微波技术在生物医学上应用与展望

1、PAGE- 6 - / NUMPAGES6 . . 微波技术在生物医学上的应用与展望XX：宇峰学号：*课程名称：微波技术基础教 师：*电子科技大学电子工程学院*年*月摘要：介绍了微波这一特殊频段电磁波的特点。由特点到应用，简单说明了微波技术在生物医学领域独特的应用方面，微波杀菌、微波检测、微波治疗。微波技术的医学应用为人类带来了极大的便利。然而，微波的用处远不与此。随着对微波的深入了解，微波将会在生物医学领域发挥更加重要的作用。关键词:微波技术 生物医学 应用 展望一、微波微波是指频率为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米（不含1米）到1毫米之间的电

2、磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。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。1.1穿透性微波比其它用于辐射加热的电磁波，如 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1813.htm t :/baike.baidu /_blank 红外线、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/264788.htm t :/baike.baidu /_blank 远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入 HYPERLINK

3、 :/baike.baidu /view/298837.htm t :/baike.baidu /_blank 介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450兆赫兹，使介质的分子每秒产生24亿五千万次的震动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3826245.htm t :/baike.baidu /_blank 介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料外加热均匀一致。1.2似光性和似声性微波波长很短，比地球

4、上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使 HYPERLINK :/baike.baidu /view/780107.htm t :/baike.baidu /_blank 电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/43104.htm t :/baike.baidu /_blank 天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。由于微波波长与物体（实

5、验室中无线设备）的尺寸有一样的量级，使得微波的特点又与 HYPERLINK :/baike.baidu /view/17777.htm t :/baike.baidu /_blank 声波相似，即所谓的似声性。例如微波 HYPERLINK :/baike.baidu /view/67632.htm t :/baike.baidu /_blank 波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3158667.htm t :/baike.baidu /_blank 缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波 HYPERLINK :/baike.baid

6、u /view/1384.htm t :/baike.baidu /_blank 谐振腔类似于声学共鸣腔。1.3非电离性微波的量子 HYPERLINK :/baike.baidu /view/14394.htm t :/baike.baidu /_blank 能量还不够大，不足与改变物质分子的部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。再有物理学之道，分子 HYPERLINK :/baike.baidu /view/21897.htm t :/baike.baidu /_blank 原子核在外加 HYPERLINK :/baike.b

7、aidu /view/22141.htm t :/baike.baidu /_blank 电磁场的周期力作用下所呈现的许多 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2883795.htm t :/baike.baidu /_blank 共振现象都发生在微波围，因而微波为探索物质的部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多 HYPERLINK :/baike.baidu /view/770731.htm t :/baike.baidu /_blank 微波器件。1.4信息性由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚

8、至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2302677.htm t :/baike.baidu /_blank 卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供 HYPERLINK :/baike.baidu /view/132570.htm t :/baike.baidu /_blank 相位信息，极化信息， HYPERLINK :/baike.baidu /view/140263.htm t :/baike.baidu /_blank 多普勒频率信息。这在

9、目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。二、微波技术在生物医学上的应用2.1微波在制药工业上的应用2.1.1微波对药丸、胶囊、片剂、胶囊的干燥与灭菌处理主要用于口服液快速低温灭菌、胶囊快速低温灭菌、中药丸、中成药、粉剂的烘干、灭菌、中药材的干燥、防霉、微波真空（冷冻）脱水、微波萃取等工艺。微波干燥可杀灭微生物和霉菌,并具有消毒作用,使药材达到卫生标准，并能防止药材在贮藏过程中发霉和生虫。使用微波干燥可连续性进行药材的干燥，适用于工业化的生产加工，在干燥的同时进行杀菌，使用本方法灭菌的药材保质期相对较长。利用微波的特性进行低温干燥和杀菌处理，不仅能保证产品质量，还可以严格控制热风温度、湿度和

10、流量。利用微波干燥处理药品相比传统方法将大大提高产品质量，并可大大缩短干燥时间和节约大量的能源，经济效益十分明显。2.1.2微波萃取在中药制药上的应用微波技术在中药有效成分提取中的应用简称微波提取。又称为微波萃取，是近几年来中草药制剂应用的一种新技术。它是微波和传统的溶剂萃取法结合后形成的新方法。微波萃取有很多优点（1）传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行，而微波辅助提取是里外同时加热。没有高温热源，消除了热梯度，从而使提取质量大大提高，有效地保护食品、药品以与其他化工物料中的功能成分。（2）由于微波可以穿透式加热，提取的时间大大节省。根据大量的现场数据统计，常规的多功能萃取罐8小时

