微波在医学上的应用

微波(microwave)是指电磁波频谱中频率为30MHz（兆赫）到300GHz（京赫），相应波长为1m到1mm的电磁辐射。在生物医学应用中，为防止对微波通讯和导航等干扰，通常使用国际统一的工业、科研、医疗(ISM)专用频率，其中最常用的是915MHz和2.45GHz，此外还有433MHz、58MHz及22GHz等。
微波进入人体后，与人体组织发生互相作用，继而产生一系列的生物学效应。基于这些作用规律，人们已利用它作为一种诊断和治疗某些疾病的手段，并正待进一步开辟；对其有害的影响则应加以防护。
微波的物理基础 微波的频率低于电离电磁辐射，其量子能量远小于引起组织电离所需的最小能量，故属非电离辐射。微波在空气中以光速(3×108m/s)传播，其波长(λ)与频率(f)的关系为：λ(m)=3×10⁸/f(Hz)，微波按波长又分为分米波、厘米波和毫米波。
微波振幅或频率能以任何方式进行调制。在生物医学中应用的微波有连续波和脉冲波之分，以脉冲波进行振幅调制称脉冲微波，即在一定的时间间隔内发射短促的电磁脉冲。
微波从空间到达各种不同物体时，由于阻抗的改变可发生反射、散射和吸收等变化。它在良导体的表面产生全反射而极少被吸收；对不导电的介质，则部分反射、部分透入介质后被吸收或继续传播。各种介质对微波的吸收不同，如水能强烈地吸收微波；而聚四氟乙烯等则很少吸收或反射微波。基于这些特性，可选择合适的材料达到对微波的穿透或屏蔽的要求。微波的另一个重要特性是它的极化，微波的极化是由与传播方向垂直的电场矢量决定的，它可影响辐射体对微波的吸收。
从生物医学观点来考虑微波设备，可简单地分为发射机，功率传输和辐射器三部分。发射机中主要由形成电磁振荡的磁控管或速调管等构成。微波的传播一般用同轴线，在厘米波和毫米波波段使用波导管传输。辐射器将输出功率发射到所需辐射的空间。
对微波辐射强度的评价一般需用功率密度，其单位为W/m²，通常使用mW/cm²。
微波的生物物理 电磁波到达生物体表面后，进入不同介电性质的介质，其波长、传播方向及电场强度等都受各层组织的反射、散射和吸收等影响，并发生复杂的变化。
微磁能量进入组织后被吸收而衰减，当其入射功率降低到原来的1/e²(即13.5%)时的深度，称为穿透深度，它与组织的含水量和微波频率有关（见表）。

生物组织内电磁波穿透深度(cm)

频率(MHz) 100	300	915	2450	3000	5000	10000
含低水分组织 60.4 (如脂肪、骨胳等)	32.1	17.7	11.2	9.7	6.7	3.4
含高水分组织 6.67 (如皮肤、肌肉等)	3.90	3.00	1.70	1.60	0.79	0.34

