СВЧ-ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ НАГРЕВА СУСТАВОВ КОНЕЧНОСТЕЙ

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована в медицинских аппаратах для физиотерапии и гипертермии.
Нагрев тканей тела человека электромагнитными волнами давно и успешно применяется как в физиотерапии, так и в онкологии. В последнем случае используется контролируемый нагрев тканей до температуры 42-44°C (гипертермия), что способствует разрушению опухоли. Клинические испытания показывают, что применение гипертермии в сочетании с химиотерапией или лучевой терапией существенно повышает эффективность лечения [1, 2]. Это объясняется тем, что нагрев опухоли делает ее более чувствительной к некоторым противоопухолевым препаратам и к разрушающему действию ионизирующего излучения.
Особого внимания заслуживает СВЧ-гипертермия (или микроволновая гипертермия), основанная на применении электромагнитных волн СВЧ-диапазона. В этом диапазоне частот возможно создание сфокусированного излучения, что позволяет реализовать локальную гипертермию при неинвазивном воздействии. Для соответствующих медицинских аппаратов выделены три частоты: 433, 915 и 2450 МГц. Излучатели таких аппаратов должны обеспечить интенсивное облучение требуемого участка тела при слабом уровне облучения остального объема. В последнее время в качестве излучателей для СВЧ-гипертермии используют антенны-аппликаторы, прикладываемые к облучаемому объекту и настроенные так, чтобы в рабочем режиме обеспечивалось согласование антенны с СВЧ-генератором [3, 4].
Существует общий недостаток, присущий аппаратам для СВЧ-гипертермии, который заключается в следующем. Электромагнитная волна, распространяясь в теле человека, сильно затухает, поэтому для нагрева внутренних органов приходится повышать излучаемую мощность. Это приводит к нежелательному перегреву кожи и подкожных тканей. Для уменьшения перегрева между излучателем и кожей помещают охлаждающую прокладку, например, силиконовый болюс с проточной дистиллированной водой,
Указанный недостаток особенно явно проявляется при необходимости нагрева костей конечностей, например, в случае таких заболеваний, как остеогенные саркомы. Это связано с тем, что у кожи удельная электропроводность на порядок больше, чем у костной ткани, поэтому тепловыделение, а значит и скорость роста температуры в коже, значительно больше, чем в костях. По этой причине охлаждающее действие водной прослойки становится малоэффективным, особенно в тех случаях, когда объектами облучения являются суставы, из-за неровной поверхности которых трудно обеспечить плотный контакт охлаждающей прокладки с кожей.
Известен излучатель для СВЧ-терапии [5], представляющий собой плоский вибратор с экраном и дополнительным элементом, расположенным между вибратором и поверхностью тела. За счет введения дополнительного элемента удается сформировать интерференционный минимум в области кожного покрова. Однако данный излучатель не является аппликатором и поэтому при облучении сустава создает повышенный уровень мощности в окружающем пространстве.
Известен СВЧ-излучатель для гипертермии [Патент 2203701 RU, МПК A61N 5/02, 2003] представляющий собой антенную решетку, элементы которой располагаются вблизи тела человека и возбуждаются так, чтобы за счет подбора амплитудно-фазового распределения в трактах элементов решетки сформировалось фокальное пятно в теле человека. Недостатком данного излучателя является сложность оборудования и необходимость поэлементной настройки системы возбуждения с учетом анатомических особенностей пациентов.
