《International Journal of Hyperthermia》：Numerical and experimental assessment of the influence of thermocouple orientation on temperature measurements for radiative superficial hyperthermia
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背景： 辐射式肿瘤热疗（hyperthermia，HT）是一种癌症治疗手段，旨在通过置于体表的天线辐射电磁（electromagnetic，EM）场，使病理组织温度升高至40–44 °C并持续1小时。根据肿瘤位置，热疗通常分为深部热疗和浅表热疗。在两种情况下，
背景： 辐射式肿瘤热疗（hyperthermia，HT）是一种癌症治疗手段，旨在通过置于体表的天线辐射电磁（electromagnetic，EM）场，使病理组织温度升高至40–44 °C并持续1小时。根据肿瘤位置，热疗通常分为深部热疗和浅表热疗。在两种情况下，治疗期间均需进行温度测量以用于验证目的，并评估热疗设备的性能。温度监测通常采用热电偶（thermocouple，TC）或热敏电阻完成，二者均通过金属导线传输信号；使用热电偶时，为避免电磁干扰，其读数在中断电磁辐射期间进行。
目的： 本研究旨在探究温度传感器系统对热疗设备产生的电磁场和温度分布的影响，重点分析金属导线取向的作用。
方法： 研究人员采用两种不同实验装置进行了实验测量和数值分析，两种装置均基于配备热电偶插入导管的体模（phantom）以及商用热疗天线。
结果与结论： 结果表明，与电场正交取向的导线不会引起电磁-温度分布的显著变化；而与主电场分量平行取向的导线则会引起电磁场和温度分布的显著扰动，并导致穿透深度减小。上述结果证明，在热疗过程中放置温度传感器时必须谨慎。
论文解读
一、研究背景与问题
热疗（hyperthermia，HT）是一种辅助性肿瘤治疗手段，通过将肿瘤组织温度升高至40–44 °C并维持约1小时，以增强放疗或化疗的治疗效果。辐射式热疗利用电磁（electromagnetic，EM）场加热肿瘤组织，商用系统通常采用单个天线或天线阵列，并配合充有去离子水的水囊（bolus）实现体表冷却和天线与组织间的阻抗匹配。温度探头对于治疗可靠性和皮肤及体内温度监测至关重要。
尽管生物组织中电磁波传播的物理机制已较为明确，且已有先进的仿真工具可用于计算比吸收率（specific absorption rate，SAR）和温度分布，但患者个体化仿真仍面临显著局限：虽然患者几何结构可从CT图像获取，但个体化的介电特性和热应激下的血液灌注参数通常无法获得，只能依赖文献平均值。这些局限降低了绝对温度预测的可靠性，仅相对温度变化预测较为可信。因此，皮肤和体内温度监测对治疗质量和安全性至关重要，体内测量仍是评估肿瘤实际温度的临床金标准。
温度测量通常采用热敏电阻或热电偶（thermocouple，TC）。这些探头具有纤细柔韧的设计（外径<1 mm），非常适合基于导管的体内测量。然而，金属导线会与微波相互作用，可能引起电磁场散射，从而影响温度分布。由于在临床常规中无法研究该问题，需要在定义明确的体模（phantom）装置中进行测量和数值仿真。欧洲热疗肿瘤学会（European Society of Hyperthermic Oncology，ESHO）发布了热疗设备验证的质量保证（quality assurance，QA）程序，规定在由肌肉等效层和1 cm厚脂肪等效层组成的体模中评估热参数。对于浅表热疗（superficial hyperthermia，sHT），指南定义的热参数包括温升（temperature rise，TR）、热有效穿透深度（thermal effective penetration depth，TEPD）和热有效场尺寸（thermal effective field size，TEFS）。ESHO指南规定热电偶探头应与主电场方向垂直排列。
然而，热电偶取向对电磁场和温度分布的具体影响尚缺乏定量研究。本研究正是针对这一问题展开，旨在定量评估热电偶配置是否会引起电磁场和温度分布的显著变化，进而影响热疗设备的验证结果。
二、研究内容与主要结论
