close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование микроволновых аппликаторов для тепловой терапии биологических тканей

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Новрузов Илья Игоревич Шифр научной специальности: 05.12.07 - антенны, СВЧ-устройства и их технологии Шифр диссертационного совета: Д 212.242.01 Название организации: Саратовский государственный технический университет Адрес организа

На правах рукописи
НОВРУЗОВ Илья Игоревич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВЫХ АППЛИКАТОРОВ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ТЕРАПИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.".
Научный руководитель -доктор технических наук, профессор
Комаров Вячеслав Вячеславович
Официальные оппоненты - Мещанов Валерий Петрович -
доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, директор ООО НПП "Ника-СВЧ" Салий Игорь Николаевич -
доктор физико-математических наук,
профессор кафедры "Радиотехника и электродинамика" Саратовского
государственного университета имени Н.Г. Чернышевского
Ведущая организация - Саратовский филиал Учреждения Российской
академии наук Института радиотехники и
электроники им. В.А. Котельникова
Защита состоится "18" октября 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.01 при ФГБОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет" по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77., ауд. 319/1.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.".
Автореферат разослан"____"_________ 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного советаА.А. Димитрюк
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Электромагнитное (ЭМ) излучение различных частотных диапазонов широко используется в современных медицинских технологиях. Одной из таких технологий является СВЧ-нагрев биологических тканей, получивший распространение в лечении онкологических заболеваний. Кроме того, СВЧ-энергия применяется для восстановления мышц после травм, ускорения процесса воздействия лекарственных препаратов, стерилизации инструментов и т.д.
Традиционными методами лечения опухолей считаются хирургическая операция, химиотерапия и лучевая терапия. Они имеют ряд недостатков: достаточно высокий уровень осложнений, риск ослабления иммунитета, длительный восстановительный период. Помимо традиционных подходов для лечения опухолей в последнее время получили широкое развитие новые методы лечения, такие как гипертермия и абляция.
Термином "абляция опухоли" обозначается прямое термическое или химическое воздействие на опухолевую ткань с целью ее разрушения. Наиболее распространенными технологиями термической абляции являются: ультразвуковая, радиочастотная, лазерная и микроволновая. СВЧ-абляция обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами: большая глубина проникновения, отсутствие прямого электрического контакта с биологической тканью, высокий темп нагрева, отсутствие ограничений по подводимой мощности к аппликатору, связанных с обугливанием тканей, возможность нагрева сухих тканей (обезвоженных), относительно высокие температуры абляции (выше 100°С), возможность коагуляции сосудов.
Лечебная гипертермия (ЛГ) - это метод лечения онкологических заболеваний, при котором тело, его участки или отдельные органы подвергаются воздействию высокой температуры (до 44-45°С), в результате чего существенно увеличивается чувствительность раковых клеток к ионизирующему облучению и ряду противоопухолевых лекарственных средств. Методика малоинвазивного разрушения опухолей за счет локального нагрева ЭМ полем клеток до температуры их коагуляции была предложена более 50 лет назад, однако эффективные устройства, предназначенные для этих целей, появились относительно недавно. Большой вклад в развитие данного направления внесли такие ученые как: Девятков Н. Д., Синицин Н.И., Кобзев А.В., Гельвич Э. А., Мазохин В. Н., Макаров В.Н., Nikawa Y., Yang D., Vrba J., Cavagnaro M., Ita H., Witters D.M., Kikuchi K., Gibbs F.A., Lee F.T.
