微波的生物效应.pptx

第六节第六节 微波的生物效应微波的生物效应及其在医学中的应用及其在医学中的应用v一、微波基本知识一、微波基本知识v二、微波的生物效应二、微波的生物效应v三、微波治疗恶性肿瘤三、微波治疗恶性肿瘤v四、微波电磁场的防护四、微波电磁场的防护一、微波基本知识一、微波基本知识一、微波基本知识一、微波基本知识v 微波的特点v 微波的产生 v 微波的传输方式 微波的特点微波的特点v微波辐射到物体上时会发生显著的反射，其传播特性同几何光学相似，具有直线传播的近似性v微波能深入到物质内部，同物质发生相互作用产生热效应v利用这种热效应，可进行临床加热消毒、微波热疗及对肿瘤的治疗等 微波的产生v常用的主要器件有:磁控管、速调管、半导体效应管、雪崩管、变容管等 v当要求产生的微波功率较小时，可以采用速调管，半导体效应管等；v当要求产生的微波功率较大时，可采用磁控管。其脉冲微波功率峰值可达10kw，连续微波的最大功率也可达10kw。微波传输线v在医用微波中通常采用同轴线和波导作为传输线 1）同轴线v硬同轴线硬同轴线 v不能随意弯曲 功率容量大 衰减小。v软同轴线软同轴线（同轴电缆）v可随意弯曲 损耗较大 功率容量较小 2）波导v波导是一种传播电磁波的空心金属管。v波导的特点能把电磁能量全部封闭在管内，不向外界辐射结构简单、耐用、损耗小、功率大 二、微波的生物效应二、微波的生物效应v微波生物学效应微波生物学效应微波与生物体相互作用后所产生的各种生理、病理反应二、微波的生物效应二、微波的生物效应v 微波在生物组织中的传播v 微波的热效应 v 微波的非热效应 微波在生物组织中的传播微波在生物组织中的传播v当微波照射到组织时，会引起组织的变化，同时，也必然会产生反射、折射和衰减。v 1）微波在均匀组织中的传播 v 2）微波在平面分层媒质中的传播1）微波在均匀组织中的传播）微波在均匀组织中的传播v假定生物组织是无穷大的均匀组织，微波为均匀平面波v微波进入组织后由于电磁能转化为热能，将引起组织温度的升高v微波的电磁能量随着深度的增加而减少即衰减当微波进入组织时，组织表面的能量密度是最大的，随着微波向组织的渗透，其能量呈指数衰减v微波能量衰减的快慢与组织的电特性组织的电特性有关微波透射深度v1)渗透深度渗透深度为微波功率从物料表面减至表面值的1/e（36.8）时的距离，用DE表示，e为自然对数底值。v 式中 0自由空间波长 r介电常数 tg介质损耗微波透射深度v2)微波功率从物料表面衰减到表面值的1/2时的距离，即所谓半功率渗透深度半功率渗透深度D1/2。渗透深度随波长的增大而变化，换言之，它与频率有关，频率越高，波长越短，其穿透力也越弱由于一般物体的 ，微波渗透深度与所使用的波长是同一数量级的微波透射深度v微波的穿透深度也和物质的温度有关1）微波在均匀组织中的传播v在微波的临床应用中，增加透热深度可以采用表面降温的办法v例如微波对较深部位的肿瘤治疗时选择适当的频率v当微波从空气垂直入射到肌肉时在l10kMH的频段内，大约40的能量传入肌肉层当频率低于500MH时，仅有一小部分进人肌肉层2）微波在平面分层媒质中的传播v生物组织是由多层不同的组织构成。由表及里有皮肤、脂肪、肌肉和骨骼。v假设生物组织是无限大的均匀组织，各组织又成平面分层，且每层是均匀的，但每层之间是不同的。2）微波在平面分层媒质中的传播v微波在脂肪与肌肉产生热的比例接近1 v当平面波从脂肪层垂直入射到肌肉层时，在肌肉和脂肪边界两边的吸收功率不连续，出现一个突变点，当频率升高时透射深度降低，易造成脂肪层灼伤，因此，热疗中的微波频率不宜太高。微波的热效应v概念微波对生物体进行照射时，生物机体的温度会逐渐上升。说明微波对机体具有加热作用。v影响因素器官和组织的电特性电特性和热学特性热学特性微波的热效应v产生微波热效应的主要原因产生微波热效应的主要原因生物体的离子加热v生物体的细胞内液中都含有大量的带电粒子，这些带电粒子会在微波高频电场的作用下产生振动。振动过程必将同周围的其它粒子或分子相碰憧，从而产生热能。生物体的极性分子加热v生物体或组织中的水分子和蛋白质分子，是极性分子。当受到微波照射时，受到外加交变电场的作用，极性分子就会随外电场的频率而转动，转动的过程中必将与相邻的分子发生摩擦，而产生热能。微波的热效应v影响被加热物体温度升高的因素微波电场强度、电场的相对方向被加热组织的介电特性比热v当微波电场方向与被加热生物体的外形的长轴平行时，加热效果最好。微波的非热效应 v概念微波的非热效应是指生物体受到低功率的微波照射时，在不引起生物体温度明显升高的情况下所出现的生理、病理反应。v在微波的生物效应中，生物体的热效应和非热效应始终同时存在对大功率微波辐照，热效应占主导地位对长时间、小功率微波辐射，一般非热效应占主导地位微波的非热效应 v危害长期受低功率微波照射易出现“神经衰弱症侯群”引发心血管疾病、白内障、免疫降低v临床症状和病理变化还与微波的波形有关，用脉冲波辐射比用连续微波更加明显。