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脑组织射频消融的有限元仿真与分析
目的 运用有限元方法(finite element method,FEM)模拟颅内病灶射频消融过程中的温度场分布,以合理有效利用热疗方案,提高射频消融对颅内病灶的治疗效果.方法 建立电导率不变和电导率随温度变化的两种有限元模型,并对两种模型的中心温度、电场强度、热生成率、比吸收率(specific absorption rate,SAR),以及热损伤区域进行对比分析.结果 对比电导率不变的有限元模型,在电导率随温度变化的情况下,电场强度减小,电流密度增大,中心温度升高,热损伤范围增大;当消融温度接近100 ℃时电导率变化明显,其对消融效果影响较大.结论 射频热疗手术中考虑随温度变化的组织参数有较高的临床参考价值.
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基于热传导项的微波消融比吸收率检测方法
目的 为提高微波消融温度场模拟的准确性,本文对微波天线比吸收率(specific absorption rate,SAR)检测新方法进行研究.方法 以2450MHz水冷微波天线消融体模为研究对象,在Pennes生物传热方程的基础上,采用一种新的考虑热传导项的比吸收率SAR测量方法,推导出微波天线SAR,并采用有限元分析方法模拟微波消融温度场分布,通过与实验检测结果进行对比验证温度模拟的准确性.结果 模拟温度与实测温度相吻合,大温差2.71℃,平均温差0.73℃,一致性较高.结论 通过考虑热传导项的比吸收率计算的新方法求解出SAR,可显著提高微波消融有限元温度模拟预测的准确性.
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植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究
电磁耦合谐振式无线电能传输技术利用两个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈,当其处于谐振状态时,通过电磁振荡、依靠非辐射场来实现能量的高效传输,因具有较好的距离、空间自由度和效率优势,成为人体植入式装置无线能量供给的创新方法.针对心脏起搏器能量无线传输问题,设计一种新型的植入式天线系统.为验证其人体辐射安全性,针对人体胸腔构建3层介质模型,应用时域有限差分(FDTD)方法,使用HFSS软件对胸腔比吸收率(SAR)进行数值仿真.结果表明,在线圈间距10 mm,中间具有0.1mm空气层、0.2 mm皮肤层和约9.7 mm肌肉层,激励为9.17 MHz、1W的条件下,利用这个天线系统对人体植入式设备进行无线能量传输,正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值为0.009W/kg,非正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值大为0.823 W/kg,均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全标准,从而验证该植入式天线系统对人体影响的安全性.
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双缝水冷微波偶极子在生物介质中热场分布的仿真研究
0 引言近年来,微波辐射器用于温热疗法(Hyperthermia)治癌受到肿瘤临床的普遍重视[1～3].微波偶极子辐射天线常用于人体内部,尤其是各种自然腔道(如食道、直肠、阴道等)内肿瘤热疗中.肿瘤热疗临床中常用有效治疗体积(定义为温度在41～45℃范围的体积)来衡量加热场的优劣.近年来临床工程经验证明,采用水冷式偶极子辐射器能较好地避免辐射器壁附近正常组织过热,有利于提高辐射功率和增加有效治疗范围[2],但尚无较好的近场辐射理论作指导.作者已从电磁场理论模型出发,分析了水冷式单缝隙微波偶极子辐射器在生物介质(均匀肌肉模型)中的近场辐射特性[4],用数值计算方法得到比吸收率(specific absorption rate-SAR)分布;计算了其温度场分布特性并进一步经体模实验证明:水冷明显改善径向有效治疗深度,但对轴向热场分布无显著改进[5].根据电磁场迭加原理,可以想见:若使两个微波偶极子的辐射场在轴向以一定间距方式迭加,则应对其轴向电磁场分布有很大的影响.本文按此思路,根据电磁场理论模型和迭加原理,采用高斯积分法和辛普森积分法相结合,计算了具有双缝隙的水冷式微波偶极子辐射器在生物介质中的SAR分布,并求解相应的生物介质热传导方程得到温度分布.通过仿真计算讨论其热场分布形态随两缝隙间距的变化关系,以期指导腔道水冷式微波辐射器的研制设计和热疗临床应用.
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电容射频热疗中引入内电极对深部热场分布影响的仿真研究
深部热场控制是电容射频热疗用于深部治癌时尚未能有效解决的难点.本文研究了引入内部电极(接地或接极板)对电容射频(13.56MHz)热疗深部热场的比吸收率(SAR)和温度分布影响.模拟计算表明:引入内电极将显著改变深部热场分布,使80%以上的SAR集中于该电极周围,并使内电极附近成为温度高的热点;调整内电极位置和加电方式可有效地控制深区SAR和温度分布形态,可为深部肿瘤热疗提供新的加热方法.