Большая часть подобных установок работает на специально выделенных для этого ISM (Industrial Scientific Medicine) частотах: 433, 915, 2450 МГц. Для подведения ЭМ излучения к пораженной ткани применяются различные микроволновые аппликаторы: контактные, интерстициальные, внутриполостные. Широкое распространение для систем контактной гипертермии получили аппликаторы на цилиндрических и прямоугольных волноводах, а также микрополосковые и щелевые антенны. Существуют также аппликаторы сложной конфигурации, например, на основе спиральных антенн, тороидальных и эллиптических резонаторов. Многообразие подобных систем определяется различными задачами и необходимостью создания теплового поля заданной формы в биологической ткани. Для устранения локальных перегревов поверхностных слоев и фокусировки ЭМ поля при проведении ЛГ используют специальные металлические ребра, а для снижения размеров излучателей - их жидкостное заполнение. Реализация технологий СВЧ-абляции чаще всего осуществляется с помощью интерстициальных коаксиальных антенн малого диаметра, которые помещаются внутри опухоли. Наиболее простым вариантом является монопольная антенна, представляющая собой продолжение отрезка коаксиальной линии, с излучающим внутренним проводником. Широкое распространение получили дипольные антенны, с одним или несколькими щелевыми излучающими элементами. Для минимизации отраженной волны и создания заданного распределения ЭМ поля в области взаимодействия применяются вспомогательные дроссельные элементы конструкции, что приводит к увеличению диаметра антенны. Современные технологии позволяют также разместить в коаксиальном аппликаторе термодатчик и систему охлаждения. Основные тенденции развития современных медицинских систем микроволнового нагрева биотканей связаны с решением целого ряда взаимосвязанных задач, направленных на снижение уровней отраженной и подводимой мощностей, дальнейшее уменьшение размеров СВЧ-излучателей, особенно функционирующих на частотах 915 и 433 МГц, формирование коагуляционной зоны заданного объема. Решение всех этих задач непосредственно связано с более детальным изучением процессов взаимодействия ЭМ волн с биологическими тканями, поиском новых конструкционных решений и оптимизацией микроволновых аппликаторов. Таким образом, разработка и модернизация устройств нагрева биологических тканей являются актуальными задачами современной медицины и СВЧ-техники. Основными инструментами исследования электромагнитных и тепловых характеристик подобных устройств являются экспериментальные измерения и компьютерное моделирование. Привлечение сразу нескольких численных методов дает возможность повысить достоверность результатов расчетов.
Целью данной диссертационной работы является создание компактных микроволновых аппликаторов для локальной гипертермии и абляции новообразований биологических тканей, обеспечивающих заданное распределение ЭМ и теплового поля в области взаимодействия, а также снижение уровней подводимой и отраженной мощностей на рабочих частотах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
* Проведение обзора современных проектных решений и тенденций развития излучательных СВЧ-устройств для гипертермии и абляции опухолей.
* Построение математических моделей процессов распространения и поглощения ЭМ волн в многослойных диэлектрических средах, облучаемых СВЧ-энергией с помощью волноводных и коаксиальных аппликаторов. * Исследование электродинамических и тепловых характеристик контактного цилиндрического аппликатора с металлическими Т-ребрами и диэлектрической линзой, а также штыревого коаксиального аппликатора малого диаметра на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц. * Изучение влияния вариаций диэлектрических свойств биотканей при высоких температурах на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального интерстициального излучателя.
* Оптимизация конструкций анализируемых микроволновых аппликаторов с целью снижения уровня отраженной мощности при минимальных массогабаритных показателях и заданном распределении температурного поля в зоне коагуляции. Научная новизна
1. Проведен численный анализ и исследованы отражательные характеристики контактного микроволнового аппликатора на цилиндрическом волноводе с металлическими Т-ребрами, а также найдены его размеры, обеспечивающие необходимые режимы работы на заданной частоте. 2. Установлено, что для локализации ЭМ поля в подповерхностных слоях биологических тканей, облучаемых СВЧ-энергией волноводным аппликатором контактного типа, может быть использован дополнительный элемент конструкции излучателя - диэлектрическая линза, радиус кривизны которой сопоставим с рабочей длиной волны аппликатора. 3. Для снижения уровня отраженной мощности на частоте 2,45 ГГц интерстициального аппликатора предложено использовать конусообразную насадку, выполненную из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью (ε´ = 25), внутри которой размещается элемент излучения.
4. Проведено исследование влияния вариаций диэлектрических свойств биологических сред, с помощью математической модели, описывающей нелинейные процессы их СВЧ-нагрева, на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне штыревого коаксиального излучателя.
5. Показано, что, несмотря на более глубокое проникновение ЭМ поля в биоткань с малыми диэлектрическими потерями, зона нагрева существенно снижается, в то время как увеличение коэффициента потерь среды распространения позволяет расширить эту зону.