11、完成的工作，用同样大小的微波动态提取设备只需几十分钟便可完成。（3）微波能有超常的提取能力，同样的原料用常规方法需两、三次提净，在微波场下可一次提净。大大简化工艺流程。（4）微波提取没有热惯性，易控制，所有参数均可数据化，和制药现代化接轨。（5）微波提取物纯度高，可水提、醇提、脂提，适用广泛；（6）提取温度低，不易糊化，分离容易，后处理方便，节省能源；（7）溶剂用量少；（8）微波设备是用电设备，不需配备锅炉，无污染、安全、属于绿色工程；（9）生产线组成简单，节省投资；目前已经开发出来的微波提取设备完全适应于我国各类大、中、小企业的食品和制药工程。2.2、微波治疗技术微波治疗仪除具有深表加热的特

12、点外，还具有操作方便，定位准确，安全性高以与造价低，仪器结构紧凑，适应性广泛等优点。通过配备不同的附件设备，可对多种疾病进行治疗。2.2.1 微波诊断微波诊断是微波在医学上应用的主要容之一，包括有源诊断和无源诊断两大类型。有源诊断法：这种诊断方法是利用人工微波源辐射的微波照射人体后进行测量诊断的。人体组织或器官的病变将导致其介电特性发生改变，从而使射向组织或器官的微波传输特性随之发生变化。人们可通过微波的反射或透射情况来获得有关病变的医学信息。例如微波心图仪、重病微波呼吸检测仪等均属有源微波诊断仪器。无源诊断法：这种方法是利用人体本身辐射的微波来进行疾病的诊断，因不需要外加人工微波辐射源，故称

13、无源诊断法，亦称被动测定法。利用人体热辐射的微波波段获取热象图来诊断疾病的方法就是一种无源诊断法。目前的微波热象仪主要用来获取人体体表的微波热象图，利用它可发现红外热象仪所不能发现的某些疾病。2.2.2微波治疗临床上微波与生物体的相互作用，可以分为二大类，即微波的致热效应和非致热效应。致热效应：在生物体受到较大功率微波辐射时，机体温度会逐渐上升，使活体组织引起许多生理反应，而获得医疗效果。如杀死肿瘤和癌细胞，破坏增生组织。杀死致病病原体，如支原体、衣原体、人乳头病毒、疱疹病毒等。受热后，血管扩，引起血流增加，增强细胞膜的渗透性，增加了毛细血管的压力，加快了组织的新代、加速毒素、细菌病毒等微生物

14、和渣质输出患部的速度，使肌肉松弛，消除疼痛和缓解肌肉痉挛等。非致热效应:所谓非热治疗，就是用强度微弱的电磁波照射人体的有关部位，通过由照射所产生的生物效应达到治疗疾病目的的治疗方法。非热效应多用于人体分泌失调和某一系统失调疾病的治疗，它的治疗原理与我国的针灸治疗原理相似，但用微波非热治疗时病人没有任何痛苦，更无任何副作用。三、微波的未来与展望微波消化技术在生物医学微量元素分析中的应用测定生物样品的成分，特别是在微量元素 分析过程中，许 多分析方法都要求样品是液态 的。因此临床化学工作者首先应考虑的是样品 的前处理 即生物样品的制备问题。当前传 统的消化方法如：干法灰。8O年代以来，Carium

15、 与 Metthes等人最早对微波消化技术进行了尝试，从实际应用看，微波消化对挥发性元素分析尤为适用，由于其时间短，又是密闭系统，挥发性元素在消化过程中一般不会损失。微波消化是一种优秀的消化方法，随着精密控制功 的微波炉与新型消化罐的国产化进程加快，必将在临床化学领域获得更广泛的应用、成为一种快速、高教的生物医学样品前处理手段。快速微波热声层析成像在生物医学中的潜在应用种以脉冲微波作为激发源，基于生物组织部微波方法的优点，具有很好的成像对比度和空间分辨率，吸收差异，以超声作为信息载体的非电离化新兴医被认为是一种很有前途的早期乳腺癌诊断与体异物检测方法。目前许多光声成像小组已经开展 了对皮下微血管检测M1、小鼠脑功能成像1与血氧 饱和度检测帕。等研究。热声成像利用微波作为激发源，相对光声成像能进一步提高组织成像深度，在微波源频率为3 GHz时，正常肌肉组织和脂肪组织的微波穿透深度分别约为12 cm和9 em。由于微波的吸收率直接与某些组织特性如离子电导率和水分含量相关，根据热声信号就可以得到组织对电磁波 的吸收信息，重建出热声压分布。热声成像有完全非侵入性、无损伤、非电离化辐射等诸多优点，能显示组织中各种化学组分，提供丰富的