Анализ методов и устройств для трансуретральной микроволновой термотерапии биотканей

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТРАНСУРЕТРАЛЬНОЙ МИКРОВОЛНОВОЙ ТЕРМОТЕРАПИИ БИОТКАНЕЙ

В настоящее время электронные приборы и устройства, основанные на использовании замедляющих систем и возбуждаемых в них электромагнитных волн, получили широкое распространение в микроволновой электронике. Они также успешно применяются при создании новых элементов радиочастотных и микроволновых трактов, контрольно-измерительных приборов и устройств, электромагнитного нагрева материалов и изделий и т.д. Одним из перспективных направлений применения замедляющих систем является возможность их использования в биологии и медицине в качестве антенн и излучателей для радиочастотной и микроволновой физиотерапии, радиотермии и томографии, чувствительных элементов для медицинской диагностики, устройств для стерилизации и термообработки.

Преимущества применения замедляющих систем в биологии и медицине основаны на электродинамических и конструктивных особенностях структур, которые следуют из распределения электромагнитного поля вблизи их поверхностей. Рассматриваются особенности использования замедляющих систем применительно к средам с высоким значением диэле-трической пронициамости, в частности, биотканям, а также проблемы, связанные с созданием электродов для внутриполостной микроволновой физиотерапии на замедляющих системах с преимущественным сосредоточением электрического поля в биотканях, прилегающим к поверхности электрода.

Представлены результаты моделирования микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня, полученные с помощью программных средств Ansoft HFSS v.12 и CST Microwave Studio 2011. Найденные в результате электродинамического анализа теоретические соотношения позволяют рассчитать изменение фазовой скорости замедленной электромагнитной волны в коаксиальной линии с ребристыми проводниками и находятся в хорошем соответствии с результатами физического эксперимента. Применение такой структуры представляет практический интерес, поскольку позволяет уменьшать ее продольные геометрические размеры при сохранении электрической длины волны. Кроме урологических процедур трансуретральной микроволновой термотерапии, предложенный электрод на основе ребристого стержня может быть использован также как источник излучения для микроволнового томографа при исследовании крупных кровеносных сосудов или пищевода. Кроме того, возможно его применение в качестве миниатюрной приемной антенны при радиометрии и термографии.

Для цитирования:

Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В. Анализ методов и устройств для трансуретральной микроволновой термотерапии биотканей // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №6. - С. 38-43.

For citation:

Yelizarov А.А., Shaymardanov R.V. The analysis of methods and devices for biofabrics transurethral microwave thermotherapy. T-Comm. 2015. Vol 9. No.6, рр. 38-43. (in Russian).

Елизаров Андрей Альбертович,

д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, a.yelizarov@hse.ru

Шаймарданов Руслан Варисович,

аспирант, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, ruslan.shaymardanov@bk.ru

Ключевые слова: замедляющая система, коаксиальный ребристый стержень, коэффициент замедления, дисперсионная характеристика, волновое сопротивление, доброкачественная гиперплазия предстательной железы.

Первые исследования и разработки микроволновых медицинских излучателей и электродов для физиотерапии и хирургии на основе замедляющих систем (ЗС) были выполнены научной группой под руководством профессора Пчельникова Ю.Н. в начале 80-х годов прошлого века. Уже тогда были изучены отдельные свойства замедленных электромагнитных волн, а немного позднее предложен и создан целый ряд внутри-полостных и наружных излучателей и электродов на спиральных ЗС [1- 4],

В большинстве случаев ЗС сформированы проводящими элементами, имеющими периодичность вдоль распространения волны, например, одиночными спиралями, биспиралями или меандрами (рис.1а - в). Изменение конфигурации таких структур, обеспечивающих концентрацию электромагнитного поля вблизи своей поверхности, позволяет обеспечить также проникновение энергии на заданную глубину а окружающих их средах, и сопровождается пропорциональным коэффициенту замедления увеличением эффективности взаимодействия.

больших и малых объемов биологических объектов и сред.

