妇科治疗微波辐射器设计及近场分布特性的研究

　　作为一门新兴的交叉学科,有关生物电磁学的研究一直很活跃[1]。生物电磁学的应用可分成两大类:治疗和诊断。前者如微波手术治疗等;后者则包括核磁共振诊断技术。不论治疗还是诊断,辐射器均起着关键作用。例如在治疗中,辐射器要发射电磁能量,并产生热效应或非热效应,达到手术治疗的目的;在诊断中,则需要接收含有人体生物信息的电磁信号,并据此作出诊断。

　　本文以微波治疗妇科疾病为研究背景,设计一种简单实用的辐射器。由于人体器官组织结构的特点,辐射器的几何结构和尺寸均受到限制。此外,在临床应用中,希望辐射器能一次性使用,因此辐射器的设计必须结构简单,加工方便,体积小,而辐射效率高,且能尽量采用现有的工业标准设计。国内的医用辐射器已有某些产品,但缺乏针对专门病症的治疗目的和相应的理论分析。本文针对治疗子宫出血、月经过多、子宫肌瘤和宫颈糜烂等妇科疾病,数值分析辐射器在宫腔内的近场分布特性,指导微波辐射器的设计。

　　1　人体器官组织中辐射器的近场计算方法

　　考虑到妇科治疗的特点,可采用图1(a)所示的同轴结构的微波辐射器。通过调整中心导线的长度可部分控制辐射器的作用范围。对于各个病人的不同情况,可以方便地通过调整辐射器的长度达到辐射器一次性使用的目的。此外,辐射器保留了中心导线外的绝缘层,这主要是基于如下两方面的考虑:一是为了防止周围组织与辐射器粘连;二是为了有效导引同轴线中的电磁能量,产生良好的辐射效果。为了进行定性分析,我们建立了图1(b)所示的妇科治疗微波辐射器模型。

　　图1　辐射器模型

　　由于结构的圆柱对称性,电场强度E和磁感应强度B的非零分量应满足下列方程[2,3]:

　　其中圆柱坐标(r,φ,z)的取法如图1(b)所示。复介电常数~εj=εj+iσj/ω,j=1,2,3代表不同的区域:j=1为同轴线的内导体(图中未标出),j=2为辐射器的介质层,j=3为人体组织。

　　利用对称性及各区的边界条件,可写出各区中的电磁场量表达式。对于长为[- h,h]的辐射器,可近似认为内导体表面上的电流密度J只有z方向分量,且沿轴线对称,记为I(z)=2πaJ(z)。介质层(2)一般用聚四氟乙烯等材料构成,由于人体的介电常数及导电率普遍较高[4],因此一般满足的条件,其中kj,j=2,3为(2)、(3)区中的复波数：开方应取主值。在此条件下,可简化各区场量的表达式,并利用边界条件,得到电流I(z)应满足的积分方程为[5]:

　　 (4)

　　式(4)中,I(0)为波幅电流,C为常数,其积分核为:

　　其中。而式(4)中的kl由下式确定: