用于无线热疗的高效磁聚焦天线系统：突破生物组织深部能量传输瓶颈

《IEEE Journal of Microwaves》：A High-Efficiency Inductive Antenna System With a Magnetic Focusing Unit and a Matching Module for Wireless Hyperthermia: Design and Verification

本文针对外周动脉支架内再狭窄治疗中无线热疗效率低的难题，报道了一种集成磁聚焦单元和匹配模块的高效天线系统。研究通过优化漏磁型磁聚焦单元使磁场强度提升2.1-6.6倍，结合阻抗匹配模块将端口增益提高32 dBm。实验验证该系统在1.5-2.5 cm仿组织体模中功率传输效率达33-25%，加热效率为4.6-3.1°C/W，且在30°角度偏差下仍保持95%电压传输效率，为深部组织无线热疗提供了创新解决方案。

　　

在心血管疾病治疗领域，支架植入术是解决动脉狭窄的常见手段，但支架内再狭窄始终是影响长期疗效的难题。虽然药物洗脱支架能将再狭窄率从41%降至13.8%，但晚期血栓形成和远期再狭窄问题依然存在。面对这一挑战，无线热疗技术展现出独特优势——通过将植入的金属支架作为能量接收器，将射频能量转化为焦耳热，实现局部43-47°C的温和热疗，从而抑制血管平滑肌细胞增殖。

传统无线能量传输系统在生物组织穿透方面存在明显局限，特别是在针对深度达数厘米的外周动脉治疗时，功率传输效率显著衰减。血液流动会带走部分热量，而提高射频功率又可能使电磁辐射超过安全吸收率标准，对正常组织造成热损伤。此前研究中的穿透深度多局限在15毫米以内，功率传输效率仅为6.8%，难以满足临床需求。

针对这一技术瓶颈，上海交通大学的研究团队在《IEEE Journal of Microwaves》上发表了创新研究成果。他们开发了一种高效天线系统，专门用于外周动脉无线热疗，通过磁聚焦单元和阻抗匹配模块的协同设计，显著提升了通过生物组织的能量传输效率，特别适合为中功率(1W至100W)深部组织医疗植入物供电。

关键技术方法包括：1)基于Ni-Zn铁氧体的漏磁型磁聚焦单元优化设计，通过COMSOL Multiphysics 5.2软件进行多物理场仿真；2)T型阻抗匹配模块设计，实现天线系统在1.5 MHz工作频率下阻抗变换至50Ω；3)采用仿组织体模(厚度1.5-2.5 cm)进行无线加热测试，评估功率传输效率和加热效率；4)通过流场实验模拟血液流动条件下的热疗效果，流速范围50-250 mL/min。

磁聚焦单元的几何优化

研究人员通过二维轴对称模型对磁聚焦单元的四个关键结构参数进行了系统优化。仿真结果表明，磁路宽度和截面高度对加热性能影响较小，而截面宽度和漏磁高度则显著影响磁场分布。当截面宽度从18 mm增加至23 mm时，磁泄漏位置更接近支架，磁力线密度增加，使支架最高温度从66°C升至75°C。降低漏磁高度则使磁场更向前传播而非向上扩散，进一步提升了加热效率。最终确定的最优参数为：磁路宽度6 mm、截面宽度18 mm、漏磁高度2 mm、截面高度40 mm。

不同构型磁聚焦单元的性能比较

研究对比了三种情况下的无线加热效率：无磁聚焦单元、锥形磁聚焦单元和漏磁型磁聚焦单元。在无磁聚焦单元情况下，沿线圈到支架路径的磁通密度从7.5 mT衰减至2.5 mT，最高组织温度仅达48°C。锥形磁聚焦单元改变了磁力线分布，将支架附近磁通密度提升至3.2 mT，最高温度升至52°C，但存在7°C的温度分布不均匀性。而漏磁型磁聚焦单元显著减少了空气中的磁扩散，将大部分磁力线限制在装置内部，从泄漏区域逃逸的磁通密度达49.5 mT，是普通线圈的6.6倍，传播至支架处仍保持5.2 mT，是最优设计的2.1倍，使最高组织温度提升至68°C。

