CN107822710B - 微波信号抑制装置、方法、天线组件及微波消融针 - Google Patents

Abstract

一种微波信号抑制装置、方法、天线组件及微波消融针。其中，该微波信号抑制装置包括一复合结构，所述复合结构包括低介电常数的非金属材料，以及形成在所述非金属材料上的若干段金属薄膜，每一段所述金属薄膜的长度为待抑制的微波信号的1/4～3/4个波长，所述金属薄膜之间的间隔为在待抑制的微波信号的1/10～1/20个波长；其中，所述低介电常数的非金属材料的相对于真空的相对介电常数小于等于5。本发明的微波信号抑制装置及基于多级扼流技术的微波消融针具有较好自适应性，当输入功率较小或消融时间较短，或降低功率或缩短消融时间时，仍能获得较理想的球形消融区，相较常规设计更能充分利用微波能量，降低中心区域的碳化程度。

Description

微波信号抑制装置、方法、天线组件及微波消融针

技术领域

本发明涉及微波治疗设备技术领域，更具体地涉及一种微波信号抑制装置、方法、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

从1994年首次报告超声引导下经皮穿刺，将微波天线置入瘤体内治疗小肝癌获得成功以来，微波消融技术通过对微波仪和天线的不断改进创新得到快速发展。早期微波消融针没有水冷循环系统，针杆极易过热，只能支持10～30W的小功率输入，离体消融区域宽度只有1～2cm，且形状不规则。水冷循环系统的应用，使得微波针针杆的温度得到控制，从而允许输入较大功率，以获得较大的消融面积。目前，微波消融系统普遍可以支持80～100W的大功率，离体消融区域宽度可以达到3～4cm。近年来国内出现了多种微波消融产品，这些产品在工艺、结构和材料等方面各有特色，但这些产品的消融区域形状都是椭圆形，轴比不可控，使得微波消融区域与肿瘤区域匹配度不好，治疗的精准度不高。如图1所示，本发明人的申请号为201610348040.4号的中国发明专利申请公开了一种金属和非金属结合的复合环状结扼流技术，这种技术使得微波消针的消融效果得到极大改善，可以获得理想的球形消融区。

但是，上述现有技术仍然存在如下技术缺陷：

(1)上述201610348040.4号中国发明专利申请公开的微波消融针对于直径为3～4cm的肿瘤消融效果很好，消融区呈理想的球形。对于直径为1～3cm的小肿瘤，通过减小功率或缩短时间来获得与肿瘤匹配的消融区域。但是减小功率或缩短时间时，消融区横向尺寸比轴向尺寸减小的多，使得消融区变成一个椭球形。

(2)基于传统设计的微波消融针电磁波需要穿过已经消融的区域，再往外围未消融区域扩展。电磁波穿过已经消融区域过程中会被大量吸收，而进入外围扩展消融区的电磁波能量很少，这导致电磁能量未被充分利用于扩展消融区，反而加重已消融区的碳化程度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于多级扼流技术的微波消融天线，以至少部分解决上述技术问题。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种微波信号抑制装置，其特征在于，包括：

复合结构，所述复合结构包括低介电常数的非金属材料，以及形成在非金属材料上的若干段金属薄膜，每一段所述金属薄膜在待抑制的微波信号传播方向上的长度为所述微波信号的1/4～3/4个波长，所述金属薄膜之间的间隔为所述微波信号的1/10～1/20个波长；

其中，所述低介电常数的非金属材料的相对于真空的相对介电常数小于等于5。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种微波信号的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用如上所述的微波信号抑制装置覆盖待抑制的微波信号发生器。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种用于微波消融的天线组件，包括：

第一辐射单元，用于发射消融用微波；

传输线缆，用于将微波发生单元产生的消融用微波传输给所述第一辐射单元；

其特征在于，在所述传输线缆外形成有如上所述的微波信号抑制装置，其中计算波长时的待抑制的微波信号为在待治疗患者病灶组织中传播的微波信号。

作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种微波消融针，其特征在于，所述微波消融针包含有如上所述的用于微波消融的天线组件。

