CN102784436A - 微波热疗辐射器和微波热疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波热疗辐射器和微波热疗装置。微波热疗辐射器包括辐射器本体、安装在辐射器本体上的超材料面板；超材料面板包括至少一个超材料片层，超材料片层包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。本发明使微波能量集中于病变部位，减少了正常组织的损伤，提高了热疗效率。

Description

微波热疗辐射器和微波热疗装置

技术领域

本发明涉及微波热疗技术，更具体地说，涉及微波热疗辐射器和微波热疗装置。

背景技术

生物体受到微波的照射会产生热效应，通过高温可直接杀死肿瘤细胞。因此，通常采用微波热疗技术治疗肿瘤。微波照射人体之所以产生微波生物效应，是因为人体各种组织都有固有频率，当微波频率与某组织的固有频率相同时，该组织就产生谐振吸收。当该组织吸收的能量超过某一减阀值时，就会引起生物效应。微波热疗效果好的主要原因如下：

(1)微波热疗是微波照射到病变部位后，病变组织吸收微波能自身产生热量，因此病变组织比其他热敷升温快，并且温度分布均匀。

(2)微波有选择加热的特性：人体的各种组织的介电常数是不相同的，因此各种组织吸收微波的能力也不相同。吸收微波能力强的组织升温就快，吸收能弱的升温就慢。病变组织往往比正常组织吸收微波能力强，升温快，从而达到了选择治疗之目的。其他热疗方法，就没有这个特性。

(3)微波热疗可以确诊病变部位，而其他热敷治疗方法则不能：若病变部位是炎症，病变部位的微血管因被发炎组织的压迫而变窄，造成血液循环不畅，当用微波照射病变部位时，难免同时照射到与病变部位相毗邻的健康组织，也就是病变组织与健康组织同时被微波加热。对于健康组织而言，吸收微波产生的热量大部分被循环的血液带走通过皮肤散发到体外；对于病变组织，因血液循环不畅而急剧升温。当局部病变组织温度升到38℃-39℃时，患部就有疼痛感了。疼痛部位就是病变部位，从而准确确定了病变位置，这一特点对提高疗效，缩短疗程大有裨益。

热疗不仅在治疗恶性肿瘤中起重大作用，而且在治疗许多良性疾病中效果也非常显著，在临床应用中显示出了巨大的发展潜力和广阔的应用前景，使广大患者受益。

但是目前的微波热疗过程中，除了照射到病变部位之外，还会照射到与病变部位相毗邻的健康组织，造成对正常组织的损伤，另外由于微波能量汇聚的程度较低，使得热疗效果也不好，加热时间较长，这是不希望看到的结果，因此，需要一种能够减少正常组织损伤、提高热疗效率的微波热疗技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述微波热疗过程中损伤正常组织的缺陷，提供一种微波热疗辐射器和微波热疗装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种微波热疗辐射器，包括辐射器本体，还包括安装在所述辐射器本体上的超材料面板；所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述超材料面板由多个超材料片层堆叠形成。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述人造微结构具有相同的几何形状，每个所述区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和第二区域内人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的微波热疗辐射器中，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

本发明还提供一种微波热疗装置，包括壳体，还包括设置于所述壳体内的微波热疗辐射器；所述微波热疗辐射器包括辐射器本体、和安装在所述辐射器本体上的超材料面板；所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。

在本发明所述的微波热疗装置中，所述人造微结构具有相同的几何形状，每个所述区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和第二区域内人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过在微波热疗辐射器上增加超材料面板，使得微波能量更加集中于病变部位，而与病变部位相毗邻的正常组织处的微波能量大大减少，从而缩短了热疗时间、减少了正常组织的损伤、提高了热疗效率，增强了治疗效果，也减少了患者治疗过程中的痛苦。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明一优选实施例的微波热疗辐射器的结构示意图；

