一种基于断开式外导体结构的微波消融天线

1.本发明涉及微波消融技术领域，特别是指一种基于断开式外导体结构的微波消融天线。


背景技术：

2.近年来，微波消融治疗已成为治疗肝癌、肾癌、甲状腺等软组织的重要治疗手段之一。微波消融是利用天线辐射微波，微波使组织中的离子、极性水分子旋转振动、相互摩擦而产生热效应，使治疗区域快速达到很高的温度，组织凝固、脱水而坏死，从而达到治疗目的。
3.由于各项技术的日臻完善，肿瘤微波消融具有简便、安全的特点。相对射频来讲，热效率高，手术时间短，一般从几秒到30分钟就可消融直径0.5到5cm的肿瘤，减少术中风险及病人痛苦，而且凝固体积大小可控。
4.且根据肿瘤形状大小的不同，临床上对消融形状的需求呈现多样化，为保证消融完整，同时尽量减少对健康组织的损伤，“适形消融”是未来趋势，在保留安全消融边界的前提下，消融形状与病人肿瘤病灶的形状大小越接近越好。
5.目前，市面上主流微波消融天线都采用同轴电缆将微波传输到天线辐射端，天线辐射过程中，会导致同轴电缆的外导体形成感应电流，从而导致消融区域不可控制，形成水滴形消融形状。目前主流解决方法是采用扼流环或使用缝隙天线，或者，利用水等作为冷却介质对微波发射区域的后端进行冷却，防止针杆灼伤正常组织。
6.对于这两者手段，扼流环设计上需满足1/4波长（波长一般为2cm左右）情况下才能起到对波形成高阻抗，达到抑制同轴电缆外导体的感应电流，目前的产品里，扼流环有固定在同轴电缆或引水管上两种方式。而肿瘤组织的介电特性随温度升高而变化，导致扼流环抑制表面电流性能下降。通过在同轴线的外导体上开槽，使得微波能量在病灶中辐射。但是，为得到所需的消融形状，目前开的槽长度长，间距大，使得消融针的能量辐射部分过长，缝隙辐射产生的消融区域呈椭球型，圆度小，且天线的尖端能量较少，容易产生烧尾效应。若针杆内设有水冷通道，消融针的针体会变粗，对人体损伤也就大；同时消融针的结构和工艺也变得复杂，因此可靠性和安全性降低；由于有水冷，需要连接进出水管，进出水管的负重影响医生手术时操作精准性和稳定性，尤其在治疗甲状腺等肿瘤时须有专人托住线管。
7.因此，目前亟需设计一种无需水冷或扼流环等结构和附加零件，能够生成球形或椭球形消融区域，临床使用便捷，且构造简单，便于加工的微波消融针。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是提供一种基于断开式外导体结构的微波消融天线。
9.该消融天线包括消融针杆和同轴电缆，消融针杆尖端为锥状，提供穿刺作用，消融针杆包括金属套筒、内导体、介质层一、介质层二、外导体和绝缘介质层；同轴电缆由内导体、外导体和介质层构成，同轴电缆分为前中后三段，前段内导体
与同轴电缆头部外导体焊接，中段外侧套有金属套筒，中段断开外导体，后段内部为由金属圆柱构成的内导体，内导体的外侧依次覆盖介质层二、外导体、绝缘介质层和金属套筒，金属套筒前端留有空气层，金属套筒和内导体之间设置介质层一。
10.其中，同轴电缆头部基于阻抗匹配的需要被加工成所要求形状。
11.外导体和金属套筒为金属圆环柱。
12.外导体为断开式结构，在距离同轴电缆头部的顶端5mm处向后断开外导体，一般的，电缆后段外导体与同轴电缆头部外导体之间有4~8mm的间隙，使外导体和同轴电缆头部之间形成开路。
13.金属套筒设置在同轴电缆的中段，一般的，金属套筒长度为9~13mm，金属套筒距离同轴电缆头部留有0.5~2mm的间隙，用于微波能量的发射。在加工制造时使用不同长度的金属套筒即可实现球形消融区域和椭球形消融区域的控制。
14.介质层一位于金属套筒前端，长度小于金属套筒，金属套筒后端和内导体之间由内而外依次设置介质层二、外导体和绝缘介质层。
15.金属套筒直径约为1.4~1.6mm，金属套筒与介质层一套接，金属套筒与外导体形成开路。
16.绝缘介质层选用介质为聚四氟乙烯。
17.该消融天线工作频率为2450
±
50mhz。
18.消融针杆为聚四氟乙烯材质，且外侧涂有耐高温防粘涂层，防止高温下组织与针杆进行粘连。
19.为实现天线最佳的阻抗匹配，天线顶端被加工成所需要的形状，如焊接直径略大的金属圆环；同轴电缆中段的金属套筒可以向内侧部分增厚，增厚的部分可以焊接在金属套筒上，也可以与金属套筒一体成型，增厚的部分依据需要可以被加工成特定的大小与形状；套筒与同轴电缆后侧间隙填充聚四氟乙烯。