基于上述技术方案可知，本发明的微波消融天线具有如下有益效果：

(1)基于多级扼流技术的微波消融针有较好的自适应性，当输入功率较小或消融时间较短，或降低功率或缩短消融时间时，仍能获得较理想的球形消融区；

(2)相对于传统设计，基于多级扼流技术的微波消融针更能充分利用微波能量，降低中心区域的碳化程度。

附图说明

图1是现有技术公开的一种微波消融天线组件的结构示意图；

图2是本发明的多级扼流微波消融天线组件的结构示意图；

图3是本发明的消融区域展宽效果示意图。

在上图中，附图标记含义如下：

1.陶瓷针头，2.铜帽，3.非金属外管，4.同轴线介质层，5.同轴线内导体，6.第一段铜箔，7.PI进水管，8.第二段铜箔，9.同轴线外导体，10.不锈钢外管。

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。

本发明公开了一种微波信号抑制装置，包括：

复合结构，所述复合结构包括低介电常数的非金属材料，以及形成在非金属材料上的若干段金属薄膜，每一段所述金属薄膜在待抑制的微波信号传播方向上的长度为所述微波信号的1/4～3/4个波长，所述金属薄膜之间的间隔为所述微波信号的1/10～1/20个波长；

其中，该低介电常数的非金属材料的相对于真空的相对介电常数小于等于5。该低介电常数的非金属材料可以为一个整体，在其上形成若干段金属薄膜；该低介电常数的非金属材料也可以为多个分段，每个分段上形成一金属薄膜，通过其它方式，例如粘结或分别支撑的方式进行固定。

作为优选，该复合结构为环状或平板状，当为环状时用于抑制圆导线发出的微波信号，当为平板状时用于抑制在平面上传播的微波信号。

其中，该若干段的金属薄膜例如包括2、3或4段，常见的为2段。非金属材料可以与金属薄膜同时形成分段，也可以非金属材料为一个整体，只是其上形成的金属薄膜具有分段。

其中，该金属薄膜所使用的材料选自铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌及其合金。

其中，该低介电常数的非金属材料选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚甲醛。

其中，该金属薄膜通过磁控溅射、粘结、电镀或化学镀方式形成在低介电常数的非金属材料上。

本发明还公开了一种微波信号的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用如上所述的微波信号抑制装置覆盖待抑制的微波信号传输元件，例如传输电缆、电路板上的传输铜线等。

本发明还公开了一种上述微波信号抑制装置的一种具体应用，即用于微波消融的天线组件，为了保证微波消融在各种情况下都能获得较理想的球形，本发明专门研究开发了一种多级扼流微波消融天线。基于这种天线设计的微波消融针有较好的自适应性，当输入功率较小或消融时间较短时，仍能获得较理想的球形消融区。

具体地，本发明公开了一种用于微波消融的天线组件，包括：

第一辐射单元，用于发射消融用微波；

传输线缆，用于将微波发生单元产生的消融用微波传输给第一辐射单元；

其中，在传输线缆外形成有若干段第二辐射单元，每一段该第二辐射单元均为环状复合结构，该环状复合结构包括低介电常数的非金属材料，以及形成在其上的环形金属薄膜，该环形金属薄膜的长度为在待治疗患者病灶组织中传播的微波的1/4～3/4个波长，每段环形金属薄膜之间的间隔为在待治疗患者病灶组织中传播的微波的1/10～1/20个波长；

该低介电常数的非金属材料的相对于真空的相对介电常数小于等于5。

人体组织相对于真空的相对介电常数因人因测试条件有细微变化，但基本在一个较窄的范围之内，例如对于肝脏，在38～42之间，肺部组织，在20～25之间，肌肉组织在15左右。由此微波在不同的人体组织中传播时，其波长也在一定的范围之内，环形金属薄膜的长度和间隔是基于波长的，也分别取其中的最大值和最小值，而在这个范围之内取值，由此制成的天线组件也是分别适应于不同人体组织的天线组件，例如用于肝脏的、用于肺部的、……等等。

上述第二辐射单元可以包括多段，例如包括2、3或4段，通常2段或3段即满足要求。这些环状复合结构优选是在同一曲面内沿着轴向依次排列，也可以在轴半径方向形成高低的台阶差，但台阶之间的级差不能太大。

环状金属薄膜所使用的材料选自铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌及其合金，其中优选为铜和银。低介电常数的非金属材料选自聚四氟乙烯PTFE、聚乙烯PE、聚酰亚胺PI、聚甲醛POM等。环形金属薄膜通过磁控溅射、粘结、电镀或化学镀等方式形成在该低介电常数的非金属材料上。

在一个优选实施例中，低介电常数的非金属材料为该用于微波消融的天线组件中的冷却水循环通道的管壁，即直接利用该冷却水循环通道的管壁，在其上形成环状金属薄膜。当然，如果没有冷却水循环通道或冷却水不能到达头部的第一辐射单元，也可以通过其它方式形成该环状复合结构。