Известен СВЧ-излучатель для гипертермии [Авторское свидетельство 1246452 SU, МПК A61N 5/02, 1983], содержащий две металлические пластины, каждая из которых имеет форму части боковой поверхности кругового цилиндра. Пластины разделены слоем диэлектрика. Таким образом, данный излучатель представляет собой микрополосковую антенну цилиндрической формы. При настройке такой антенны в резонанс распределение тока на ее излучающей пластине является синфазным, и волны, излученные элементами поверхности, благодаря цилиндрической форме пластины приходят на ось цилиндра в одной фазе. Таким образом, фокусировка обеспечивается за счет формы излучателя, что является его достоинством по сравнению с предыдущим аналогом. Однако при облучении сустава данным излучателем значение удельной поглощаемой мощности в зоне фокусировки оказывается меньше, чем в поверхностных тканях. Этот недостаток излучателя был обнаружен при использовании компьютерной программы CST Microwave Studio, с помощью которой проводился расчет электромагнитного поля путем численного решения граничной задачи электродинамики для модели, учитывающей все геометрические особенности излучателя и облучаемого объекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является СВЧ-излучатель для нагрева конечностей [6], образованный из двух одинаковых по конструкции антенн, расположенных напротив друг друга по обе стороны от облучаемого объекта (части тела человека), причем каждая антенна состоит из двух металлических пластин (излучающей и экранной), имеющих форму части боковой поверхности кругового цилиндра. В рабочем режиме пластины антенн располагаются так, что ось цилиндра оказывается в центральной области облучаемого объекта. Антенны возбуждаются синфазно, поэтому в центральной части облучаемого объекта возникает интерференционный максимум. Это позволяет значительно увеличить удельную поглощаемую мощность в центре облучаемого объекта по отношению к значению этой величины на его поверхности. Однако приведенные в [6] результаты показывают, что на участках кожи, расположенных вблизи краев излучающих пластин, имеются локальные максимумы амплитуды поля. Наличие этих «горячих пятен» объясняется тем, что электрический ток на излучающей пластине распределен неравномерно: амплитуда тока вблизи тех краев пластины, которые параллельны направлению тока, значительно больше, чем в средней части пластины. Это явление известно в электродинамике как «условие на ребре», согласно которому поверхностная плотность тока, текущего параллельно кромкам пластины, возрастает при приближении к кромкам по закону , где r отсчитывается от кромки [7, стр. 36-37]. Создаваемое этим током электрическое поле образует «горячие пятна» на участках кожи, близких к кромкам пластины. Данный недостаток описываемого излучателя может привести к перегреву участков кожи при проведении сеанса гипертермии.
Предлагаемый СВЧ-излучатель для нагрева суставов конечностей (фиг. 1) состоит из антенны 1 и антенны 2, одинаковых по конструкции, имеющих излучающие пластины 3 и экранные пластины 4, выполненные из металла и разделенные воздушным зазором. Излучающие пластины 3 и экранные платины 4 закреплены на стержнях 5, проходящих через их центры и вставленных в стенку корпуса (на рисунке не показан) с возможностью горизонтального перемещения. Для возбуждения антенны 1 и антенны 2 используется коаксиальные кабели 6 одинаковой длины, подключенные так, что центральный проводник каждого из них проходит через отверстия в экранных пластинах 4 и соединен с излучающими пластинами 3 в точке на их центральных образующих, а оплетки коаксиальных кабелей 6 соединены с экранными пластинами 4. Каждый из коаксиальных кабелей 6 другим своим концом подключен к входному разъему 7 так, что концы коаксиальных кабелей 6 соединены параллельно.
В предлагаемой полезной модели решается задача повышения качества медицинской процедуры. Технический результат, который может быть получен при ее использовании, заключается в устранении перегрева кожи и подкожных тканей при проведении сеанса гипертермии сустава.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в предлагаемом СВЧ-излучателе излучающие платины 3 и экранные пластины 4 имеют форму части боковой поверхности параболических цилиндров, фокусное расстояние которых выбрано исходя из соотношений:
u
где F - фокусное расстояние для излучающих пластин 3;
э
F - фокусное расстояние для экранных пластин 4;
D - поперечный габаритный размер облучаемого участка конечности 8;
1
1
δ - толщина охлаждающих прокладок 9, расположенных на поверхности облучаемого участка конечности 8, выбираемая в пределах: δ=4-8 мм;
2
2
δ - размер зазора между излучающими пластинами 3 и экранными пластинами 4, выбираемый в пределах: δ=3-6 мм.