Практическая значимость работы
* Разработаны конструкции аппликаторов контактного и интерстициального типов для проведения микроволновой терапии опухолей животных и человека на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц, обеспечивающие локализованное распределение СВЧ-мощности во внутритканевых областях. * Даны практические рекомендации по выбору режимов работы описанных в диссертации аппликаторов, в частности с учетом дополнительного поглощающего элемента контактных СВЧ-систем (болюса) и возможных интерстициальных инъекций солевых растворов для коаксиальных излучателей. * Разработана конструкция согласующего перехода для возбуждения коаксиального аппликатора малого диаметра и найдены его электродинамические характеристики.
* Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе на кафедре радиотехники СГТУ при чтении курсов "Компьютерное проектирование и моделирование антенно-фидерных трактов", "Основы компьютерного проектирования радиоэлектронных систем", "Методы моделирования и оптимизации" для студентов специальностей 210601 и 210700.62. * Результаты диссертации были использованы в НИОКР программы "Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2011" (У.М.Н.И.К) по проекту "Разработка метода и оборудования для локальной гипертермии биологических тканей" (государственный контракт 9553р/14177 от 04.07.2011 года)
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Для повышения точности математического моделирования процессов микроволновой абляции злокачественных новообразований, необходимо учитывать нелинейную связь дифференциальных уравнений электродинамики и теплопроводности для биологических сред (in vivo), в виде интерполяционной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости биоткани от температуры, а также параметры СВЧ-источника.
2. Разработанные конструкции волноводного аппликатора контактного типа, выполненного на цилиндрическом волноводе с Т-ребрами и диаметром апертуры 92 мм, обеспечивающего гипертермию биологических тканей на глубину до 30 мм на частоте 915 МГц.
3. Результаты исследований ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального штыревого аппликатора с рабочей частотой 2,45 ГГц, обеспечивающего уровень отраженной мощности |S11| < 0,2, предназначенного для облучения СВЧ-энергией малоразмерных опухолей (до 20 мм).
Апробация работы Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Псков, 2009, Саратов, СГТУ, 2010, 2011), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010" (Саратов, СГТУ, 2010), Международной научной конференции "Saratov Fall Meeting, SFM′2008" (Саратов, СГУ, 2008), научно-технической конференции "Электронная и вакуумная техника: приборы и устройства, технология, материалы" (Саратов, ФГУП НПП "Контакт", 2007) и на научных семинарах факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. По материалам работы принято положительное решение (от 8.06.2012) о выдаче патента на изобретение "Контактный микроволновый аппликатор" (заявка № 2011122886 от 06.06.2011г.) и подана заявка на полезную модель "Коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей" № 2012109132 от 11.03.2012 г. Достоверность результатов диссертации подтверждается корректностью формулировок задач математической физики и принятых допущений, а также соответствием значений, полученных разными численными методами, и сравнительной проверкой теоретических и экспериментальных данных. Методы исследования В работе были использованы: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временной области (МКРВО), метод последовательных приближений, экспериментальный метод прямого измерения коэффициента отражения СВЧ-многополюсников, методы теории диэлектрических смесей. Публикации и вклад автора
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 статьи - в научных изданиях из перечня ВАК, а также 1 патент на изобретение. Большая часть исследований и расчетов проведена автором самостоятельно.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (130 наименований) и приложения. Текст диссертации изложен на 148 страницах, включающих 51 рисунок и 23 таблицы. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность темы, представлены теоретическая и методологическая основа диссертационного исследования, научная новизна и основные результаты, практическая значимость работы, показана апробация работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор существующих методов теплового воздействия на биологические среды и средств их технической реализации, проанализированы тенденции дальнейшего развития систем микроволновой гипертермии и абляции. В частности, показано, что для локальной гипертермии создано достаточно много неинвазивных систем и устройств, в том числе специальные резонаторные камеры, микрополосковые и волноводные антенные излучатели (аппликаторы) различных типов. В качестве контактных микроволновых аппликаторов (КМА) очень часто используются стандартные прямоугольные волноводы (ПрВ), основным недостатком которых является увеличение апертуры при переходе на рабочие частоты 915 и 433 МГц. Чтобы уменьшить габаритные размеры таких устройств, их приходится заполнять водой либо другими средами с высокой диэлектрической проницаемостью ε´. При этом уровни отраженной мощности достаточно высоки и для ее компенсации необходимы дополнительные микроволновые элементы, такие как ферритовые циркуляторы и согласованные нагрузки.