三、微波治疗恶性肿瘤三、微波治疗恶性肿瘤v在临床应用中微波治瘤的优点：加热深度大、方向性好。通过聚焦，可得到很窄的微波束人体组织局部吸收微波电磁能后所产生的热量不易散发到外部在临床治疗时不需要任何的耦合剂微波热疗安全可靠；定位准确，便于操作设备价格低廉三、微波治疗恶性肿瘤三、微波治疗恶性肿瘤v应用于临床的微波频率434MHz750MHz915MHz2450MHzv微波抗肿瘤的基本原理v微波对肿瘤细胞的影响 v应用微波治疗骨肿瘤 微波介入治疗肝肿瘤2450MHz 微波v组织中穿透深度为17cmv透热深度为3 cm v对3cm处的肿瘤能够获得足够的治疗温度，适合对浅表肿瘤的治疗915MHz的微波v组织中穿透深度364cmv采用表面冷却，透热深度cmv可治疗cm深度范围内的肿瘤，且透热深度比较稳定，易于掌握，对局部病灶加热比较均匀434MHz的微波v组织中的穿透深度为3.57cm v透热深度达到79cm v使用中不易产生脂肪过热现象，对病灶组织的加热作用更均匀1.微波抗肿瘤的基本原理 v1）微波作用于生物体会产生热量）微波作用于生物体会产生热量1.微波抗肿瘤的基本原理 v2）微波对肿瘤有选择性的加温作用）微波对肿瘤有选择性的加温作用机体吸收微波的能量越多，产生热量也越多，温度也就越高。不同的组织对微波的吸收及产热也是不相同的。含水量多的组织吸收多，产热也多。就同一组织在生理与病理条件下也不尽相同。皮肤癌组织中含水量为816，正常组织的含水量为609。在微波照射下癌组织的升温要比正常组织高，显现出微波对癌组织的选择性加温作用。1.微波抗肿瘤的基本原理 v3）肿瘤组织的储热作用）肿瘤组织的储热作用 肿瘤血流量仅为周围正常组织血流量的15，肿瘤组织通过血液循环引起的散热作用大大低于正常组织，实际上肿瘤组织起到了一个储热器的作用。在同样微波照射下，肿瘤部位的温度比正常组织的温度高出510甚至有1011。1.微波抗肿瘤的基本原理 v4）肿瘤组织的耐热性差）肿瘤组织的耐热性差原因:由于肿瘤组织的血供不良，局部组织营养缺乏和供氧不足等原因，使无氧糖酵解作用增强，产生大量乳酸，致使肿瘤区组织处于低PH环境，使肿瘤细胞对热的耐受性降低。肿瘤细胞的致死温度阈值低于正常组织v在4142，肿瘤细胞就会发生血液淤滞，瘤细胞停止分裂，生长受到抑制；v在42.543或更高时，肿瘤细胞就会发生不可逆的损伤，癌细胞变性、坏死临床上常使用 45.7作为微波治疗温度 2.微波对肿瘤细胞的影响v1）对肿瘤细胞形态、结构的影响）对肿瘤细胞形态、结构的影响细胞境界不清，质膜松驰、破裂、胞浆空泡化、胞质外流及核破碎、核溶解等损伤。细胞膜损伤，进而使细胞解体2.微波对肿瘤细胞的影响v2)对肿瘤细胞内蛋白质的影响对肿瘤细胞内蛋白质的影响 蛋白质变性细胞内染色性蛋白质受到微波照射发生变性时，可引起染色体异常。遗传特性改变。酶是蛋白质当受到照射而发生结构和功能变化时，细胞的代谢、生长和分裂就会受到影响。2.微波对肿瘤细胞的影响v3）对肿瘤细胞增殖周期的影响）对肿瘤细胞增殖周期的影响可使肿瘤细胞增殖周期延长v有丝分裂异常，造成细胞中期分裂畸变，抑制细胞DNA的合成，使细胞分裂指数下降。2.微波对肿瘤细胞的影响v4）对肿瘤细胞）对肿瘤细胞DNA和和RNA的影响的影响 微波辐射能抑制肿瘤细胞DNA复制RNA转录和蛋白质的合成可引起单链和双链DNA断裂，使肿瘤不能完成分裂而死亡 微波治疗骨肿瘤v微波高温在体灭活治疗恶性骨肿瘤保肢术微波高温在体灭活治疗恶性骨肿瘤保肢术2450MHz，表面温度达50，中心温度最高达到108，至少维特30min微波介入治疗肝肿瘤 v 微波介入治疗采用的是超声引导下凝固治疗肝癌四、微波电磁场的防护四、微波电磁场的防护v根据微波的接触程度，卫生标准分两类:v居民环境标准；v职业照射标准。四、微波电磁场的防护四、微波电磁场的防护v按关注的对象也分为两类：人员接触标准；微波设备泄漏标准。v把微波功率强度与照射时间的乘积称之为剂量剂量。提出标准的目的在于保证微波操作人员不受伤害和居民环境不受污染。微波辐射的医疗防护微波辐射的医疗防护v医疗防护包括两个方面：微波设备防护医护人员的医疗防护微波辐射的医疗防护微波辐射的医疗防护v1）必须对微波有关操作人员进行培训，使之了解有关微波物理特性、生物效应及基本防措施。微波辐射的医疗防护微波辐射的医疗防护v2）在设备的安装与使用过程中应遵循原则，可以避免设备高压电击和微波辐射导致的人体损伤。微波辐射的医疗防护微波辐射的医疗防护v3）在微波治疗时，患者治疗区域及其邻近区域不得有金属或其它导电物品。对人体内含有金属物而又必须施加微波辐射的部位，只能采用低强度以避兔灼伤;对不需要治疗的部位，采用微波吸收材料加以保护。