现今,微波热疗(一种涉及加热肿瘤细胞的过程)已经是乳腺癌治疗的一种方法。通过将适当频率范围的微波能量发送到乳房,施加的电磁辐射就会诱发局部发热。重要的是将肿瘤加热至高于42℃(高温治疗所需的温度)的温度,同时将健康组织保持在正常体温。已经提出了几种有用的方法来将微波能量引导至癌组织,包括新颖的聚焦方法和创新的微波硬件设计。然而,限制在临床医学中使用微波热疗系统的许多挑战仍然存在。可以说,要克服最持久的工程问题是在乳房的复杂介质环境中实现局部聚焦的微波功率。为了理解微波热疗的挑战,需要相当大的计算工作来解决复杂乳房组织模型中的3D电磁问题。使用微波热疗来治疗乳腺癌的成功很大程度上取决于每个天线单元馈入激励信号的准确性。一些研究论文报道了关于这一主题的各种方法。尽管最近在微波热疗研究方面取得了进展,但这些研究主要依赖于过度简化的射频模型(将点源作为辐射器)以及人体乳房模型(使用的是缺乏组织热电特性的2D乳房模型),所以这些系统在临床中应用是不可行的。本文旨在通过构建3D人体乳房模型和3D天线阵列来解决这些早期研究的局限性。这将需要通过使用优化激励信号的正确相位和幅度来实现。由于乳腺癌多病发与乳房四个象限(以乳头为中心画一条水平线和垂直线,将乳房分为内上、内下、外上、外下四个象限)的表浅位置处,基于这一事实,本文使用高频结构仿真软件HFSS设计了一款工作于915MHz频点处的乳腺癌微波热疗共形阵列天线,其允许通过使用固定天线阵列将微波能量瞄准位于乳房四个象限不同位置的肿瘤。在使用HFSS计算出乳房内的比吸收率SAR(Specific absorption rate)后,通过使用多物理场仿真软件COMSOL Multiphsics对乳房内的温度场进行求解。在这项研究中,微波热疗是在更加真实的环境中进行的,而不是过度简化的情景,并且考虑了乳房组织的热电特性。仿真和实验结果表明通过对阵列天线各个阵元相位的优化,微波能量的确能够在乳房内实现偏移聚焦在乳房的四个象限的不同位置处。论文的主要研究内容包括:1.乳腺癌微波热疗的国内外研究现状概述:特别针对基于数值仿真技术的热剂量规划、基于新材料的肿瘤热疗方法、侵入性和非侵入性微波热疗辐射器进行了详细的介绍,并对微波热疗治疗乳腺癌肿瘤的机理进行了简单的介绍。2.对热疗天线设计中应用的数值方法及计算工具进行了介绍:计算工具包括:用于估计乳房吸收功率的电磁仿真工具HFSS、用于计算微波功率产生的感应温度的热仿真工具COMSOL Multiphysics。3.设计尺寸紧凑的单元天线及天线阵:在先前的研究中,天线被模拟为理想的源。为了提高系统性能,天线必须紧凑,以便为形成复杂的3D天线阵列提供灵活性。天线阵列设计成使得电磁能量可以聚焦到乳房体模内四个象限表浅层的不同位置处。4.乳房体膜及天线的制作:制作逼真的乳房体膜及阵列天线的实物,体膜应模拟人体乳房的大小及其物理特性。5.微波热疗实验:通过在微波热疗系统上进行实验来验证所提出的天线的性能。