а) 6) в)

Рис. 1. Виды спиральных замедляющих систем

Рассмотрим ниже наиболее важные физические особенности и конструктивные параметры ЗС, дающие возможность обеспечить их эффективное применение в качестве излучателей и электродов для лечения заболеваний предстательной железы с использованием терапевтического метода трансуретральной микроволновой термотерапии (ТУМТ).

Первой особенностью ЗС является возможность концентрации энергии замедленной волны пропорционально величине коэффициента замедления. При этом энергия может быть определена по формуле у _ ^о г

где р0 - поток мощности через поперечное сечение ЗС, 1-ф - групповая скорость электромагнитной волны.

Вторая особенность ЗС состоит в возможности дополнительной концентрации энергии в поперечном сечении структуры, что вызвано поверхностным распределением области замедленной волны, которая пропорциональна частоте и коэффициенту замедления (рис. 2). В качестве третьей особенности ЗС следует подчеркнуть возможность поверхностного распределения поля при разных частотах и коэффициентах замедления, что позволяет их применять для относительно

импедё

Рис. 2. Поверхностное распределение поля замедленной волны

Четвертой особенностью ЗС является то, что в зависимости от граничных условий и различного распределения в поперечном направлении, ее электромагнитное поле в большинстве случаев представлено в виде гибридной волны, которую можно рассматривать в виде совокупности волн £- и ¿/-типов (рис. 3). В такой гибридной волне отношение электрической энергии к магнитной в волне £-типа, а также отношение магнитной энергии к электрической в волне ¿/-типа, равно квадрату коэффициента замедления: дГ2 _ К, _ К" .

!¥? IV!"

Магнитное поле Эл емпмш ческое

п ппв

с

Спирали с противоположным направлен и ем намотки

Рис. 3. Распределение поля в спиралях с противоположным направлением намотки

Данное свойство позволяет создавать медицинские излучатели и электроды с преимущественным сосредоточением электрического или магнитного поля в заданной области биоткани, что важно при проведении локальной физиотерапии. Пятая особенность ЗС состоит в возможности многократной концентрации электрического и магнитного полей в связанных структурах, например, цилиндрических или радиальных спиралях с противоположным направлением намотки (рис. 3, 4).

Концентрация электрического поля между спиралями с большим замедлением обеспечивает лучшие условия для терапии радиочастотным магнитным полем, в то время как интенсивность электрического поля в биоткани уменьшена приблизительно в /V7 раз. При этом дополнительное замедление может превысить основное замедление, обеспеченное изгибом проводников.

T-Comm Tом 9. #6-2015

Таким образом, на основе проанализированных свойств замедленных электромагнитных волн и конструктивных особенностей ЗС, возможно создание новых электродов и излучателей для микроволновой термотерапии, обладающих перспективными функциональными возможностями и обеспечивающих высокую эффективность терапевтического воздействия благодаря локальной концентрации энергии вблизи структуры, и ее направленного излучения в заданную область биологического объекта.

Литература

1. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. - М.: Радио и связь, 2002. - 200 с.

2. Елизаров А.А. Технологические процессы и устройства на замедленных электромагнитных волнах: современное состояние и тенденции развития // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1998. - Т.1,- №1. - С.41-49.

3. Medical application of slow-wave structures / Yu.N. Pchel-nikov Ц 40th Annual Microwave Symposium Proceedings. August 9-11, 2006,-Pp. 1-5.

4. Medical application of slow electromagnetic waves / Yu.N. Pchelnikov, A.A. YeHzarov 11 Proceedings International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St. Petersburg, May 24-28, 1999. -Pp. 464-467.

5. Пчельников Ю.Н. Излучение замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик / Радиотехника и электроника. 1995. - Т.40. - № 4. - С.532-538.

6. Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В. Особенности применения замедленных электромагнитных волн в биологии и медицине Ц Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2012. Материалы 10-й юбилейной Международной научно-технической конференции, 19-20 сентября 2012 г. Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2012. - С. 219-227.