Еще одна проблема реализации данных СВЧ-устройств связана с необходимостью фокусировки ЭМ поля в заданной области внутри биологического объекта. Для этого в КМА на ПрВ применяют тонкие металлические пластины, ориентированные в Е-плоскости и образующие линзу. При возбуждении основной волны Н10 в ПрВ с помощью этих пластин удается сформировать максимум ЭМ поля на определенной глубине от поверхности диссипативной среды, но при этом появляются дополнительные (паразитные) зоны нагрева, контроль которых весьма затруднен. Одним из путей решения всех этих проблем стало применение волноводов сложных сечений в качестве базовых элементов КМА. Их уникальные характеристики - высокая критическая длина волны основного типа, низкое волновое сопротивление, концентрация электрического поля в центральной части апертуры и т.д. - делают их привлекательной альтернативой стандартным волноводам. Развитие данного направления сдерживается недостаточной изученностью подобных линий передачи и сложностью их изготовления. Еще один недостаток волноводов сложных сечений - низкая пробивная мощность - не является сдерживающим фактором, так как в медицинских аппликаторах уровень рабочих мощностей обычно не превышает 200 Вт. Для абляции атипичных биотканей в настоящее время используются как монопольные, так и дипольные излучатели в коаксиальном или интегральном исполнении. Коаксиальные дипольные аппликаторы чаще всего имеют одну или несколько щелей, для вывода СВЧ-энергии. Наиболее перспективным методом компенсации отраженной мощности для таких устройств считается применение специальных дроссельных элементов, что усложняет конструкцию. Диаметр зоны коагуляции для дипольных излучателей обычно не превышает 4 см. Для формирования более обширной зоны нагрева можно использовать несколько аппликаторов, расположенных определенным образом в опухоли и синхронизированных по фазе. Основной проблемой применения монопольных коаксиальных аппликаторов для СВЧ-абляции является вытянутая зона коагуляции на рабочей частоте 915 МГц, что обусловлено необходимостью компенсации отраженной ЭМ волны за счет увеличения длины штыревого излучателя антенны. Такая форма области нагрева оказывается полезной только для редких случаев, встречаемых в медицинской практике. Проведенные обзор и анализ характеристик созданных к настоящему времени контактных и интерстициальных микроволновых аппликаторов позволили определить направления дальнейших научных исследований в данной области, а также пути поиска новых конструкционных решений, нацеленных на усовершенствование подобных СВЧ-устройств. Во второй главе формулируется связанная электродинамическая и биотепловая задача, описывающая процессы нагрева биологических тканей СВЧ-излучением. СВЧ-нагрев биологических тканей базируется на дипольной поляризации молекул, входящих в состав биоткани. Для анализа этого процесса необходимо решать связанную краевую задачу электродинамики и теплопроводности с учетом источника излучения, зависимостей диэлектрических свойств нагреваемого объекта от температуры, соответствующих краевых условий, допущений и приближений. Для описания процессов распространения и поглощения ЭМ волн в таких диссипативных средах используется неоднородное уравнение Гельмгольца с граничными условиями Неймана и Дирихле на металлических стенках, а также условиями непрерывности тангенциальных компонент поля на границах раздела сред: ,(1)
; ,(2)
,(3)
где - комплексные амплитуды электрического поля в заданной точке пространства: Е(τ)=Re(ejωτ); - волновое число свободного пространства; - плотность стороннего тока; τ - время; ω - круговая частота; Т - температура; = ε΄-jε΄΄- комплексная диэлектрическая проницаемость.
Поскольку анализируется диссипативная среда, то на границах области занимаемой биотканью, задаются поглощающие граничные условия:
,(4)
Чтобы учесть источник ЭМ поля, на входе аппликатора задаются параметры СВЧ-сигнала:
,(5)
где Мnm - собственные функции n-й моды m-ого порта; Snm - параметры матрицы рассеяния; βnm - фазовые постоянные n-й моды m-го порта. Возбуждение ЭМ волн в таких системах, как правило, осуществляется с помощью линий передачи в виде отрезков прямоугольных волноводов или коаксиальных линий. Решения уравнения (1), удовлетворяющие граничным условиям (2)-(4), определяют распределение электрического поля в ближней и дальней зонах излучателей. Энергия этого поля частично тратится на преобразование в тепловую энергию. Мощность потерь в диссипативной среде определяется из закона Джоуля-Ленца:
,(6)
где ε´´- коэффициент потерь; - радиус-вектор точки трехмерного пространства. Для анализа тепловых процессов, происходящих в биологической ткани, используется биотепловое уравнение:
,(7)
где - удельная плотность энергии, обусловленной комплексом биохимических и связанных с ними энергетических процессов; Vк - интенсивность кровотока (кг/с·м3); Сб, Ск - теплоемкость ткани и крови; Tк - температура крови вне зоны нагрева, ρб, ρк - плотность ткани и крови; λб - теплопроводность ткани.