阻抗匹配模块的设计与测试

为解决天线系统与射频放大器之间的阻抗失配问题，研究团队设计了可调T型阻抗匹配模块。测试发现，磁聚焦单元的使用使天线品质因数在1.2 MHz时达到峰值170，但随着频率升高，因铁氧体材料磁滞效应导致阻抗急剧增加。在8 MHz时，阻抗增加约90倍，因此将最佳工作频率确定在1.2-2 MHz范围内。最终匹配模块在1.5 MHz实现阻抗变换，将天线阻抗从1+j152Ω转换至50.3Ω，反射系数S₁₁降至-30 dBm，端口增益提升32 dBm。

磁聚焦天线系统的空间性能

通过测量天线内部空间的端口增益，研究人员评估了无线能量传输的空间分布特性。在中心水平面上，使用磁聚焦单元的组别比对照组增益提高7.7-14 dBm，在泄漏区域附近改善最为显著。中心垂直面的测量结果与仿真磁场分布一致，磁聚焦天线在内部呈现较高增益，远处增益较低，且轴向衰减梯度更大，表明只有当支架位于磁聚焦单元泄漏区域附近并保持轴向平行时，才能获得最佳的增强效果。

角度偏差适应性评估

在实际治疗中，支架与天线之间的角度偏差难以避免。实验结果显示，在完全轴向对齐情况下，使用磁聚焦单元的支架电压是对照组的1.64倍。更重要的是，即使在30°角度偏差时，磁聚焦系统仍能保持95%的峰值电压，而对照组仅能维持86%，证明聚焦磁场能有效抵消支架角度偏移的影响。

无线加热效果验证

在空气中进行的加热测试显示，使用磁聚焦单元时支架表面温度上升速率达52°C/分钟，比对照组提高40%。通过调节射频功率(34.1-39.3 dBm)，可实现16-52°C/分钟的可控加热速率。在仿组织体模实验中，随着体模厚度增加(0-25 mm)，加热性能逐渐下降，但磁聚焦天线始终优于对照组，在25 mm厚度时仍能实现24.9°C的温升。功率传输效率在1.5-2.5 cm深度达到33-25%，加热效率为4.6-3.1°C/W，较文献报道的同类系统有明显提升。

流动条件下的热疗性能

为模拟真实血管环境，研究人员进行了流场实验。在50 mL/min流速(相当于狭窄股动脉血流速)下，施加45.9 dBm射频功率60秒，支架温度上升8.2°C，使狭窄管腔内的治疗温度从37°C升至45.2°C，落入43-47°C的热疗范围。随着流速从50增加至150 mL/min，最大温升从8.2°C降至2.5°C，表明无线加热支架在低灌注的狭窄动脉中效果更佳。

安全性评估

比吸收率仿真分析表明，在测试条件(1.5 MHz, 0.4 A, 39.8 dBm)下，皮肤区域峰值暴露值为1.55 W/kg，低于IEEE安全阈值2 W/kg。尽管深层肌肉区域因较高电导率(0.5 S/m)仍呈现明显比吸收率分布，但皮肤温度在120分钟内保持稳定(~36.5°C)，变化小于0.1°C，证明长期操作对表面组织的加热影响可忽略不计。

本研究通过创新的磁聚焦单元设计和阻抗匹配优化，成功开发出一种适用于深部组织无线热疗的高效天线系统。该系统在1.5 MHz工作频率下实现了显著的性能提升：磁场强度增强2.1-6.6倍，端口增益提高32 dBm，功率传输效率达33-25%，且在角度偏差条件下仍保持稳定传输。这些突破使无线热疗技术向临床实用化迈进了一大步，为治疗外周动脉支架内再狭窄提供了安全有效的技术方案。该系统的优势在于兼顾了深度穿透能力与紧凑尺寸，通过低频率操作减轻了组织吸收和热损伤风险，同时磁聚焦设计增强了对治疗区域的定向能量输送，为未来心血管介入治疗的无线化发展开辟了新途径。