该第一辐射单元为“帽”状辐射器或同轴线内芯，其材质可以选自铜、金、银、镍、锡及其合金，其中优选为铜。

本发明还公开了一种微波消融针，该微波消融针包含有如上所述的用于微波消融的天线组件。该微波消融针既可以是刚性微波消融针，也可以是柔性微波消融针。

下面结合附图并通过具体实施例来对本发明的技术方案作进一步阐述说明。

实施例

本发明的多级扼流微波消融天线组件剖面如图2所示，包括陶瓷针头1、铜帽2非金属外管3、.同轴线介质层4、同轴线内导体5、第一段铜箔6、PI进水管7、第二段铜箔8、同轴线外导体9、不锈钢外管10。

其内部空白区域为冷却水循环通道，铜帽是焊接在同轴线内导体上的，铜帽长度约为1/10～1/2个波长(相对于组织介电常数)。包裹在PI管上的每一段铜箔长度约为半个波长(相对于组织介电常数)，与PI管都构成多段复合环状结构，每段复合结构之间的距离约1/10～1/20个波长(相对于组织介电常数)，馈电点位于最后一段复合环状结构内部。

如图3所示，在消融开始阶段，铜帽是天线组件的辐射器，电磁波通过辐射器往外向组织辐射，沿针杆后向传输的电磁波截止于第一段复合环状结构末端。所以在这个阶段电磁波主要集中在A代表的球形区域内，这个区域内的组织会被充分消融。如果这时结束消融，消融区是一个直径约为1.5～2.5cm的球形。如果消融继续，A区域内的水分会被气化干净，这时候这部分组织的介电常数会降低很多，导致第一级复合结构失去扼流效应，电磁波会沿针杆逐渐向后扩展，最终截止于第二级复合结构末端，消融区由球形区域A逐渐扩展到球形区域B，球形直径扩展至4～5cm。因此，基于多级扼流技术的微波消融针，对于不同功率或不同消融时间，总能获得较理想的球形消融区。

另外，在第一级复合结构失去扼流效应以后，铜帽和第一级复合结构共同构成辐射器，第二级复合结构发挥扼流作用。这导致辐射区沿针杆向后移动，一部分电磁波得以不经过已消融区而直接进入未消融区，而得到充分利用。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)各段复合结构长度可以有差异，在1/4～3/4波长范围内均有效；

(2)复合环状扼流结构不限于两段，可以依理推至若干段；

(3)外管可以选用柔性材料，即本设计也适用于柔性微波消融针；

(4)复合结构中，金属不限于铜，也可以是金、银、镍、锡等金属或合金，非金属材料也可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)等低介电常数非金属材料，金属层与非金属层之间可以通过喷涂或粘接进行复合；

(5)该设计也可以不留冷却水循环通道，即也适用于非水冷及冷却水不到头的微波消融针；

(6)铜帽材质不限于铜，也可以是金、银、镍、锡等其他金属或合金材料。

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 (6)

1.一种用于微波消融的天线组件，包括：

第一辐射单元，用于发射消融用微波；

传输线缆，用于将微波发生单元产生的消融用微波传输给所述第一辐射单元；其特征在于，在所述传输线缆外形成微波信号抑制装置，其中计算波长时的待抑制的微波信号为在待治疗患者病灶组织中传播的微波信号，所述第一辐射单元为“帽”状辐射器或同轴线内芯；

微波信号抑制装置，包括复合结构，所述复合结构包括低介电常数的非金属材料，以及形成在非金属材料上的若干段金属薄膜，每一段所述金属薄膜在待抑制的微波信号传播方向上的长度为所述微波信号的1/4~3/4个波长，所述金属薄膜之间的间隔为所述微波信号的1/10~1/20个波长；

其中，所述低介电常数的非金属材料的相对于真空的相对介电常数小于等于5；低介电常数的非金属材料为用于微波消融的天线组件中的冷却水循环通道的管壁；所述金属薄膜所使用的材料选自铜、铁、铝、金、银、钯、铂、锡、镍、锌；所述低介电常数的非金属材料选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚甲醛；所述金属薄膜包括3段或4段；基于多级扼流技术，对于不同功率或不同消融时间，总能获得球形消融区。

2.根据权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述复合结构为环状。

3.根据权利要求1所述的天线组件，其特征在于，所述金属薄膜通过磁控溅射、粘结、电镀或化学镀方式形成在所述低介电常数的非金属材料上。

4.根据权利要求1所述的用于微波消融的天线组件，其特征在于，所述第一辐射单元的材质选自铜、金、银、镍、锡。

5.一种微波消融针，其特征在于，所述微波消融针包含有如权利要求1至4任意一项所述的用于微波消融的天线组件。

6.根据权利要求5所述的微波消融针，其特征在于，所述微波消融针为柔性微波消融针。