7. Елизаров АЛ., Шаймарданов Р.В. Исследование электрода для трансуретральной микроволновой термотерапии на основе замедляющей системы типа коаксиальный ребристый

стержень // Труды LXVII Научной сессии , посвященной Дню радио. - Москва, 2012. - С. 369-372.

8. Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В., Нестерова Д.А. Исследование электрода на основе коаксиальной ребристой линии для лечения доброкачественной гиперплазии простаты // Медицинская физика и инновации в медицине: материалы V Троицкой конф. ТКМФ-5. Троицк, 2012. - Т.2. - С. 294-296.

9. Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В. Электродинамический анализ резонатора на основе коаксиальной ребристой линии // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. -№ 10.-С, 54-55,

10. Елизаров А.А., Шаймарданов Р.В. Патент РФ на изобретение № 2 525 273. Внутри пол ост ной микроволновый излучатель (варианты) // Изобретения. Полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2014. № 22,

11. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Нестерова Д.А., Шаймарданов Р.В. Перспективы создания новых микроволновых излучателей и электродов для физиотерапии на замедляющих системах // Innovative information technologies: Materials of The International Scientific-Practica I Conference, Prague, 2013, April 22-26. - 2013. - Part 2. - C. 233-238.

12. Елизаров A.A., Шаймарданов Р.В. Исследование электродов для внутриполостной микроволновой физиотерапии с экранировкой магнитного поля // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. - № 9. - С, 82-84,

13. YeHzarov A., Pchelnikov Y., Shaymardanov R. Electro-Dynamic Analysis of the Slow-Wave Structure Formed by the Ribbed Coaxial Line // Proceedings of the 15th IEEE Internationa! Vacuum Electronics Conference (IVEC-2014). Monterey: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. - Pp. 297-298.

14. EHzarov A.A., Shaymardanov R. Medical electrod developing based on slow-wave system in case of prostate gland disease // Proceedings 2014 International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering (ISEEE - 2014), April 26-28, 2014, Sapporo City, Hokkaido, Japan Vol. 2. Sapporo City: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. - Pp. 702-707.

15. Елизаров A.A., Каравашкина B.H., Нестерова Д.А., Шаймарданов Р.В. Моделирование микроволнового излучателя на основе коаксиального ребристого стержня // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. - Т.8. - №10. -С. 24-26,

ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING

THE ANALYSIS OF METHODS AND DEVICES FOR BIOFABRICS TRANSURETHRAL

MICROWAVE THERMOTHERAPY

A. Yelizarov, R. Shaymardanov, Moscow, Russia

Abstract

Now the electronic devices based on slow wave systems and electromagnetic waves excited in them were widely adopted in microwave electronics. They are also successfully applied at creation new elements of radio-frequency and microwave paths, instrumentations and devices, materials electromagnetic heating and etc. One of the perspective directions of slow wave systems usage is possibility of their implementation in biology and medicine as antennas and radiators for radio-frequency and microwave physical therapy, a radio-thermy and a tomography, sensitive elements for medical diagnostics, devices for sterilization and heat treatment. Advantages of usage slow wave systems in biology and medicine are based on electrodynamic and design features of structures which follow from distribution of an electromagnetic field near their surfaces. In this we are looking for features of usage slow wave systems in relation to area with high value of dielectric permeability, in particular to biofabrics, and also the problems connected with creation of electrodes for intracavitary microwave physical therapy on slow wave systems with primary concentration of electric field in biofabrics, adjacent to electrode surface. In this work the results of modeling microwave radiator on the basis of a ribbed coaxial line were received on Ansoft HFSS v.12 and CST Microwave Studio 2011 software. The theoretical ratios whice were received as a result of the electrodynamic analysis allow to calculate change of phase speed of slowed-down electromagnetic wave in the coaxial line with ridge conductors and are in good compliance with results of physical experiment. Application of such structure represents practical interest as allows to reduce its longitudinal geometrical sizes with preservation of electric wavelength. Except urological procedures of transurethral microwave thermotherapy, the offered electrode on the basis of a ribbed line can be used also as a radiation source for the microwave tomograph at research of large blood vessels or a gullet. Besides, its application as the tiny reception antenna at radiometry and a termografiya is possible.