图2是本发明所采用的超材料面板的结构示意图；

图3是图2所示的超材料面板的折射率随半径变化的示意图；

图4是图2所示的超材料面板在yz平面上的折射率分布图；

图5是图2所示的人造微结构衍生的第二实施例的结构示意图；

图6是依据本发明一优选实施例的微波热疗装置的结构示意图。

具体实施方式

微波热疗技术对炎症、肿瘤、外伤出血、内伤淤血、体腔内疾病、慢性疾病等具有很好的治疗效果。本发明通过在微波热疗辐射器上增加超材料面板，使得微波能量更加集中于病变部位，而与病变部位相毗邻的正常组织处的微波能量大大减少，从而缩短了热疗时间、减少了正常组织的损伤、提高了热疗效率，增强了治疗效果，当然也减少了患者治疗过程中的痛苦，此发明的技术方案对了目前难以解决的肿瘤特别是恶性肿瘤(癌症)的治疗具有良好的疗效。

超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括人造微结构2和供人造微结构附着的基板1。人造微结构2为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。基板1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构2的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

图1是依据本发明一优选实施例的微波热疗辐射器100的结构示意图，该微波热疗辐射器包括辐射器本体20、安装在辐射器本体20上的超材料面板10。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与

成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料面板10的折射率分布使从辐射器本体20发出的电磁波汇聚在一个较小的区域。汇聚的区域的大小可依据实际的需求来设定，通过改变超材料面板10的折射率分布来设置所需的汇聚区域范围。在实际应用中，可根据患者病情需要，通过调整辐射器本体20的功率来改变微波热疗辐射器100的辐射强度，从而改变汇聚区域的温度，使得适合病患部位的治疗需求。另外，还可以通过改变超材料面板10与辐射器本体20距离来调节电磁波的汇聚区域。

图1所示的超材料面板10包括至少一个超材料片层3，每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板1上的多个人造微结构2，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。实施例中超材料面板10由多个超材料片层3堆叠形成，这各个超材料片层3之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料片层3的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层3由多个超材料单元阵列形成，整个超材料面板10可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。本发明所采用的具有电磁波汇聚功能的超材料面板10中，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/5到1/10之间。本实施例中每个超材料片层3的折射率分布均相同，这里为了描述清楚仅对一个超材料片层3的折射率分布规律进行详细说明，其余各超材料片层3的折射率分布规律均相同。通过对人造微结构2的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板1上分布，使每个超材料片层3的折射率分布满足第一规律：超材料片层3包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的折射率最大；圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内超材料的折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内超材料折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2，即两区域相邻处存在折射率跳变。

如图2所示超材料面板10由多个折射率分布规律相同的超材料片层3堆叠形成，所以本发明的超材料面板10的折射率分布满足第一规律，图3是图2所示的超材料面板10的折射率随半径变化的示意图。如图3所示超材料面板10包括3个区域，第一区域的半径长度为L1，在该区域内沿半径增加的方向每个超材料单元的折射率依次为a₁、a₂、a₃......a_n；第二区域的宽度(第二区域的半径与第一区域的半径之差)从L1变化为L2，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为b₁、b₂、b₃......b_n；第三区域的宽度(第三区域的半径与第二区域的半径之差)从L2变化为L3，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为c₁、c₂、c₃......c_n；且各个折射率满足：

a₁≥a₂≥a₃≥……≥a_n    (1)

b₁≥b₂≥b₃≥……≥b_n    (2)

c₁≥c₂≥c₃≥……≥c_n    (3)

其中b₁＞a_n，c₁＞b_n，n为不小于2的自然数，式(1)(2)(3)均不同时取等号。

利用超材料面板10将从辐射器本体20发出的电磁波汇聚在一个较小的区域，越靠近超材料面板10的边缘处入射电磁波和出射电磁波之间所夹的偏折角越大。作为公知常识可知相邻超材料单元之间的折射率变化量越大，则电磁波的偏折角越大。因此，为了实现超材料面板10边缘处的电磁波的大角度偏折以及实现平面波形式的电磁波，各个区域内超材料单元的折射率变化满足如下关系：

