∈ 1 L 1 - ∈ 2 [ L 2 - ( L 1 - L 2 ) ] ≈ C / 2 f - - - ( 1 )
其中∈1是人体组织的介电常数，∈2是所述冷却水通道所用材料的介电常数，C是真空光速，f是微波频率；上述公式两边的差值在±20％以内。
作为优选，所述金属层前端到所述辐射器最前端距离L3与所述L1还满足以下关系：
L1≈L3(2)
其中，上述公式两边的差值在±20％以内。
作为优选，所述环状金属层的材料为铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌或其合金。
作为优选，所述环状复合结构的总厚度在0.001～2mm范围之间。
作为优选，对于频率为2.45GHz的天线组件，所述环状金属层的长度L1为5～25mm。
作为优选，所述天线组件还包括冷却通道，用于对所述辐射器进行冷却；其中，优选能够将冷却介质输送到所述辐射器最前端，从而对整个所述辐射器进行冷却。
作为优选，所述冷却通道为非金属材质，优选由PTFE材料制成。
作为优选，所述环状金属层通过将加工成薄层的金属箔包裹或粘贴在环绕设置在所述同轴线外围的所述冷却通道的外壁，或者通过溅镀工艺、电镀或化学镀工艺在环绕设置在所述同轴线外围的所述冷却通道的外壁上形成，从而所述环状金属层与所述非金属材质的冷却通道共同构成所述环状复合结构或所述环状复合结构的一部分。
作为优选，所述天线组件的辐射区未填充任何相对于真空的相对介电常数在25以上的高介电常数固体介质。
作为优选，所述辐射器为金属“帽”或同轴线内芯的延长段。
作为优选，所述天线组件还包括温度探测器，用于对所述辐射器的温度进行检测。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种微波消融针，所述微波消融针包含有如上所述的天线组件。
基于上述技术方案可知，本发明的天线组件和微波消融针具有如下有益效果：(1)环状复合结构能有效地抑制沿同轴线和进水管外壁后向传输的微波；(2)采用环状复合结构扼流技术，不需要在辐射区填充稳定介质，允许循环水通过环状复合结构(扼流结构)进入辐射区，能够有效控制消融针头部和针杆的温度，避免温度过高烧坏消融针及医疗事故。
附图说明
图1是现有技术的用于微波消融的天线组件的主体结构示意图；
图2是本发明的用于微波消融的天线组件的主体结构示意图；
图3和图4分别是无环状复合结构和有环状复合结构两种情况下的消融天线吸收场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种用于微波消融的天线组件，该天线组件包括辐射器和同轴线，其中辐射器，用于将用于消融的微波发射出去；同轴线，用于将微波发生器产生的用于消融的微波传输给辐射器；其中，在同轴线的外围设置有一个环状复合结构，用于抑制沿同轴线反向传播的电磁波，该环状复合结构包括一环状非金属层及位于该环状非金属层外的一环状金属层，该环状金属层与同轴线电绝缘。作为优选，该环状复合结构可以仅包括上述两层，也可以还包括更多层，比如在环状金属层外还有一非金属层。
该环状金属层可以选用各种导电金属制成，例如铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌或其合金，其中优选采用铜，例如铜箔、溅镀铜或镀敷铜材料，例如将加工成薄层的金属箔包裹或粘贴在非金属层的外壁，或者通过溅镀等工艺在非金属层外表面形成薄金属层，或者通过电镀或化学镀等工艺在非金属层外表面形成薄金属层。该环状金属层的形状随着进水管的外形而变化，通常为圆环状，其厚度在0.001～2mm范围之间，优选为0.05mm；长度不限，但优选为沿同轴线向后传播的电磁波的半个波长(在人体组织中)左右，对于频率2.45GHz，长度为5～25mm范围之间，优选为11mm。