Keywords: slow wave system, ribbed coaxial rod, slowing down coefficient, dispersion characteristic, wave resistance, prostate gland hyperplasia. References

1. Yelizarov A.A., Pchelnikov Yu.N. Radio wave elements of technological devices and devices with use of the electrodynamic slow wave systems. M.: Radio and communication, 2002. 200 p. [in Russian]

2. Yelizarov A.A. Technological processes and devices on the slowed-down electromagnetic waves: current state and tendencies of development / Physics of wave processes and radio engineering systems. 1998. Vol.1. No.1. Pp. 41-49. [in Russian]

3. Pchelnikov Yu.N. Medical application of slow-wave structures. 40th Annual Microwave Symposium Proceedings. August 9-11, 2006. Pp. 1-5. [in Russian]

4. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A. Medical application of slow electromagnetic waves. Proceedings International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St.Petersburg, May 24-28, 1999. Pp. 464-467.

5. Pchelnikov Yu.N. Radiation of the slowed-down electromagnetic wave in magnetodielectric. Journal of Communication Technology and Electronics. 1995. Vol.40. No. 4. Pp. 532-538. [in Russian]

6. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. Features of application of slow electromagnetic waves in biology and medicine. Actual Problems of Electron Devices Engineering APEDE-2012. Materials of the 10th jubilee International scientific and technical conference, September 19-20, 2012, Saratov: Saratov State Technical University, 2012. Pp. 219-227. [in Russian]

7. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. Research of an electrode for transurethral microwave thermotherapy based on coaxial ridge core slowing-down system. Works LXVII of the Scientific session devoted to Day of radio. Moscow, 2012. Pp. 369-372. [in Russian]

8. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V., Nesterova D.A. Research of an electrode on the basis of the coaxial ribbed line for prostate gland hyperplasia treatment/ Medical physics and innovations in medicine: Materials V Troitsk conf. TKMF-5. Troitsk, 2012. Part 2. Pp. 294-296. [in Russian]

9. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. Electrodynamic analysis of resonator-based coaxial ribbed lines. T-Comm. 2012. No. 10. Pp. 54-55. [in Russian]

10. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. Patent RU No. 2 525 273. Intracavitary microwave radiator (options). Invention. Utility model. Official Bulletin of the Federal service for intellectual property, patents and trademarks. 2014. No. 22. [in Russian]

11. Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A., Nesterova D.A., Shaymardanov R.V. The prospects of creating a new radiators and electrodes for physiotherapy on slow wave systems // Innovative information technologies: Materials of The International Scientific-Practical Conference, Prague, 2013, April 22-26.

2013. Part 2. Pp. 233-238. [in Russian]

12. Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V. The study of electrodes for intracavitary microwave physiotherapy shielding magnetic field. T-Comm. 2013. No. 9. Pp. 82-84. [in Russian]

13. Yelizarov A., Pchelnikov Y, Shaymardanov R. Electro-Dynamic Analysis of the Slow-Wave Structure Formed by the Ribbed Coaxial Line. Proceedings of the 15th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC-2014). Monterey: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. Pp. 297-298.

14. Elizarov A. A., Shaymardanov R. Medical electrod developing based on slow-wave system in case of prostate gland disease. Proceedings 2014 International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering (ISEEE - 2014), April 26-28, 2014, Sapporo City, Hokkaido, Japan Vol. 2. Sapporo City: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. Pp. 702-707.

15. Yelizarov A.A., Karavashkina V.N., Nesterova D.A., Shaymardanov R. V. Modeling of microwave radiator on the basis of coaxial ribbed rod. T-Comm.

2014. Vol. 8. No. 10. Pp. 24-26. [in Russian]

Information about authors:

Andrey Yelizarov, Ph. D., professor, National Research University "Higher School of Economics", Russia, Moscow, a.yelizarov@hse.ru Ruslan Shaymardanov, post-graduate student, National Research University "Higher School of Economics", Russia, Moscow, ruslan.shaymardanov@bk.ru

f I A