(a₁-a₂)≤(a₂-a₃)≤……≤(a_n-1-a_n)≤(b₁-b₂)≤(b₂-b₃)≤……≤(b_n-1-b_n)≤(c₁-c₂)≤(c₂-c₃)≤……≤(c_n-1-c_n)(4)

满足上述折射率变化量关系的超材料面板10，对于从辐射器本体20发出的电磁波，以折射率为a₁的超材料单元为圆心，随着半径的增大超材料面板10在yz平面上的折射率变化量逐渐增大，因此以a₁所在的超材料单元为圆心，随着半径的增大入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近圆心所在的超材料单元入射的电磁波其出射偏折角越小。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现电磁波汇聚。本发明的基于超材料的微波热疗辐射器通过设计各个超材料单元的人造微结构2，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料面板10的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化量Δn能实现电磁波特定的偏折角度，即可实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

为了更直观的表示超材料片层3在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料片层3的折射率分布如图4所示。

实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数成ε正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以调整超材料面板10的折射率分布，进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构2有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。

如图2所示平面的人造微结构2均附着在片状基材1的表面上。图中人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。超材料面板10由多个相同的超材料片层3构成，每个超材料片层3的yz平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的人造微结构2的尺寸最大，每个区域内“工”字形的人造微结构2的尺寸随着半径的增大连续减小，且相同半径处的人造微结构2的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，这两个相邻区域内人造微结构2的尺寸变化范围交集为非空，即以人造微结构2尺寸最大处为圆心，随着半径的增大至少依次存在两个相邻的第一区域和第二区域，第二区域内最大的人造微结构2的尺寸大于第一区域内最小的人造微结构2的尺寸。

需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

图5所示实施例是图2所示人造微结构2的衍生，图5中的衍生人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。

应当理解，本发明可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构2，也可采用其他非对称结构的人造微结构2，只要每个超材料片层3在yz面上的折射率分布满足上述所有关系式，通过对人造微结构2的形状、尺寸和排布进行设置即可实现电磁波汇聚到一个区域。

具体实施时，可通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整人造微结构2的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足上述折射率分布。

上述实施例中人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。基板1由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4、F4b等高分子材料。

本发明还提供一种微波热疗装置600，包括壳体601、设置于壳体601内的微波热疗辐射器602。其中，微波热疗辐射器602包括辐射器本体6021、和安装在辐射器本体6021上的超材料面板6022。其中超材料面板6022的具体结构和折射率的排布与上文的超材料面板102相同，辐射器本体6021同上文的辐射器本体20，详见图1-5及其相关描述，此处不再赘述。图中的结构仅为示意，并不作为对本发明的限制。

在图6中仅示出了微波热疗装置600的主要部件，为了更清楚的描述本发明的内容，其他的必要部件并未示出，例如支架等。应当理解的是，只要采用本发明的技术方案得到的微波热疗设备都包含在本发明的保护范围内。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种微波热疗辐射器，包括辐射器本体，其特征在于，还包括安装在所述辐射器本体上的超材料面板；所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。

2.如权利要求1所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述超材料面板由多个超材料片层堆叠形成。

3.如权利要求1或2所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状，每个所述区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和第二区域内人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。

4.如权利要求3所述的微波热疗辐射器，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

5.如权利要求4所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

6.如权利要求5所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

7.如权利要求1所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

8.如权利要求3所述的微波热疗辐射器，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

9.一种微波热疗装置，包括壳体，其特征在于，还包括设置于所述壳体内的微波热疗辐射器；所述微波热疗辐射器包括辐射器本体、和安装在所述辐射器本体上的超材料面板；所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。

10.如权利要求9所述的微波热疗装置，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状，每个所述区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，所述第一区域和第二区域内人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。

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