Удельная плотность энергии находится на уровне 4000 ÷ 4500 Вт/м3, что значительно уступает значениям плотности тепловыделения при СВЧ-нагреве. Интенсивность кровотока в зоне облучения может составлять: 4,2∙10-7 ≤ Vк, м3/кг∙с ≤ 1,67∙10-5.
Уравнение (7) необходимо дополнить граничным условием четвертого рода, учитывающим температуру и тепловые потоки на границе раздела сред, в каждом из которых перенос теплоты описывается своим уравнением теплопроводности. ;.(8)
Необходимо также ввести начальные условия:
, (9)
где Т0 - начальная температура.
Таким образом, неоднородное уравнение Гельмгольца (1) с граничными условиями (2)-(4), а также биотепловое уравнение (7) с граничными условиями (8) и начальным условием (9) формируют совместную краевую электродинамическую и биотепловую задачу, которая лежит в основе описания процессов СВЧ-нагрева биологических сред. Учитывая сложность граничных условий, для решения данной задачи потребовалось применение двух численных методов анализа: МКЭ и МКРВО, что позволило повысить достоверность компьютерного моделирования сложных электродинамических систем. При этом для одновременного решения разнотипных дифференциальных уравнений математической физики (1) и (7) с учетом вариаций диэлектрических свойств биотканей был использован алгоритм на МКЭ. Ключевым моментом успешного решения поставленной задачи является правильная оценка диэлектрических и теплофизических свойств биологических тканей, подвергаемых воздействию СВЧ-излучения. Известно, что диэлектрические свойства биологических сред сильно зависят от влагосодержания и химических веществ, например, солей внутри ткани, а также от способа их измерения (in vivo или in vitro). Во второй главе был проведен обзор диэлектрических и теплофизических свойств различных биотканей на ISM-частотах. В ряде случаев была выявлена достаточно сильная зависимость от температуры, что объясняется высоким процентным содержанием воды в этих тканях. В большинстве публикаций, посвященных математическому моделированию процессов СВЧ-нагрева биологических сред, используется упрощенный вариант связанной задачи, не учитывающий изменения диэлектрических свойств облучаемых тканей, что дает возможность, в основном, анализировать гипертермические процессы, протекающие в узком температурном интервале 37 ≤ ТºС ≤ 45. Более общая математическая модель, сформулированная в данной диссертационной работе, учитывающая зависимости (Т) биологических сред, позволяет проводить анализ не только процессов гипертермии, но и СВЧ-абляции. В третьей главе проведены исследования контактного СВЧ-аппликатора, представляющего собой модификацию цилиндрического волновода с двумя Т-ребрами. Конструкция аппликатора представляет собой коаксиально-волноводный переход уголкового типа с рабочей частотой 915 МГц, открытый конец которого излучает ЭМ энергию в биоткань. Выбор такой геометрии связан с тем, что применение металлических ребер позволяет снизить волновое сопротивление и диаметр апертуры аппликатора, что является одной из целевых установок проводимых исследований. Для выбора размеров аппликатора на начальном этапе решалась задача на собственные значения, и были установлены зависимости критической длины волны основного типа от внутренних размеров устройства в двумерном приближении. Анализ электродинамических и тепловых характеристик контактного аппликатора с прилегающей диссипативной средой, имитирующей реальную двухслойную биологическую ткань (жировую и мышечную), проводился с помощью трехмерной модели (рис.1). Рис. 1. Модель контактного микроволнового аппликатора с прилегающей диссипативной средой
Целевая функция задачи оптимизации формулируется следующим образом: ,(10)
где - вектор внутренних параметров; fmin = 0,9 ГГц; fmax = 0,93 ГГц; Δf = 5 МГц - шаг по частотной оси; - заданное значение модуля коэффициента отражения; G(x) - штрафная функция; ψ - показатель степени. Для геометрической модели аппликатора:
