用于头颈部癌症治疗中频率依赖性热疗的多频段螺旋天线的设计与优化

《Medical & Biological Engineering & Computing》：Design and optimization of a multi-band spiral antenna for frequency-dependent hyperthermia heating in head and neck cancer treatment

　　

摘要

本研究介绍了一种专为头颈部癌症的频率依赖性热疗设计的紧凑型多频段螺旋天线。该天线采用低成本的FR4基板制造，整体尺寸为70×70×1.6毫米3，经过优化后可覆盖915 MHz、1.8 GHz和2.45 GHz三个频段。其特殊的几何结构可实现稳定的三频段共振，并具有优异的阻抗匹配特性，从而确保能量能高效传递到生物组织中。通过S参数分析、比吸收率（SAR）分布、穿透深度（PD）以及有效场强（EFS）的测试来评估天线性能，这些测试使用了均匀和非均匀的仿真模型，同时还考虑了有无肿瘤的Katja体素模型。热模拟结果证实，在2.5–6瓦的低输入功率下，天线能够将肿瘤温度提升至41–45°C。在2.45 GHz频率下，该天线可对表层肿瘤（≤3厘米）实施局部加热；在1.8 GHz频率下，适用于中等深度的肿瘤（3–3.6厘米）；而在915 MHz频率下，则可以对深度超过3.6厘米的肿瘤进行有效加热。使用头部模拟液体和离体鸡组织进行的实验验证显示，实际加热效果与仿真结果高度吻合，证明了该天线具有可靠且高效的热疗性能。所提出的这种应用方案是一个实用且多功能的设计，能够在头颈部癌症治疗中针对不同深度的肿瘤实施个性化热疗。

图形摘要

本研究介绍了一种专为头颈部癌症的频率依赖性热疗设计的紧凑型多频段螺旋天线。该天线采用低成本的FR4基板制造，整体尺寸为70×70×1.6毫米3，经过优化后可覆盖915 MHz、1.8 GHz和2.45 GHz三个频段。其特殊的几何结构可实现稳定的三频段共振，并具有优异的阻抗匹配特性，从而确保能量能高效传递到生物组织中。通过S参数分析、比吸收率（SAR）分布、穿透深度（PD）以及有效场强（EFS）的测试来评估天线性能，这些测试使用了均匀和非均匀的仿真模型，同时还考虑了有无肿瘤的Katja体素模型。热模拟结果证实，在2.5–6瓦的低输入功率下，天线能够将肿瘤温度提升至41–45°C。在2.45 GHz频率下，该天线可对表层肿瘤（≤3厘米）实施局部加热；在1.8 GHz频率下，适用于中等深度的肿瘤（3–3.6厘米）；而在915 MHz频率下，则可以对深度超过3.6厘米的肿瘤进行有效加热。使用头部模拟液体和离体鸡组织进行的实验验证显示，实际加热效果与仿真结果高度吻合，证明了该天线具有可靠且高效的热疗性能。所提出的这种应用方案是一个实用且多功能的设计，能够在头颈部癌症治疗中针对不同深度的肿瘤实施个性化热疗。

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