宽带电磁脉冲辐射对肿瘤的加热效果研究

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本文旨在研究受到1-11GHz的超宽带电磁脉冲照射后的包含肿瘤的组织模型的热效应。首先,使用基于时域有限差分(FDTD)算法的商业软件XFDTD6.3对包含肿瘤的生物组织进行二维建模,其剖分网格大小为1mm×1mm×1mm。该模型包括三种材质:肿瘤组织、脂肪组织和去离子水,去离子水作为自由空间和生物组织之间的耦合介质存在。生物组织的电特性随频率变化,其具体频率的电特性可以根据德拜方程求解出来,在工作频率为6GHz时,肿瘤组织的电导率σ=4.82S/m,相对介电常数ε r=50.74,脂肪组织的电导率σ=0.4S/m,相对介电常数ε r=9.8;其次,生物模型暴露在16个单极子天线均匀分布围成的空间内,所用激励源为高斯调制脉冲。由于不同生物体内发生肿瘤的位置不同,为了使热能量更加集中,需要根据肿瘤的位置和辐射器单元的位置确定每一个辐射器单元的时延,确保天线阵列的辐射同时到达肿瘤的中心位置;接下来,基于比吸收率(SAR)的计算公式、生物热传导方程及边界条件用MATLAB软件编制了SAR计算程序和温度计算程序;最后,得出整个生物组织内的SAR分布及温度分布场,并根据临床热疗对温度的要求验证所得结果是否符合标准。在本文研究的SAR分布和温度分布中,主要分析了肿瘤的两种位置情况。肿瘤位于模型组织的中心位置时肿瘤与脂肪组织交界处的温度在41.5oC以上,瘤内中心温度高达48oC以上,生物组织的边缘温度最高点为39.4oC,符合临床热疗法对温度的控制要求;肿瘤偏离模型的中心位置时肿瘤组织与脂肪组织交界处的温度为41.75oC,瘤内中心温度为49.43oC,生物组织的边缘温度最高点为41.46oC,微环境中此温度不会对正常组织造成伤害,符合临床肿瘤热疗对温度的控制要求。
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