.(11) В ходе численного моделирования для выбранной конструкции аппликатора и заданной двухслойной модели биологической ткани было получено значение модуля коэффициента отражения на частоте 915 МГц: |S11| = 0,22. Предложенная конструкция аппликатора позволяет сформировать узкую приповерхностную область нагрева биологической ткани. Необходимая температура гипертермии в 42OC достигается при подводимой мощности всего в 10 Вт, причем область гипертермии составляет X×Y×Z= 60×10×10 мм, на глубине 10 мм (максимальная глубина, на которой достигается температура гипертермии) при времени терапии τ = 60 с. Чтобы увеличить глубину прогревания до 15 мм, необходимо повысить уровень подводимой СВЧ-мощности до 80 Вт. При этом поверхностные ткани подвергаются существенному перегреву (более 100OC). Такая температура вызовет мгновенный некроз всех тканей. Для устранения этого недостатка в конструкцию было предложено ввести болюс с жидкостным заполнением. Болюс помещается между биологической тканью и апертурой аппликатора, устраняя паразитный нагрев поверхностных слоев и обеспечивая дополнительное согласование системы. В данной конструкции был применен болюс с водяным заполнением, имеющий постоянную температуру 20OC. Это позволило решить проблему перегрева, однако для достижения температуры гипертермии на глубине 15 мм потребовалось увеличить входную мощность до 150 Вт.
Альтернативным способом достижения температуры гипертермии на глубине более 15 мм в биоткани является фокусировка ЭМ поля. Для этого в конструкцию аппликатора предлагается ввести специальный элемент, выполненный в виде диэлектрической линзы (рис. 2), изготовленной, к примеру, из керамики с диэлектрической проницаемостью ε′ = 16 (титанат магния). Размеры конструкции приведены в табл. 1. Рис. 2. Конструкция фокусирующего элемента
Таблица 1
Геометрические размеры (мм) линзового аппликатора и прилегающей диссипативной среды at2r2RdwluLRлHлh1лqHБDБ92503,04771041.52104540419460120
Как показали исследования, это позволяет снизить уровень отраженной мощности до |S11|=0,18 (рис. 3), при этом наблюдается эффект фокусировки ЭМ поля на некоторой глубине от поверхности биологической ткани (рис. 4). Рис. 3. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения линзового МА
Рис. 4. Распределение плотности СВЧ-мощности в двухслойной модели биологической ткани для линзового МА
Было установлено, что при уровне подводимой СВЧ-мощности в 30 Вт на глубине 30 мм формируется область нагрева, достаточная для гипертермии (рис. 5). Здесь: а - нагрев в течение 60 с; б - нагрев в течение 120 с; в - нагрев в течение 360 с). Для устранения перегрева верхних слоев биологической ткани и дополнительного согласования системы в конструкцию был введен болюс с жидкостным заполнением. Болюс представляет собой пластиковый контейнер, заполненный водой, расположенный между биологической тканью и апертурой аппликатора. Для выбранной конструкции аппликатора применялся болюс с постоянной температурой 20OC. При этом уровень подводимой мощности составляет 40 Вт, а область гипертермии составляет 40×60×20 мм, на глубине 30 мм.
а
б
в
Рис. 5. Распределение теплового поля в двухслойной модели мышечной ткани для линзового МА
В четвертой главе анализируется модель штыревого интерстициального СВЧ-излучателя, представляющая собой монопольную антенну малого диаметра. Наиболее часто, для дипольных излучателей, предназначенных для абляции биологических тканей, с целью уменьшения уровня отраженной мощности и создания заданной зоны коагуляции применяются дроссели. В четвертой главе диссертации предложен альтернативный метод, который может быть применен для монопольной антенны. Разработана конструкция монопольного излучателя, в состав которого включается конусообразный наконечник из керамики, с высокой диэлектрической проницаемостью ε′ = 25 (рис.6). Размеры устройства приведены в табл. 2.