生物体是由不同介电常数和电导率的多层组织构成，当电磁波传播到组织界面时，由于阻抗不连续而发生反射。从高水容量组织到低水容量组织的反射波相位几乎与入射波相同，则可在界面旁产生最大的驻波，易形成局部烧伤。另一方面，生物体具有一定的几何形状，当组织曲率半径与辐射的波长之比值在0.05～5时，组织的高折射率产生强烈的向球内聚焦，可形成热点。如当918MHz的微波射向人头，最强的电场在人头部的中央，即在穿透深度的2.3倍处，能量吸收比表面还要大2倍，这就有可能用微波来治疗脑部肿瘤，此外，机体及其不同部位对一定频率的电磁波存在共振吸收的现象。
由于上述电磁波在体内传播中的复杂影响因素，入射功率与吸收功率的关系十分复杂。Guy基于人体或动物模型，应用热象仪测量技术，得出比吸收率(Specific ab-sorption rata,SAR)，即组织单位重量所吸收的功率(W^/kg)。由于组织短时间内温度的上升与暴露时间呈线性关系，SAR可由温升得出，即SAR=4.186C(ΔT/t),C为组织的比热(J/g℃),ΔT为温升(℃),t为暴露时间(s)。此外，使用微波无干扰测温仪测温，或测定组织中的电场强度(E)，也可求得SAR及其分布。SAR与E的关系为SAR=E²·σ/2D，式中σ为电导率 (mho/cm),D为组织密度 (g/m³)。生物体对微波的吸收剂量也可使用标准化比吸收率(NSAR)，即SAR与暴露的功率密度之比，单位为mW·kg^-1/mW·cm^-2。
微波的应用 微波技术在医学上的应用，基于人体自身的微波辐射，人体对微波的反射或散射、及人体对微波能量的吸收而分为三大类。
(1) 测量人体微波辐射技术的应用： 凡绝对温度零度以上的所有物体，因其内部电荷的热加速运动而向外辐射频谱很宽的电磁波。人体辐射的电磁波，除主要在红外线波谱外，还有微波。由于辐射能量和温度成正比，且微波能穿透一定的组织深度，因此可利用微波辐射测量技术进行人体深部温度的无创伤测量。后者已应用于乳腺癌及颅内肿瘤等医学诊断。可使用接触式天线逐点测量或定点监测；也可加上扫描装置与计算机数据处理系统，形成微波热象。
(2) 应用人体对微波的反射或散射特性： 人体对入射微波所反射、散射以及透射的微波信号振幅和相位，与人体组织的介质性质（如含水量等）密切相关。故可利用微波检测组织的介电性质，从而达到了解其含水量等目的，如应用于肺水肿的诊断。应用同样的原理，对各向异性的人体组织可进行断层摄影，即微波成象。此外，微波也可用于与人体各种生理功能有关的表面微小运动的非接触测量，如呼吸和心搏等，作为微波反射面的被辐射部位的微小运动，将对反射信号的振幅和相位进行调制，然后经检波后得到被测部位运动的波形。
(3) 人体组织对微波吸收特性的应用： 生物组织对电磁波呈现为有耗介质，当微波作用于组织时，微波能被组织吸收而转变为热能，使组织温度升高。微波作为一种理疗手段，应用于治疗炎症、扭伤、冻伤等已有较长的历史。利用微波加热治疗肿瘤，近十年来被国内外所采用并受到重视。由于肿瘤组织较之正常组织的含水量高而血流量少，因此当高强度微波照射到肿瘤部位时，肿瘤组织吸收的微波能量超过正常组织，而其散热又较正常组织差，故肿瘤的温度可比正常组织高出5～9℃，从而达到选择性加热以杀伤肿瘤细胞的目的。微波还可应用于迅速解冻冷藏的组织和器官（如肾脏）以进行移植手术。用2,450MHz的1kW微波功率加热低温保存的血浆时，只需1分钟就可把500ml的血浆从5℃上升到35℃，并对血浆的成分无影响。
近几年来，在生物医学的研究中，还应用微波快速杀死实验动物，以防止组织死后的酶学变化，提供对脑组织作神经化学等实验研究用。国内还独创了微波针灸技术，即将针灸针尾部接到传送微波同轴电缆的内导体上，组成微波针灸天线，进行穴位理疗。
以上人体组织对微波吸收特性的应用，基本上都是利用微波的致热效应。微波的非热效应及其机理目前尚在探索中。
微波的防护 高强度的微波辐射对人体正常组织或长期的职业暴露可引起有害的影响，故在应用微波对疾病诊断和治疗时，应注意适当的防护。
为了保护接受微波诊断或治疗的患者，在建立微波辐射设备的同时，应设置测温或温控装置，以控制所需的辐射剂量；受照部位则尽可能局限在所需范围，对不需辐射的部位也可用反射或吸收微波的屏蔽材料阻挡。
操作微波理疗等设备的工作人员，除必需在辐射器周围短时工作外，经常工作位的微波功率密度应不超过50μW/cm2。可适当增加与辐射源距离，或加设反射或吸收微波的屏蔽帘等措施，以达到以上要求。