微波在生物医学的应用与展望

微波在生物医学的应用与展望

摘要

微波及特点

微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。微波具有似光性、穿透性、热效应特性、宽频带特性、散射特性和抗低频干扰等特点。似光性：由于微波的波长很短，比地球上一般物体的几何尺寸小得多或处于同一数量级，微波的传播特性与几何光学相似，基本上沿直线传播，即具有所谓似光性。利用这一特点，在微波波段能制成体积小而方向性很高的天线系统，这使我们有可能获得各种性能良好的供局部加热使用的医用微波辐射器。穿透性：微波照射到介质时具有穿透性。微波能从介质的表面进入并在其内部传播，由于能量被吸收而转化为热能。微波的加热深度比红外加热大得多，因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外加热只是表面加热，微波是深入内部加热。微波能穿透生物体，为微波生物医学打下了基础。微波与生物体相互作用的一个重要特点是产生热效应和非热效应。热效应主要是由于生物体内存在的大量离子和极性分子在深入物质内部的微波高频电磁

场作用下，做变直线运动和变力螺旋运动，相互频繁碰撞生热使机体温度升高。这正是工业微波加热和医学上微波热疗的基础。非热效应是指除了对生物体组织的加热作用外，微波辐射对生物体的其他生理

影响，是用别的加热手段时不会出现

的。微波因具有上述特点，在军事、工业及医学等方面得到了广泛的应用。其应用主要分为两大类：一类是以微波作为信息载体，主要应用在雷达、导航、通信、遥感等领域；另一类是利用微波能，主要应用在微波加热、微波生物医学及电量非电量的检测等领域。微波的生物医学应用包括微波诊断、微波治疗、微波解冻、微波解毒和微波杀菌等。

微波在医学界的应用

a.微波医学成像

微波医学成像80年代初期欧洲科学委员会意识到微波生物医学成像的应用前景相继开展了系列科学研究其研究内容涉及重构代数的

基础研究成像系统及成像系统多样化的研究其医学成像原理是利用

不同生物组织对电磁波的吸收反射及透射特性的不同从散射场中通

过数值运算获取介质电磁参量的分布信息不同生物组织具有不同的

电磁参量同一组织在血液循环及温度变化时也具有不同的电磁参量

通过电磁参量的分布图可获取组织边界血流量及温度分布等有用信

息微波医学成像系统包括微波探测器控制及显示三大部分根据探测

器的不同形状又分为平板式和圆柱式微波成像系统目前尚处于试验

阶段能否进入临床推广应用还依赖于以下关键技术的突破: 信号提

取理论的突破由于生物介质的高度非均匀性各向异性及旋波性因此

其信号的提取尚需更深入的研究; 多适用性的突破技术上为了实现

空间匹配及提高分辨率需将生物体置于水中需研制一种适合人体各

部位的探测系统可借鉴供放射线剂量学测量与研究的模拟人体模型

的方法研制出一个微波探测用的微波人体体模其各种组织与器官的

电磁参量与人体各组织等效; 为提高对温度和血流的高分辨率需发

展高敏度和低噪声探测器这有赖于微波器件的发展。

b.微波治癌

微波应用于临床以来，以其透热较深，能量易于集中、对组织加热快，升温高、加热范围易控制、可实现局部选择性加热，组织凝固可靠、止血效果彻底、安全可靠、使用方便等特点而被接受，特别是在理疗上获得广泛应用。从而使人想到，如果将微波用于加热治癌，其效果

可能更好。国外自20 世纪 70 年代初兴起高热治疗恶性肿瘤以来，不少研究者对微波治癌的理论基础、微波治癌机、微波热疗技术以及动物模型实验和临床试用等方面进行了广泛的研究。在肝脏肿瘤、胆囊癌、脑部肿瘤、膀胱癌、消化道癌、口腔肿瘤、乳腺癌、头颈肿瘤、眼部肿瘤等的微波临床治疗方面均有相关报道。国内微波治癌研究从七十年代中期开始。1980年6月在南京召开的全国第二届微波能应用技术交流会上，对微波治癌技术进行了专题讨论，同年10月又在北京召开了全国第一届加热治癌学术交流会，1983 年 11 月又再次于北京召开第二次加热治癌学会，广泛交流了微波热疗机研制、微波辐射器设计、微波场中测温技术、加热治癌实验研究与临床疗效观察等。自 1980 年到2000年召开了8次全国肿瘤热疗学术会议。1978 年，我国已有几所大医院率先采用微波或射频透热治疗恶性肿瘤。20 世纪 80 年代初，我国射频透热综合治疗膀胱癌、微波腔内透热综合治疗食管癌曾达世界领先水平。经过 20多年的发展，我国已能自行设计、生产微波肿瘤热疗机，使用的微波已经从初期的2450MHz逐渐进入915MHz433MHz

和更低的频段，热疗方式日趋多样化（如单独微波照射、微波与放疗联合应用、微波与化疗联合应用、微波放化疗三因子联合应用等），治疗病种也由初期的体表肿瘤外照射逐渐深入到深部肿瘤的管腔内

照射，在膀胱癌、肺癌、肝癌、肝转移癌、乳腺癌、口腔癌、头颈部肿瘤、脑部组织癌变、鼻腔癌、食道癌、直肠癌、胃癌、阴道癌、贲门癌、宫颈癌、皮肤癌、前列腺癌等多种类型恶性肿瘤的热疗中取得

了较好的疗效。通过国内外的大量实验研究和临床实践表明，微波治癌在目前现存的各种治疗方法中，具有较明显的优势：①微波因波长短，能量易于集中、加热范围易于控制、可实现局部选择性加热，对组织加热快升温高，组织凝固可靠、止血效果.彻底、安全可靠、显著优于射频治疗。②微波不仅能可选择性地有效杀灭癌细胞，而且还可以通过其非热效应，促进血液循环和新陈代谢，调节神经系统功能，增强白细胞的吞噬功能，抑制细菌生长，改善肌体的免疫功能。③微波治癌没有放疗、化疗所具有的毒副作用；若与放疗或化疗联合使用，不仅可降低放射和化疗药物的剂量，减少副作用，而且还可以提高疗效。④可以结合手术、医用内窥镜和医用超声成像技术使得可深入治疗体内和腔内的肿瘤可实现微创下的介入式微波治疗肿瘤。腔内肿瘤微波热疗已发展成为国内热疗的特色。

展望

随着微波技术的发展和在军事宇航通讯中的广泛应用微波技术也越