Направленная антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК A61N5/00 

Изобретение относится к медицинскому приборостроению в области использования СВЧ-облучения для терапевтических целей. Гипертермия является одним из эффективнейших способов лечения злокачественных опухолей, применяемым сейчас практически во всем мире. Входящие в состав гипертермических установок СВЧ-диа- пазона антенны должны обеспечивать заданное распределение ближнего поля. Предлагаемая антенная решетка позволяет улучшить характеристики излучения, по сравнению с известными антеннами, с точки зрения обеспечиваемого терапевтического эффекта.

Известна малогабаритная направленная антенная решетка, в которой излучатели расположены гораздо теснее, чем в обычных антенных решетках и в ФАР. Эта антенная решетка отличается тем, что фазовые центры составляющих ее излучателей расположены по окружности с диаметром, меньшим длины волны. Все излучатели возбуждаются противофазно по отношению к соседним излучателям. При этом за счет неполного гашения в пространстве полей, возбуждаемых противофазными близко расположенными излучателями, формируются в определенных направлениях острые лучи с ослабленной амплитудой поля.

На фиг. 1 показана для примера структура и комплексные амплитуды возбуждения излучателей сверхнаправленной антенной решетки, содержащей четыре излучателя, и ее диаграмма направленности.

При наружной локальной СВЧ-гипер- термии часто возникает задача равномерного облучения поверхности опухоли при

VI

00 о

;СЛ

минимальном повреждении окружающих здоровых тканей. Для решения этой задачи предназначена предлагаемая антенная решетка, которая обеспечивает близкое к прямоугольному распределение излучаемого поля, что подтверждено экспериментально

Цель изобретения - равномерное облучение поверхности опухоли при гипертермии и минимальное повреждение окружающих здоровых тканей за счет фор- мирования однонаправленного излучения с прямоугольной характеристикой направленности.

Цель достигается тем, что в антенной решетке, содержащей излучатели, фазовые центры которых расположены по окружности с диаметром, меньшим длины волны, создается не противофазное, а синфазное возбуждение излучателей. Этот вид возбуждения реализуется за счет изменения. по сравнению с прототипом, электрических длин питающих линий излучателей таким образом, чтобы они отличались друг от друга на величину 2п я, где п 0, 1 2. В результате вместо неполного гашения по- лей отдельных излучателей, как это происходило в прототипе, в предлагаемой антенне происходит сложение полей отдельных излучателей, что при малых рассто- яниях между фазовыми центрами и следовательно, сильной связи между излучателями обеспечивает формирование прямоугольной характеристики направленности с плоской вершиной и крутыми склонами.

На фиг. 2 показана структура предлагаемой антенной решетки, содержащей, для примера, 4 излучателя, возбуждаемых в фазе, и качественный вид характеристики направленности решетки.

В качестве примера конкретной реализации предлагаемой антенны была изготовлена методом интегральной технологии малогабаритная антенная решетка, содержащая четыре излучателя, фазовые центры которых расположены на окружности диаметром 0.25 длины волны.

В качестве излучателей были выбраны сдвоенные печатные вибраторы на основе щелевой линии. Этот излучатель представляет собой отрезок щелевой линии расши- ряющийся на конце и дополненный пассивным ленточным печатным вибратором, расположенным на той же подложке на определенном расстоянии от торца металлизация щелевой линии. Такая антенна обеспечивает однонаправленное излучение с шириной диаграммы направленности 80- 100°.

Описываемая конкретная реализация предлагаемой антенной решетки выполнена следующим образом. На тонкой гибкой диэлектрической подложке с к 3,5 (полиамидная пленка; можно использовать также дюроид, т.е. тефлон, армированный стекловолокном, который применяется для изготовления fin - line), методом фотолитографии выполняется рисунок печатной антенной решетки. Затем пленка с готовым рисунком наклеивается на наружную боковую поверхность полого цилиндра диаметром 0,25 длины волны, изготовленного из керамики с Е 10 (22 ХС или поликор). Возбуждающий отрезок микрополосковой линии наклеивается на внутреннюю поверхность полого цилиндра и соединяется с помощью коаксиально-полоскового перехода с коаксиальным кабелем, идущим к выходу СВЧ-генератора.

На фиг. 3 представлены топология рисунка металлизации, общий вид макета и экспериментальная диаграмма направленности предлагаемой антенной решетки из четырех излучателей (конкретная реализация).

Кроме снятия антенных характеристик (КСВн (f) и диаграммы направленности) были экспериментально исследованы также согласование решетки на имитатор живой ткани и распределение ближнего поля в имитаторе живой ткани. Использовалась общепринятая методика, в качестве имитатора использовалась ванна с солевым раствором, в котором автоматически перемещался по трем координатам датчик напряженности поля, соединенный с самописцем. Испытываемая антенна подводилась вплотную ко дну ванны. Толщина стенки 4 мм (оргстекло).

На фиг. 4 представлены экспериментальные характеристики, снятые в имитаторе живой ткани: согласование КСВн (f) и распределение ближнего поля, которое так же. как и диаграмма направленности имеет плоскую вершину и крутые спады.

Поскольку при гипертермии используются высокие уровни СВЧ-мощности, обеспечивающие нагрев опухолевых тканей, излучатель был проверен на высоком уровне мощности Р 200 Вт. При этом не наблюдалось ни пробоя, ни даже заметного нагрева элементов конструкции.

КПД антенны, измеренный калориметрическим методом, не менее 93%.

Формула изобретения

Направленная антенная решетка, содержащая излучатели, подключенные через питающие линии к генератору СВЧ, при

этом фазовые центры излучателей расположены на окружности с диаметром, меньшим длины волны, отличающаяся тем, что, с целью равномерного облучения поверхности опухоли при гипертермии и минимального повреждения окружающих здоровых

тканей за счет формирования однонаправленного излучения с прямоугольной характеристикой направленности, длины питающих линий отдельных излучателей выполнены разнящимися друг от друга на п число длин волн, где п 0,1,2 и т.д.

Использование: медицинское приборостроение в области использования СВЧ-об- лучения для терапевтических целей путем равномерного облучения поверхности опухоли при гипертермии и минимального повреждения окружающих здоровых тканей за счет формирования однонаправленного излучения с прямоугольной характеристикой направленности. Сущность изобретения: фазовые центры излучателей антенной решетки расположены на окружности с диаметром, меньшим длины волны, излучатели подключены через питающие линии к генератору СВЧ, при этом длины питающих линий отдельных излучателей выполнены разнящимися друг от друга на число длин волн, гдле п 0, 1, 2 и т.д. По сравнению с известными антеннами предлагаемая антенна повышает равномерность облучения нагреваемой поверхности и уменьшает вероятность повреждения окружающих тканей, что позволяет улучшить результаты лечения и уменьшить осложнения, связанные с ожогами здоровых тканей. 4 ил. (Л

L-1

/

/

Щиг.1

ift У

9

Щи г 2

sr

Ј$

КЛ N%N

N ЧN

I I

. x . x

J

Ю «D ГО

r

i,s ч4,

vl

ixl

г,о

X, /Ч/Ч