研究人员使用商用ALBA ON 4000D浅表热疗设备（Med-Logix Srl，罗马，意大利），在符合QA指南的常用sHT体模上进行了实验测量和数值仿真。该设备工作频率为434 MHz，支持同时接入多达16个热电偶。研究设置了两种实验装置：Setup ⊥（热电偶与主电场分量正交）和Setup ∥（热电偶与主电场分量平行）。实验测量在2 cm深度处进行温度测量，比较1 cm深度处有无铜线（模拟热电偶金属导线）对温升的影响。数值仿真采用CST Microwave Studio软件，模拟了三种情形：Case 1（无导管无热电偶的参考情形）、Case 2（模拟TR测量，仅中央1 cm深度导管内填充金属线）、Case 3（模拟TEPD测量，中央柱内全部填充金属线）。
实验结果表明，在Setup ⊥中，1 cm深度处铜线的存在对2 cm深度处温升无显著影响；而在Setup ∥中，铜线的存在使2 cm深度处温升降低了37.86 ± 7.59%。数值仿真结果与实验一致：Setup ⊥中SAR分布变化小于15%，温度分布变化小于5%；Setup ∥中SAR分布变化超过75%，温度分布变化超过31%（Case 2）和61%（Case 3）。在热参数方面，Setup ⊥中TR变化始终小于3%，TEPD变化仅2.10%；而Setup ∥中TR在1 cm和2 cm深度处分别降低33.70%和48.63%，TEPD降低39.88%。
三、关键技术方法
本研究主要采用了以下关键技术方法：一是基于体模的实验测量方法，体模由Plexiglass结构和凝胶状肌肉等效混合物构成，配备Teflon（PTFE）导管用于热电偶插入，采用铜-康铜热电偶（直径0.5–0.8 mm）进行温度测量，通过比较有无铜线条件下的温升差异来评估金属导线的影响；二是基于CST Microwave Studio的电磁-热耦合数值仿真方法，采用瞬态时域求解器进行电磁仿真，将获得的SAR/热损耗作为输入传递给瞬态热求解器计算温度分布，网格单元尺寸为1 mm3，热电偶建模为铜导线（电导率σ = 5×10? S/m，直径1 mm）；三是基于ESHO指南定义的热参数评估方法，计算TR、TEPD和TEFS等热参数，并通过百分比变化量化热电偶引入的扰动。实验采用ALBA ON 4000D系统的β天线，输入功率50 W，水囊厚度1.5 cm，应用时间6分钟。
四、研究结果
4.1 热电偶存在及取向对SAR分布的影响
通过对比Case 1与Case 2、Case 3的SAR分布发现，在Setup ⊥中，热电偶的存在对SAR分布的影响较小（平均变化小于15%），SAR穿透深度基本保持不变；而在Setup ∥中，热电偶的存在引起了SAR分布的显著扰动（平均变化超过75%），第一个热电偶下方的区域出现明显的SAR降低。
4.2 热电偶存在及取向对温度分布的影响
通过对比Case 1与Case 2、Case 3在6分钟加热后的温度分布发现，Setup ⊥中热电偶的引入对温度分布无显著影响（变化小于5%）；而Setup ∥中热电偶的引入引起了显著的温度分布变化，Case 2和Case 3的百分比变化分别超过31%和61%。
4.3 热电偶存在及取向对热参数的影响
通过计算TR和TEPD发现，Setup ⊥中TEPD在Case 1和Case 3中分别为3.20 cm和3.13 cm，TR变化始终小于3%，TEPD变化仅2.10%，表明热电偶配置对热参数评估无显著影响；Setup ∥中TEPD在Case 1和Case 3中分别为3.21 cm和1.93 cm，TR在1 cm和2 cm深度处分别降低33.70%和48.63%，TEPD降低39.88%，表明热电偶配置显著降低了温升和热穿透深度。
五、讨论与结论
讨论部分指出，QA程序通常采用配备导管系统的体模进行温度分布测量，这是目前设备验证中最常用的方法。本研究表明，与电场正交取向的热电偶对SAR和温度分布的影响极小，而与电场平行取向的热电偶则会引起显著扰动。研究结果与此前关于热电偶自热效应的研究一致，但本研究进一步揭示了金属导线对电磁场和温度分布的直接扰动作用。虽然中断电磁辐射可以避免电磁耦合效应和热电偶自热，但金属导线在射频应用期间对电磁场的影响无法避免，因为温度测量需要导线的存在。热敏电阻虽然采用不同的传感原理且无需中断电磁场，但其金属电极和引线同样可能扰动电磁场和温度分布。不含金属导线的传感器（如高阻热敏电阻、光纤温度传感器）则不会产生此类效应，但成本和可及性可能限制其临床推广。
研究结论表明，对于所研究的浅表热疗案例，与主电场分量正交的金属导线对SAR和温度分布及热参数的影响极小；而与电场平行的导线则会引起显著扰动。如果在QA过程中热电偶或热敏电阻未正确取向，可能导致不准确的结果，从而影响对设备性能的正确评估。从临床角度看，使用热电偶或热敏电阻进行温度评估时，应充分考虑其相对于局部电磁场方向的放置位置，尽可能与主电场分量正交排列，以提高测量精度并减少传感器引起的扰动。这一结论与ESHO浅表热疗临床应用QA指南中关于热电偶探头应与主电场方向垂直排列的建议一致。