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移动通信手机天线对人体作用的温度分布研究
应用时域有限差分法和包括人头、胸、手在内的分辨率为0.655cm的人体非均匀立方块模型,本文在900MHz分析了λ/4移动通信手机天线在6种使用方式下对人体作用的比吸收率(SAR)分布.在考虑人体内基础新陈代谢率、吸收电磁能等热源,组织间通过传导和血液灌流进行的热传递,及与外界通过辐射、对流、无感觉出汗等进行的热交换的因素下,用交替方向隐式有限差分法求解生物热传导方程,得到手机作用下人体内的温度分布.分析表明,辐射功率约为1W的手机,在两种典型使用方式下,在脑内和眼内的大温升分别为0.039℃和0.066℃,落于人体核心温度变化的正常范围内(37.0±0.5℃).
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微波辐照对免疫系统功能的影响
微波辐射是一种非电离辐射,频率范围为300 MHz至300 GHz、波长范围为1 m至1mm.近年来,随着雷达、移动电话等通讯设备及家用微波设备、医用微波设备的广泛应用,越来越多的人暴露在微波污染当中.微波通过热效应及非热效应对人体产生各种生物学危害.随着分子生物学等技术的不断发展,国内外研究人员试图从细胞、分子水平上阐述微波对生物体的各种影响.由于微波频率、照射功率及时间、比吸收率(special absorption rate,SAR)计算等实验因素的差异,微波对人体影响的结果也不相同.免疫系统是微波辐照敏感靶系统之一,微波可以直接或间接影响机体免疫功能,且具有一定的双效性.本文就近年来微波对免疫系统影响的研究进展进行综述.
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微波热疗腔内辐射器性能表征的应用研究
肿瘤热疗是用物理方法使肿瘤产生热生物效应的治疗方法.近20年来,多学科协作攻关对这一治疗方法有了较深入的认识.组织受热后的温度场分布对于评价加热机的性能以及改善加热场的分布具有重要意义.热疗腔内辐射器的温度特性曲线是由许多物理特性决定的.对其性能的评价是以模型研究为基础的,模型研究可得到各种不同物理参数下加热曲线的实际测量曲线以及模型内电场的能量比吸收率(SAR)和温度分布的确定.为了评价辐射器性能及更好地指导临床治疗方案的优选,特进行了以下实验.
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50 MHz～3 GHz电磁辐射下人体中枢神经系统比吸收率计算
目的:计算并比较不同频率电磁波作用下人体中枢神经系统比吸收率(specific absorption rate,SAR)分布特点,为寻找损伤靶点和设计试验提供剂量学依据.方法:采用时域有限差分法计算人体仿真模型比吸收率及其分布.模型身高1.70 m,体重63 kg,由42种组织器官共1.4×107个网格单元构成.结果:给出了50 MHz～3 GHz频率范围、平面波、前后向照射、E和H极化条件下人体中枢神经系统SAR,其中脊髓、小脑和大脑分别在90 MHz、250 MHz和900 MHz 达到SAR峰值,分别为0.57,0.28和0.32 W/kg.结论:中枢神经系统中的大脑、小脑和脊髓分别在不同的频率处具有高电磁能量的吸收.
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量度微波生物效应的实验剂量学研究进展
微波剂量学是对沉积在生物体内的微波能量及其分布的物理量度.它通常用比吸收率(SAR)来表示生物效应和作为防护限值量,SAR不仅与入射微波有关,还与生物体的电特性、尺寸、形状、结构有关.本文综述了几种确定SAR的实验方法,包括能差法、电场法、测温法、量热法和热像法,并对其用途和误差来源进行了分析.
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高功率脉冲微波照射时大鼠体内SAR值计算
目的计算高功率脉冲微波照射条件下大鼠体内的比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)分布.方法在建立的脉冲辐射场及大鼠电磁模型的基础上,采用时域有限差分法计算大鼠体内的感生电场分布,进而得到比吸收率.结果计算了不同脉宽和重复频率条件下的峰值比吸收率和平均比吸收率,并按防护标准的要求分别计算了SAR1、SAR10和WBA-SAR.结论照射条件相同,仅改变微波脉冲宽度,峰值比吸收率变化很小;在同一次照射中,比吸收率按SAR1 Max、SAR10Max和全身平均SAR值依次下降,存在局部"热点";在相同的远场照射条件下,实验动物越小,全身平均SAR值越大.
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电磁波照射时大鼠体内比吸收率值计算
目的建立电磁波照射时大鼠的电磁模型,并计算大鼠体内的比吸收率(specific absorption rate,SAR)分布.方法在用计算机辅助设计(CAD)软件建立大鼠三维模型而获得的电磁模型的基础上,采用时域有限差分法计算某一电磁波照射条件下大鼠体内SAR.结果利用建立的大鼠电磁模型计算了电磁波照射时体内的平均SAR和SAR分布.结论所建立的大鼠电磁模型可以用于电磁波照射时SAR的计算,为相关的电磁生物效应研究提供一个参数.
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微波暴露下实验用鼠体重与电磁能量吸收关系研究
目的 探讨实验用鼠暴露于3 GHz微波时,其体重与全身平均比吸收率以及电磁能量吸收之间的关系.方法 首先基于鼠核磁共振三维解剖图像,建立了包含45种生物组织的鼠电磁模型,再通过改变模型的单元尺寸来改变模型的大小与体重,得到长度9～24 cm,相应体重16～334 g共16个鼠电磁模型;然后采用时域有限差分法计算3 GHz微波照射下各个鼠模型体内的感生电场分布,进而得到鼠模型吸收的电磁能量与比吸收率.结果 在3 GHz微波照射下,鼠体重与全身平均比吸收率的关系可分为3个区域,每个区域均可拟合成一条直线;其中,小鼠区域全身平均比吸收率变化剧烈,中等鼠区域变化趋于平缓,大鼠区域变化更为平缓.鼠体重与电磁能量吸收的关系可以拟合成一条二次曲线,当鼠模型较小时,吸收的电磁能量大致相同,当鼠模型逐渐增大时,鼠吸收的电磁功率也逐渐增大,但增大的幅度小于体重增加的幅度.结论 动物越大,其在电磁场中吸收的电磁功率也越大,但其全身平均比吸收率却越小.在相同的照射条件下,大鼠因体重变化而产生的受照剂量差异比小鼠小很多,因此建议使用大鼠作为电磁生物效应实验用鼠.
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2450MHz侵入式天线的设计与实验
目的:对2450MHz全裸、半裸、偶极子和挽袖侵入式医用微波辐射天线的热疗性能进行实验比较.方法:通过对莴笋加热,测定4种天线的比吸收率,比较它们的加热效果.结果:挽袖天线的加热效果好,其次是偶极子天线加热效果较好,全裸和半裸天线容易发生打火现象.结论:挽袖天线的加热效果好,它的加热范围大,形状固定,基本不受插入深度的影响.
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环境电磁场与人群超敏性
为了预防已知的电磁场对人体健康的不良影响,极低频(ELF)和射频(RF)频段的电磁场暴露限值已经制定且被广泛采用(ICNIRP 1998)[1].该导则的基本限值(basic limits)限定了电磁场的体内暴露剂量,例如ELF电场和(或)磁场在体内诱导的电流密度,以及RF电磁场(RF-EMF)在体内的比吸收率(SAR).
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对讲机通讯微波危害及其对健康影响的调查分析
为了探讨对讲机微波辐射危害及其对健康影响,测试了对讲机辐射强度并对使用者进行了健康问卷调查.结果表明,对讲机在辐射状态时,先出现辐射强度大值,其后强度降低并保持相对稳定,辐射值随距离增大而迅速减小;年龄、性别、工龄及日接触时间等均可影响神经衰弱症状阳性率.提示,多数对讲机辐射强度超过现行标准,应加以综合治理.
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微波热疗中的关键技术及其热点问题
随着热疗工程学及热疗生物学的不断发展完善,微波热疗的治疗效果将得到显著提高.目前微波热疗技术尚未成为常规治疗方案,究其原因足某些关键技术和核心问题没有得到合理解决和完善.微波热疗中的关键技术包括热剂量规划、天线设计、术中温度测量,影像引导下的温度实时监控和术后疗效评估.由于个体差异性,比吸收率日前还没有准确值.血管传热带止部分热量从而削弱热疗的疗效,因此比吸收率和血管传热将是微波热疗中研究的热点问题.
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不同手机对鼠脑的电磁影响
本研究是评估手机对鼠脑的电磁影响.将23只120-125g的wilstan Albino雌性老鼠分成两组.在第一组里,使九只实验用的老鼠受手机影响,每天两次,每次30min,保持四周.确定其中5只老鼠大脑的比重,测试其余4只的血脑屏障活动.将实验结果与没受手机辐射影响的老鼠做比较,试验组老鼠和对照组老鼠没有明显的差别.在第二组里,使6只实验用老鼠受手机影响,观察其脑部温度的变化.它们受手机和螺旋型天线(由900MHz,2W,RF信号发生器馈电)影响,持续6分钟,用皮下的和距耳朵上部硬脑膜下2mm深的荧光热探针记录不同的温度变化.每次辐射后要间隔五分钟,以使其脑组织保持热平衡.大脑高增加温度为0.31℃,皮下为0.93℃.由不同磁场(EM场)下所测的温度,可得比吸收率(SAR)值.
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对讲机通讯微波危害调查分析
[目的]探讨对讲机微波辐射危害。[方法]对讲机辐射强度测试及对使用者健康调查分析。[结果]对讲机在辐射状态时，先出现大值，其后强度降低并相对稳定，强度值随距离增大而减小；接触组症状阳性率高于对照组。[结论]多数对讲机辐射强度超过现行标准，应加以治理。
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侵入式微波天线热疗性能研究
设计了2450MHz全裸、半裸、偶极子和挽袖侵入式医用微波辐射天线,通过比吸收率比较它们在体模中的加热效果,研究表明:挽袖天线的加热效果好,它的加热范围大,形状固定,基本不受插入深度的影响.
