Αριθμητική μελέτη τυπωμένης ελικοειδούς κεραίας για τη θεραπεία των καρδιακών αρρυθμιών
Creators: name: Δεμίσαρλη, Αγγελική Αποστόλου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Αρρυθμίες
Μικροκυματική εκτομή της καρδιάς
Τυπωμένη ελικοειδής κεραία
Μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD)
Βιο-θερμική εξίσωση (BHE)
Ρυθμός Ειδικής Απορρόφησης (SAR)
Arrhythmias
Microwave cardiac ablation
Printed helical antenna
Finite Difference time domain (FDTD)
Bioheat equation (BHE)
Specific absorption rate (SAR)

description: Η χρήση μικροκυμάτων (MW) για την αντιμετώπιση καρδιακών αρρυθμιών αποτελεί θεραπευτική μέθοδο η οποία έχει εφαρμοστεί με επιτυχία τα τελευταία χρόνια. Οι καρδιακές αρρυθμίες οφείλονται κυρίως στην εμφάνιση μη φυσιολογικών ρευμάτων στον καρδιακό μυ και η χρήση μικροκυμάτων στοχεύει στην εξάλειψή τους με την άνοδο της θερμοκρασίας που προκαλεί η ακτινοβολία στον μυ. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η χρησιμοποιούμενη ακτινοβολία είναι μη ιονίζουσα καθιστούν τη μέθοδο καλή επιλογή για την αντιμετώπιση αντίστοιχων προβλημάτων.Βασικό στοιχείο της διάταξης, για την εφαρμογή της μεθόδου, αποτελεί ο ακτινοβολητής – κεραία, η οποία τοποθετείται στο εσωτερικό της καρδιάς και θα πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλα ώστε να μεταφέρει την μικροκυματική ισχύ στον καρδιακό μυ προκαλώντας τραύμα ικανό να ανατάξει την καρδιακή αρρυθμία. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται η σύνθεση ελικοειδούς κεραίας τυπωμένης σε υπόστρωμα διηλεκτρικού. Η κεραία τοποθετείται σε μπαλονάκι αγγειοπλαστικής, το οποίο με τη σειρά του έχει προσαρμοστεί κατάλληλα σε καθετήρα για την ιατρική εφαρμογή της μικροκυματικής εκτομής. Όταν το μπαλονάκι αγγειοπλαστικής βρίσκεται σε κατάσταση διόγκωσης, η μικροκυματική ακτινοβολία που εκπέμπει η ελικοειδής κεραία, διαδίδεται σε διεύθυνση κάθετη προς τα τοιχώματα της αρτηρίας και μέρος της ενέργειας της εναποτίθεται στους ιστούς με αποτέλεσμα να σημειώνεται αύξηση της θερμοκρασίας και αποκατάσταση του υγιή καρδιακού ρυθμού. Η κεραία, το ομοίωμα του καρδιακού μυός και η διαδικασία της εκτομής προσομοιώθηκαν με το λογισμικό SEMCAD-X. Η υπολογιστική μέθοδος που χρησιμοποιεί το SEMCAD-X είναι η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου- FDTD (Finite Difference Time Domain). Τα μεγέθη που υπολογίστηκαν και μελετήθηκαν είναι ο ρυθμός ειδικής απορρόφησης – SAR (Specific Absorption Rate) της ακτινοβολίας από τους ιστούς και η βιοθερμική εξίσωση, μέσω της οποία αναλύονται τα θερμικά αποτελέσματα της εφαρμογής του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και κατ΄ επέκταση το βάθος του τραύματος που δημιουργείται και αποτελεί τον βασικό στόχο για την εξάλειψη των αρρυθμιών. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε ομοίωμα εφτά κεντρικών και μη κυλινδρικών επιστρώσεων όπου η στεφανιαία αρτηρία είναι φραγμένη από την αθηρωματική πλάκα και εμφανίζει κεντρική και μη συμμετρία. Προηγήθηκε η σύνθεση της κεραίας (γεωμετρία δομικά χαρακτηριστικά)σε περιβάλλον με διηλεκτρικά χαρακτηριστικά και αγωγιμότητα αντίστοιχα με εκείνα του καρδιακού μυός. Οι ελικοειδείς κεραίες έχουν την ιδιότητα της ευρυζωνικής συχνοτικής λειτουργίας γεγονός που επέτρεψε την προσομοίωση της εκτομής σε δύο διαφορετικές συχνότητες που διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, στα 915MHz και τα 2450MHz.Βέλτιστα αποτελέσματα έχουν ληφθεί για τη συχνότητα των 915MHz. Το βάθος του τραύματος που επιτυγχάνεται, εκτείνεται σε μια περιοχή περίπου 850-900 mm2 και αντιστοιχεί στο 1/7 περίπου του συνολικού ομοιώματος του καρδιακού μυ (6400mm2). Επιπλέον το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την θέρμανση των ιστών είναι πολύ μικρό, γύρω στα 5 λεπτά και έτσι δεν είναι απαραίτητο ο ασθενής να ακτινοβοληθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα.
description: Over the last few years a successful technique used for the cure of cardiac arrhythmias is the microwave method. Cardiac arrhythmias are usually caused by the existence of abnormal currents inside the cardiac muscle. Therefore in view of canceling these currents out, one tries to heat the cardiac muscle by the application of microwaves. The efficiency of this method combined with the fact that non-ionizing radiation is used, set it as favorite for curing relevant problems.The basic device element, in order to apply this method, is an antenna which is placed inside the cardiac muscle and thus will have to be appropriately designed so as to radiate the microwave power to the cardiac muscle causing enough lesion depth with the aim of healing the cardiac arrhythmia. In the current thesis a catheter-based printed helix antenna on a dielectric substrate is proposed for cardiac ablation. The antenna is placed in an angioplasty balloon that is properly positioned inside a catheter for the purpose of medical microwave ablation. When the angioplasty balloon is inflated, the microwave power emitted by the antenna is radiated perpendicular to the artery walls of the heart. Part of this energy is deposited in the tissues, resulting in a temperature rise. The antenna, the cardiac muscle model and the ablation simulation were performed with the software package SEMCAD-X. The calculation method used by SEMCAD-X is the Finite Difference Time Domain Method (FDTD). The computed quantities are the Specific Absorption Rate (SAR) in the tissues, the temperature in them, resulting from solving the Bio-Heat Transfer Equation (BHTE) and the lesion depth produced, which is the primary cure endpoint. The simulations were computed for seven layered concentric and non-concentric cylindrical geometries, where the occluded artery model is blocked by atheromatic plaque and is either symmetric or non-symmetric. First of all an antenna was designed (geometry and bulk characteristics) in a dielectric and conductance environment similar to the ones of the cardiac muscle. Exploiting the property of full width frequency operation of the helical antennas the simulations were performed for two different ISM (Industrial-Scientific-Medical) frequencies 915MHz and 2450MHz. The best results were achieved for the 915MHz frequency. The lesion depth produced spreads in an 850-900 mm2 area that corresponds to the 1/7 of the full cardiac muscle model (6400mm2). In addition the time needed for heating the tissues is small enough, around 5 minutes, and thus the patient is not required to be radiated for a long time period