该环状复合结构可以设置为环绕同轴线的一个环，可以紧贴同轴线设置，也可以保持一段距离，例如同轴线直径的一倍距离，但必须保证该环状复合结构中的环状金属层与同轴线保持电绝缘。该环状复合结构的总厚度优选在0.001～2mm范围之间。作为一个优选实施方式，在同轴线外可以采用环绕的非金属软管形式形成冷却通道，该冷却通道用于在内壁间隙通过流入的冷却介质，外壁间隙通过流出的冷却介质，该冷却介质用于对包括辐射器的辐射区的部分或全部进行冷却；在这种情况下，可以利用该冷却通道作为该环状复合结构的非金属层，在其外表面设置一金属层来共同构成该环状复合结构。在一优选实施例中，该冷却通道为PTFE(聚四氟乙烯)材质，为了增强其强度，在接出段可以采用不锈钢管，但环状金属层必须形成在该PTFE材质的冷却通道外表面上。
作为本发明的又一个创新点，在本发明的天线组件的辐射区可以不填充任何高介电常数介质，例如氧化锆等相对于真空的相对介电常数在25以上的高介电常数陶瓷材料。
在上述天线组件中，辐射器可以为金属“帽”，例如铜“帽”，也可以直接为同轴线的内芯延长段，具体使用时两者采用等长的设计。
当以辐射器方向，即该天线组件的头部方向作为前端，与之相反的方向作为末端，则该环状金属层长度L1、馈电点与环状金属层末端距离L2之间大致满足如下关系：
∈ 1 L 1 - ∈ 2 [ L 2 - ( L 1 - L 2 ) ] ≈ C / 2 f - - - ( 1 )
其中，∈1是人体组织的介电常数，∈2是环状非金属层所用材料的介电常数，C是真空光速，f是微波频率。上述公式两边差别在±40％以内，优选在±20％以内。
进一步地，该环状金属层长度L1与环状金属层前端到辐射器前端距离L3之间大致满足如下关系：
L1≈L3(2)
其中，上述公式两边差别在±40％以内，优选在±20％以内。
由于上述天线设计允许冷却介质，例如循环水到达天线头部(铜帽)，当消融开始一段时间后天线周围人体组织被碳化，介电常数降低后，循环水代替人体组织将∈1保持在较高的数值上，从而使式(1)继续成立，维持着天线的扼流性能；从而采用环状复合结构扼流后，该天线组件相当于对称全波振子天线，其近场分布比半波振子天线更加均匀。
在一个优选实施例中，该天线组件还包括温度探测器，用于对辐射器的温度进行检测；在此情况下，该温度探测器优选与控制电路相连，当监测到温度超过一定阈值时，例如采用加大冷却通道中冷却介质的流速，降低辐射器发射功率等手段来防止辐射器温度升到太高而烧坏辐射器，以及防止对人体造成伤害。
作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种微波消融针，其中包含有上述的天线组件。
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。
图2为作为本发明的一个优选实施例的天线组件的结构示意图。图中各部分依次为：不锈钢进水管段1、PTFE进水管段2、同轴线外导体3、铜箔4、玻璃纤维外管5、同轴线介质层6、同轴线内芯7、铜“帽”8和陶瓷刺头9。其中，进水管包括不锈钢进水管段1和PTFE进水管段2，不锈钢进水管段1在天线辐射区域与PTFE进水管段2连接。循环水从进水管与同轴线之间的间隙流入到天线头部，然后从玻璃纤维外管5与进水管之间的间隙流出。铜箔4紧贴在PTFE进水管段2的外壁，铜“帽”8焊接在同轴线内芯7上。
若天线结构中进水管上没有铜箔4，则微波通过同轴线到达馈电点(同轴线外导体末端)后，一部分沿同轴线内芯7向前传输，由铜“帽”8辐射到周围组织及其他介质中；另一部分沿同轴线外导体3的外表面，在外部组织、循环水、内管PTFE及外管玻璃纤维中向后传输，同时向周围的组织辐射。这样会导致微波消融区呈椭球形。本发明的天线组件在进水管上覆一段铜箔，向后传输的微波会分成两个分量：一个微波分量沿铜箔4外壁，在组织中传播；另一个微波分量沿铜箔4内壁及同轴线外导体3，在PTFE进水管段2中传输。循环水中传输的微波能量较少，忽略不计。
由于人体组织相对介电常数(40左右)比PTFE介质相对介电常数(2.5左右)高很多倍。沿铜箔4传输距离越远，两个微波分量的相位差越大。取合适长度(略大于人体组织中微波波长的一半)的铜箔4，可以使得两个微波分量相位相差半个周期，及相互反相；同时适当调整铜箔相对于馈电点的位置，使得两个微波分量幅度相等。那么在铜箔末端，两个微波分量会合时，因等大反向而相互抵消。微波将被截断在铜箔4末端，而不会继续沿同轴线向后传输。
这样，微波将被集中在铜箔和铜“帽”周围的区域进行消融。所以这种新型消融天线可以获得比较圆的消融区。