Рис. 6. Геометрическая модель интерстициального МА
Таблица 2
Геометрические параметры (мм) интерстициального микроволнового аппликатора и прилегающей диссипативной среды
d1d2DHsuqhmpHбDб0,80,51,5400,80,56,39,50,050,25840
В ходе численного анализа аппликатора, с привлечением целевой функции (10), удалось достичь коэффициента отражения устройства |S11| ≤ 0,13 (рис. 7) при минимальных размерах антенны. Верификация полученных данных проводилась путем сравнения результатов, полученных для двухмерной (аксиально-симметричной) и трехмерной численной конечно-элементной модели игольчатого аппликатора, а также с результатами, полученными МКЭ и МКРВО.
Рис. 7. Модуль коэффициента отражения интерстициального МА
С помощью трехмерной модели аппликатора были определены значения температуры в области взаимодействия. Результаты моделирования демонстрируют, что при использовании интерстициального игольчатого аппликатора в мышечной ткани при подводимой мощности 15 Вт можно создать зону коагуляции X×Y×Z = 15×15×25 мм, в течение 360 с. На рис.8 приведено распределение плотности СВЧ-мощности в биоткани. На рис. 9 приведены тепловые поля: а - нагрев в течение 60 с; б - нагрев в течение 180 с; в - нагрев в течение 360 с. Рис. 8. Распределение плотности СВЧ-мощности в биоткани
а
б
в
Рис. 9. Распределение теплового поля в биоткани
Поскольку предложенная конструкция аппликатора имеет волновое сопротивление около 35 Ом, для согласования устройства со стандартными коаксиальными линиями передачи, имеющими волновое сопротивление 50 Ом, в четвертой главе была предложена конструкция коаксиального перехода. Анализ двухмерной и трехмерной численных моделей данного устройства показывает уровень отраженной мощности |S11| ≤ 0,14. Глубина проникновения ЭМ поля в биологическую ткань, согласно (12), зависит от рабочей частоты устройства и комплексной диэлектрической проницаемости среды:
,(12)
Чтобы увеличить глубину проникновения поля в диссипативной среде, чаще всего снижают рабочую частоту излучателя. В данной диссертационной работе предложен другой подход: целенаправленное изменение комплексной диэлектрической проницаемости среды. Для изменения диэлектрических свойств биологической ткани можно вводить в нее различные жидкие вещества. С целью проверки этого подхода был проведен анализ двух жидких сред: растительного масла и водного раствора соли (NaCl), введенных в мышечную ткань. Исследования показали, что повышение коэффициента потерь ведет к незначительному увеличению уровня отраженной мощности, в то время как снижение относительной диэлектрической проницаемости среды существенно увеличивает это значение. При анализе систем, ориентированных на высокотемпературный нагрев биологических сред, для повышения точности результатов их математического моделирования необходимо решать нелинейную связанную электродинамическую и биотепловую задачу, учитывающую вариации свойств биологических тканей от температуры. В четвертой главе диссертационной работы была решена такая задача для трехмерной численной модели интерстициального игольчатого аппликатора. Результаты показали, что точность расчетов теплового поля повышается, особенно в ближней к аппликатору зоне. Погрешность вычисления температур может составлять 20-30%, что может оказать существенное влияние на результат.
В приложении приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе. Для подтверждения результатов численного моделирования были проведены измерения коэффициента отражения монопольной антенны, помещенной в диссипативную среду. Эксперимент проводился на специально собранной установке, включающей СВЧ-генератор, аппликатор, измерительную аппаратуру и соединительные элементы (рис. 10). Для измерений был использован генератор сигнала в диапазоне частот 2-4 ГГц с уровнем выходной мощности 20 мВт. В качестве жидкого диэлектрика использовались водные солевые растворы, с концентрацией 0÷5%. Рис. 10. Конструкция экспериментальной установки
Значения коэффициента потерь диссипативной среды определялись путем динамического измерения электропроводности среды. Для оценки систематической и случайной погрешностей производилось 5 измерений, для каждого значения солености воды. Результаты, полученные для 2%-ного водного солевого раствора, приведены на рис. 11.
Рис. 11. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения для монопольной антенны, помещенной в 2%-ный водный солевой раствор
Заключение и основные выводы по работе
1. Построена математическая модель, описывающая процессы высокотемпературного нагрева биологических тканей СВЧ-излучением, учитывающая параметры источника ЭМ колебаний и изменения комплексной диэлектрической проницаемости области взаимодействия.