20.本发明的上述技术方案的有益效果如下：1.本发明无需水冷，减小了天线直径，对人体的损伤更小；2.消融针内部无需添加冷却水通道，降低了加工工艺的复杂程度，提高了可靠性和安全性；3.临床使用时无需连接进出水管，避免了进出水管的负重影响医生手术时操作精准性和稳定性；4.本发明结构简单，在保持低s11参数的情况下，无较多焊接、铆接等工艺需求，加工难度低；5.本发明的缝隙数目少且集中在同轴线的前端，具有较高的强度且能量辐射集中在尖端；6.本发明产生的消融天线后向辐射较小，且消融区域形状能够方便的在球形与椭球形之间进行调节。
附图说明
21.图1为本发明的基于断开式外导体结构的微波消融天线结构示意图；图2为图1中a横截面视图；
图3为图1中b横截面视图；图4为本发明实施例中基于断开式外导体结构的微波消融天线在肝脏中的s参数仿真结果图；图5为本发明实施例中基于断开式外导体结构的微波消融天线在肝脏中的2.45ghz温度场仿真结果图。
22.其中：1-消融针杆；2-空气层；3-金属套筒；4-介质层一；5-内导体；6-绝缘介质层；7-外导体；8-介质层二；9-同轴电缆头部。
具体实施方式
23.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
24.本发明提供一种基于断开式外导体结构的微波消融天线。
25.如图1、图2和图3所示，该消融天线包括消融针杆1和同轴电缆，同轴电缆置于消融针杆1内，消融针杆1尖端为锥状，消融针杆1内包括金属套筒3、内导体5、介质层一4、介质层二8、外导体7和绝缘介质层6；同轴电缆由内导体、外导体和介质层构成，分为前中后三段，前段即为同轴电缆头部，前段内导体外部设置介质层二8，前段外导体包裹内导体端部,前段内导体端部与外导体焊接，中段外导体断开，断开处套有金属套筒，后段内部为由金属圆柱构成的内导体，内导体5的外侧依次覆盖介质层二8、外导体7、绝缘介质层6和金属套筒3，金属套筒3前端留有空气层2，金属套筒3和内导体5之间设置介质层一4。
26.外导体7和金属套筒3为金属圆环柱。
27.外导体7为断开式结构，电缆后段外导体与同轴电缆头部9之间有4~8mm的间隙，使外导体7和同轴电缆头部9之间形成开路。
28.金属套筒3长度为9~13mm，金属套筒3距离同轴电缆头部9留有0.5~2mm的间隙，用于微波能量的发射。
29.介质层一4位于金属套筒3前端，长度小于金属套筒3，金属套筒3后端和内导体5之间由内而外依次设置介质层二8、外导体7和绝缘介质层6。
30.金属套筒3直径为1.4~1.6mm，金属套筒3与介质层一4套接，金属套筒3与外导体7形成开路。
31.绝缘介质层6选用介质为聚四氟乙烯。
32.该消融天线工作频率为2450
±
50mhz。
33.消融针杆1外侧涂有耐高温防粘涂层。
34.在具体设计中，同轴电缆内导体5与同轴电缆头部9外导体焊接为整体，金属套筒3与介质层一4套接后套在同轴电缆内导体5上，金属套筒3后部延伸出来的部分与同轴电缆外导体7之间填充绝缘介质层6。
35.消融针杆1外侧涂有耐高温防粘涂层，如ptfe涂层，消融针杆材料为聚四氟乙烯，直径为1.8mm；电缆内导体5与同轴电缆头部9外导体焊接，焊接方法可以采用锡焊，激光焊，钎焊等，材料上可以选用各种导电金属，如铜、铁、铝、金、银或其合金等，其中优选铜、金属表面
镀铜或铜类合金材料，内导体直径为0.27mm；同轴电缆头部9长度为5mm，外形可依据天线阻抗匹配需要和加工方式的不同，可以采用各种形状；介质层一4、介质层二8均为电缆内部填充介质，具有较高的相对介电常数，如耐高温的微波介质陶瓷等，介质层一4、介质层二8既可以选择一体成型也可以选择单独成型后拼接，其中介质层一4的长度为6 mm，外径为0.94mm；金属套筒3内径为1.44mm左右，材料优选铜、金属表面镀铜或铜类合金材料，长度可依据目标肿瘤形状进行更改，通常为9-13mm，金属套筒3与介质层一4套接部分可依据阻抗匹配和加工方式采用不同的形状，金属套筒3中部向内凸出，向内凸出部分采用焊接方式或压铆等其他工艺加工，也可直接一体成型；金属套筒3前端与介质层一4前端之间留有约1mm长的空气层2；金属套筒3与外径为1.19mm的电缆外导体7之间的间隙填充有绝缘介质层6，优选耐高温塑料材质，如聚四氟乙烯。
36.在设计好该消融天线后，其在肝脏中的s参数仿真结果如图4所示，图4能够看出该天线在2.45ghz下的回波损耗特性，其中参数表示天线在该频率下的发射效率，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差；在肝脏中30w消融10min的2.45ghz温度场仿真结果如图5所示，图5能够看出在肝脏中30w消融10min后的2.45ghz温度场分布，可以预估消融区域的大小和形状。
37.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。