在上述技术方案中，本领域技术人员也可以对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)铜“帽”主要作用是延长和加固同轴线内芯，可以直接用同轴线内芯；
(2)PTEF进水管段2可以采用其他低介电常数(小于3)的非金属材料，同时铜箔的长度和位置需要略作调整；
(3)外管以及刺头的材质及厚度可以根据实际情况选择，但要保证进水管和外管在天线辐射区域是非金属材料；
(4)进水管覆铜箔也可采用其他工艺实现，例如在进水管上镀一层金属膜。
经过实验验证，无环状复合结构和有环状复合结构两种情况下的吸收场分布如图3和图4所示，由此可见，本发明的天线设计能有效地抑制微波沿同轴线外壁后向传输，获得较理想的球形消融区。同时，本发明的消融天线，不需要在辐射区填充稳定介质，允许循环水进入辐射区，能够有效控制消融针头部的温度，避免温度过高烧坏消融针及医疗事故。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微波消融的天线组件，包括：
辐射器，用于将用于消融的微波发射出去；
同轴线，用于将微波发生器产生的所述用于消融的微波传输给所述辐射器；
其特征在于，在所述同轴线的外围设置有一个环状复合结构，用于抑制沿所述同轴线反向传播的电磁波，其中，所述环状复合结构包括一环状非金属层及位于所述环状非金属层外的一环状金属层，所述环状金属层与所述同轴线电绝缘。
2.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，相对以辐射器方向作为前端，反方向为末端，所述环状复合结构中的所述金属层的长度L1、馈电点到所述金属层末端的距离L2之间满足如下关系：
∈ 1 L 1 - ∈ 2 [ L 2 - ( L 1 - L 2 ) ] ≈ C / 2 f - - - ( 1 )
其中∈1是人体组织的介电常数，∈2是所述环状非金属层材料的介电常数，C是真空光速，f是微波频率；上述公式两边的差值在±40％以内，优选±20％以内。
3.如权利要求2所述的天线组件，其特征在于，所述金属层前端到所述辐射器最前端距离L3与所述L1还满足以下关系：
L1≈L3(2)
其中，上述公式两边的差值在±40％以内，优选±20％以内。
4.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述环状金属层的材料为铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌或其合金；
所述环状复合结构的总厚度优选在0.001～2mm范围之间；
对于频率为2.45GHz的天线组件，所述环状金属层的长度L1优选为5～25mm。
5.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述天线组件还包括冷却通道，用于对所述辐射器进行冷却；其中，优选能够将冷却介质输送到所述辐射器最前端，从而对整个所述辐射器进行冷却。
6.如权利要求5所述的天线组件，其特征在于，所述冷却通道为非金属材质，优选由PTFE材料制成。
7.如权利要求6所述的天线组件，其特征在于，所述环状金属层通过将加工成薄层的金属箔包裹或粘贴在环绕设置在所述同轴线外围的所述冷却通道的外壁，或者通过溅镀工艺、电镀或化学镀工艺在环绕设置在所述同轴线外围的所述冷却通道的外壁上形成，从而所述环状金属层与所述非金属材质的冷却通道共同构成所述环状复合结构或所述环状复合结构的一部分。
8.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述天线组件的辐射区未填充任何相对于真空的相对介电常数在25以上的高介电常数固体介质；
所述辐射器优选为金属“帽”或同轴线内芯的延长段。
9.如权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述天线组件还包括温度探测器，用于对所述辐射器的温度进行检测。
10.一种微波消融针，其特征在于，所述微波消融针包含有如权利要求1至9任意一项所述的天线组件。
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