2. Предложены конструкции волноводного и коаксиального СВЧ-аппликаторов для локальной гипертермии и абляции опухолей. 3. Проведено исследование процессов распространения и поглощения ЭМ волн в слоистых биологических средах, облучаемых линзовым волноводным аппликатором контактного типа на частоте 915 МГц, предназначенным для гипертермии поверхностных новообразований.
4. Установлено, что для локализации ЭМ поля внутри атипичной биоткани малого объема квазисферической формы может быть успешно использован штыревой коаксиальный излучатель диаметром менее 2 мм, снабженный дополнительным элементом в виде конусообразной насадки, выполненной из керамики с диэлектрической проницаемостью ε′ = 25.
5. Проведена оптимизация геометрических размеров предложенных в работе аппликаторов контактного и интерстициального типов, а также элементов их возбуждения, что позволило обеспечить минимум отраженной мощности на уровне |S11| < 0,2 и заданное распределение ЭМ поля в разных биологических средах (печень, мышечная ткань, и др.).
6. Обнаружен эффект фокусировки ЭМ поля на глубине до 30 мм от поверхности внутри двухслойной области на частоте 915 МГц, возникающий при использовании диэлектрической линзы на открытом конце волноводного аппликатора сложной формы. 7. С помощью математического моделирования доказано, что глубина проникновения ЭМ поля в биоткани является хоть и важным, но второстепенным фактором, оказывающим влияние на эффективность взаимодействия СВЧ-излучения в биоткани. В то же время, превалирующим фактором здесь является коэффициент диэлектрических потерь, для увеличения которого могут быть использованы солевые растворы биосовместимых жидкостей, что позволяет увеличить зону абляции.
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Новрузов И.И. Анализ электромагнитных и тепловых полей интерстициального микроволнового аппликатора / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 4. С. 57-62.
2. Новрузов И.И. Разработка и анализ микроволнового аппликатора для фокусировки электромагнитного поля в тканях человека / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 2 (57). Вып. 1. С. 27-34.
3. Новрузов И.И. Исследование электромагнитных и тепловых полей в ближней зоне контактного волноводного аппликатора/ И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2011. № 4 (20). С. 151-158.
4. Новрузов И.И. Управление тепловыми источниками в ближней зоне коаксиальной штыревой антенны для СВЧ гипертермии биологических тканей / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Антенны. 2011. № 11 (174). С. 10-13.
В других изданиях:
5. Новрузов И.И. Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводами сложных сечений / И.И. Новрузов, И.И. Салимов, А.А. Семенов // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология: материалы науч.-техн. конф.. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 2007. С.181-187.
6. Новрузов И.И. Методика разработки компьютерных моделей микроволновых устройств сложной конфигурации / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 263-268.
7. Novruzov I.I. Approximate analytical modes for calculation of cutoff wavelengths of some high order modes of complex cross section shaped waveguides / I.I. Novruzov, V.V. Komarov, A.G. Savina // Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: сб. науч. тр. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 2009. С. 231-239. 8. Новрузов И.И. Оптимизация коаксиально-волноводных переходов ISM диапазона частот / И.И. Новрузов, В.В. Комаров, А.Г. Савина// Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Псков, 2009. С. 227-228.
9. Новрузов И.И. Микроволновая гипертермия биологических тканей: физические аспекты и техническая реализация / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С.192-196.
10. Новрузов И.И. Математическое моделирование медицинских аппликаторов для локальной СВЧ-гипертермии / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 119-120.
11. Novruzov I.I Coupled electromagnetic-bioheat problem for microwave hyperthermia and ablation therapy modeling / I.I. Novruzov, V.V. Komarov// Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: сб. науч. тр. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 2011. С.20-27.
12. Новрузов И.И. Волноводный аппликатор для локального нагрева биологических тканей СВЧ-излучением / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ. 2010. С.199-202.
Патенты:
13. Патент на изобретение Заявка 2011122886 RU МПК: A61N 5/02 Контактный микроволновый аппликатор / Комаров В.В., Новрузов И.И. Решение о выдаче патента от 8.06.2012
Подписано в печать 15.09.2012 Формат 60×84 1/16
Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ ___
ООО "Издательский Дом "Райт-Экспо"
410031, Саратов, Волжская ул., 28
Отпечатано в ООО "ИД "Райт-Экспо"
410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90
2
21
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
125
Размер файла
3 322 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа