在XFdtd中模拟了为肝脏微波消融（肿瘤治疗）而开发的双槽扼流天线，以确定天线性能和该设备治疗深部肿瘤的效果。这项研究基于 Bertram 等人发表的论文[1]，该论文描述了天线在牛肝组织中的回波损耗和 SAR 分布。除了重复这些结果外，还使用 XF 的热解算器来确定天线辐射引起的肝组织温升。
天线是一种探针，用于插入肝脏，以烧灼难以或无法用其他方法切除的肿瘤组织。天线由一条同轴线和一个铜扼流圈组成，铜扼流圈的作用是平衡。整个天线由介质导管覆盖。天线的 CAD 表示法如图 1 所示，其中导管为半透明，以显示下面铜部件的细节。图 2 显示了使用 XF 中的PrOGrid 项目优化网格定义的天线截面图。
图 1：所示为双槽扼流天线的 CAD 图。介质导管显示为半透明，以便查看内部结构。
图 2：显示 FDTD 网格的天线内部截面图。此处的网格由 PrOGrid 确定。
测得的肝组织电参数以 0 至 20 千兆赫电导率和介电常数两幅图的形式提供。离散数据点被数字化并输入 XF 的色散材料计算器功能。该工具可将测得的电导率和介电常数转换为色散材料轮廓，用于电磁模拟。输入数据和 XF 材料曲线拟合结果的菜单和曲线图如图 3 所示。
图 3：分散材料计算器工具显示了肝脏组织的频率相关材料参数。肝脏电导率和介电常数与频率的关系被输入到工具中，并通过曲线拟合算法定义了一个可在 XF 中使用的色散材料模型。
通过在同轴线上施加 TEM 模式源对天线进行激励。然后将其放置在肝组织块的中心，参数由分散材料计算器定义。模拟几何形状如图 4 所示。如图 5 所示，经过宽带模拟后，回波损耗在 2.45 GHz 设计频率下显示出可接受的匹配。
图 4：所示为模拟的整个几何图形，包括天线和周围的肝脏组织。
图 5：在 2.45 千兆赫的预定设计频率下，天线的回波损耗显示出可接受的性能。
天线设计通过验证后，在 2.45 GHz 频率下进行了第二次模拟，并计算了比吸收率（SAR）数据和温升。SAR 表示组织吸收的功率，本例中为 50 W 输入功率。图 6 以瓦特/千克的线性比例显示了天线横截面上的 SAR 图。第二幅图以对数标度显示 SAR，显示 5 dB 变化区域，如图 7 所示。
图 6：以瓦特/千克的线性比例显示输入天线 50 瓦功率时肝脏组织的比吸收率（SAR）。吸收的功率与天线的辐射孔紧密相连
图 7：在天线输入功率为 50 W 的情况下，肝脏组织的比吸收率 (SAR) 以对数刻度显示，每个色带代表 5 dB 的下降。
热模拟计算吸收功率在组织中的温升，包括热连接材料之间的传导热传递、血液灌流、新陈代谢过程和一般射频加热的影响。在本例中，肝脏组织为非生物组织，因此不包括血液灌流和新陈代谢过程。图 8 中绘制了输入功率调整为 50 W 的信号源的温升，显示了探针尖端附近的剧烈加热。
图 8：输入功率为 50 W 时肝脏组织的温升示意图。最大温升出现在天线顶端附近。
参考资料
J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, J.G. Webster, and D.M. Mahvi, "Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model,"BioMedical Engineering OnLine, 2006, 5:15.