采用冲激脉冲辐射天线实现皮秒脉冲电场生物组织聚焦的仿真分析

为实现高强度ps脉冲电场在生物组织中的良好聚焦,仿真研究了冲激脉冲辐射天线(impulse radiatingantenna,IRA)的聚焦效果。结合前期研究成果,利用CST Microwave Studio软件建立了长椭球形IRA模型,仿真分析了其聚焦后电场在简易乳房组织模型中的传播规律。在此基础上,引入锥形天线模型,研究经锥形天线抵消主路径后IRA在生物组织中的聚焦特性。仿真结果表明:在具有低电导率的乳房组织模型中,天线在焦点处可以实现良好聚焦;当乳房组织的电导率增至0.5S/m时,其聚焦特性完全消失;引入锥形天线,当其距离生物组织边界为5cm时,可以实现IRA在较高电导率生物组织中的最优聚焦。

冲激脉冲辐射天线在生物组织中聚焦特性的仿真分析

通过特殊设计的超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA)将高强度ps电场脉冲靶向聚焦于肿瘤组织,可以在ps电场脉冲的作用下诱导肿瘤细胞凋亡,从而实现肿瘤的无创治疗。为此,充分考虑无创治疗的实际情况,分别通过Ansoft HFSS软件仿真和建立数学模型的手段,以生物组织内的皮下肿瘤为靶向目标,对冲激脉冲辐射天线在生物组织中聚焦特性进行了研究。研究发现:冲激脉冲辐射天线辐射ps电场脉冲在生物组织靶向焦点区域聚焦时,在空间上,ps电场脉冲分散分布在x轴远离靶向焦点的区域;在时间上,ps电场脉冲到达x轴聚焦时具有较大的时间差,从而难以在生物组织内形成有效聚焦。为了改善ps电场脉冲在生物组织中的聚焦效果,从理论分析以及公式推导发现:可在天线内填充与生物组织介电常数相近的耦合介质来解决冲激脉冲辐射天线与生物组织的匹配,以实现ps电场脉冲在生物组织内的有效聚焦。

冲激辐射天线实现皮秒脉冲电场在人体大脑模型中聚焦的研究

采用三维电磁场仿真软件CST Microwave Studio建立长椭球型天线模型和介质透镜模型,研究皮秒脉冲经冲激脉冲辐射天线发射后在人体大脑模型中的聚焦特性。结果表明,传播至大脑组织深度6 cm处的电场能够保持输入波形的时域特性;皮秒脉冲能够进入大脑组织深度8 cm处,且此时形成的焦斑尺寸最小;不包含介质透镜和包含非损耗介质透镜时,形成的焦斑尺寸为1 cm×2 cm×1 cm,而引入损耗介质透镜后,形成的焦斑尺寸小于1 cm×1 cm×1 cm。研究结果从理论上证明了联合损耗介质透镜和单个冲激脉冲辐射天线能够实现皮秒脉冲在深部脑组织中的有效聚焦。

生物医用冲激脉冲辐射聚焦天线的设计与优化

ps级电场脉冲的宽度远小于生物组织的细胞核膜与细胞膜的充电时间常数(几十纳秒和几百纳秒),且具有丰富的超宽带频谱(几乎从直流到GHz),因而具有很高的时间分辨率和空间分辨率。文章提出一种由同轴TEM馈电的圆锥结构与椭球面反射器组成的超宽带冲激脉冲辐射天线,通过冲激脉冲辐射天线将高强度皮秒电场脉冲传输至生物组织浅层靶点位置形成有效的聚焦。仿真分析了4种模型在不同条件下聚焦区域的电场分布,并对天线结构进行了优化选择。结果显示该天线在焦点区域的电场分布保持了输入脉冲的冲激特性,电压驻波比小于2,且具有稳定的增益和场方向图,x轴方向电场分布的半峰带宽小于20mm,y轴和z轴方向小于10mm。

ps电场脉冲无创治疗肿瘤的方法及天线设计

由于细胞线粒体膜的充电时间常数远小于细胞核膜与细胞膜的充电时间常数,在ps电场脉冲作用下,线粒体膜将先于细胞核膜与细胞膜受到脉冲的影响。为此,整合无创治疗的应用需求以及电场脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应,提出通过冲激脉冲辐射天线将ps脉冲聚焦于肿瘤组织,使肿瘤细胞线粒体跨膜电位发生变化而崩溃,启动线粒体途径的凋亡靶向诱导,实现肿瘤的无创治疗,初步实验与仿真结果表明该理论的可行性。根据超宽带天线设计理论,设计了一种用于辐射ps电场脉冲的冲激脉冲辐射聚焦天线,初步优化结果显示当金属板与x轴夹角β为90°~95°以及单圆锥辐射器的半张角α为30°~35°时,可以使天线在靶点位置得到最大的场强分布。

高强度皮秒电场脉冲无创治疗肿瘤天线设计

高强度电场脉冲的脉宽从纳秒级减小到亚纳秒级甚至皮秒级宽度,将使得电场脉冲对生物体结构和功能的影响研究进入新的领域。根据椭球的几何特性,提出一种由椭球面反射器和单圆锥辐射器组成的冲激脉冲辐射聚焦天线,天线可以把高强度皮秒级电场脉冲无创伤地传输至浅层生物组织处。通过高强度电场脉冲的作用来诱导肿瘤细胞凋亡并起到杀伤作用,从而实现肿瘤的无创治疗。仿真结果表明超短时电场脉冲在靶点位置能形成有效的聚焦,并具有很高的幅值,增益和电场方向图在频带内变化稳定,同时,天线性能指标电压驻波比小于2,反射损耗小于-10dB,满足超宽带时域天线的设计要求。

损耗介质透镜实现皮秒脉冲电场在乳房组织模型中的聚焦

为实现ps脉冲电场(ps PEF)经冲激脉冲辐射天线(IRA)发射后在近似实际乳房组织(电导率为0.5 S/m)模型中的有效聚焦,采用计算机仿真技术(CST)Microwave studio软件构建了天线及乳房组织模型并计算了ps PEF在其中的聚焦特性。结果表明:引入优化参数的损耗介质材料(厚度为1 cm,电导率为10 S/m)衰减小路径角电场,最终能够实现ps PEF在焦点F2处的聚焦(电场强度E=0.08 V/m);损耗材料的引入使得焦点F2处的电场强度大大减小,引入损耗介质透镜,不仅实现了ps PEF在乳房组织模型中的良好聚焦,而且焦点F2处的电场强度(E=0.45 V/m)大大增强。因此,优化设计的损耗介质透镜能够实现ps PEF在生物组织中的有效聚焦。

皮秒电场脉冲在肿瘤无创治疗中的聚焦特性

根据光学原理,提出一种由椭球面反射器和单圆锥辐射器组成的超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA),通过IRA将高强度皮秒电场脉冲无创伤地传输至生物组织深处靶点位置形成有效的聚焦,汇聚的皮秒电场脉冲能够诱导肿瘤细胞的细胞器(线粒体)跨膜电位发生变化而崩溃,继而杀死肿瘤细胞,并能避免对正常组织的损伤,从而实现肿瘤的无创治疗。根据时域电磁场理论,对皮秒电场脉冲分别在有和无生物组织情况下的传播特性进行了分析。皮秒电场脉冲在传播过程中都能保持输入脉冲的冲激特性,并且在靶点区域具有很高的分辨率。同时,由于媒质的色散性质,皮秒电场脉冲的幅值会发生衰减,且脉宽出现拓宽现象。