Угловой раствор излучающих пластин 3, отсчитываемый из точки фокуса, выбирают в пределах 40°-60°, причем, в рабочем режиме антенна 1 и антенна 2 расположены напротив друг друга по обе стороны от облучаемого участка конечности 8 так, что излучающие пластины 3 касаются охлаждающих прокладок 9 своей центральной образующей, которая параллельна продольной оси облучаемого участка конечности 8.
a
В рабочем режиме антенна 1 и антенна 2 сдвинуты с помощью стержней 5 так, что они примыкают к охлаждающим прокладкам 9. СВЧ-мощность от СВЧ-генератора подается на входной разъем 7 и делится поровну между коаксиальными кабелями 6, что обеспечивает синфазное возбуждение антенны 1 и антенны 2. Для согласования СВЧ-излучателя с СВЧ-генератором длина излучающих пластин 3 вдоль образующей, а также координаты точки подключения коаксиальных кабелей 6 подбираются так, чтобы на рабочей частоте входное сопротивление Z антенны 1 и антенны 2 равнялось 50 Ом. Коаксиальные кабели 6 имеют волновое сопротивление W=75 Ом и длину
к
к
l=n·λ/2+λ/4,
где n=0, 1, 2…;
к
λ - длина волны в кабеле.
Таким образом, коаксиальные кабели 6 является четвертьволновым трансформатором, который преобразует входное сопротивление антенны 1 и антенны 2 согласно выражению [8, стр. 547]:
вх
a
2
Z=W/Z,
вх
вх
где Z - входное сопротивление коаксиальных кабелей 6, в данном случае Z≈100 Ом.
Концы коаксиальных кабелей 6 соединены параллельно, поэтому на входе разъема 7 сопротивление близко к значению 50 Ом, что дает приемлемый уровень согласования с кабелем РК-50, соединяющим входной разъем 7 с СВЧ-генератором (входной разъем 7 является простым тройниковым соединением без дополнительных элементов).
В пространстве между излучающими пластинами 3 и экранными платанами 4 антенны 1 и антенны 2 возникает колебание электромагнитного поля низшего типа, аналогичное колебанию, возникающему в известных микрополосковых антеннах с плоской геометрией [9, стр. 323-331]. При этом на сторонах излучающих пластин 3, обращенных к облучаемому участку конечности 8, возникает синфазное распределение электрического тока, преимущественное направление которого - вдоль образующей излучающих пластин 3. В результате максимум излучения направлен в сторону облучаемого участка конечности 8, а вектор напряженности электрического поля ориентирован вдоль оси облучаемого участка конечности 8. Стержни 5 соединяют излучающие пластины 3 и экранные пластины 4 в точках нулевого потенциала, поэтому, независимо от материала стержней 5, они не влияют на работу антенны 1 и антенны 2. Излучающие пластины 3 имеют форму параболического цилиндра, причем фокус параболы находится в центральной части облучаемого участка конечности 8.
Сравним предлагаемое устройство с прототипом, в котором излучающие пластины имеют форму кругового цилиндра. Пусть центр кругового цилиндра совпадает с точкой фокуса параболического цилиндра, тогда поверхности излучающих пластин для обоих устройств почти совпадают. Наибольшее расхождение между поверхностями указанных пластин имеет место на их кромках (фиг. 2).
Воспользуемся уравнением параболы в полярных координатах [10, стр. 69]:
где F - фокусное расстояние параболы;
φ - угол, отсчитываемый от оси х.
Тогда расстояние между кромками пластин параболической и круговой формы определяется по формуле:
0
где φ - половина углового раствора пластин.
0
1
Учитывая, что угол φ меньше 30° и , получим из (3): Δr≤0,03(D+2δ), то есть максимальное расстояние между излучающими пластинами не превышает 3-4% от поперечного габаритного размера объекта. Следовательно, в данном случае пластины параболической формы и пластины круговой формы имеют практически одинаковые фокусирующие свойства.
В то же время кромки излучающих пластин параболической формы расположены на величину Δr дальше от поверхности облучаемого участка конечности по сравнению с кромками пластин круговой формы (см. фиг. 2). Несмотря на то, что это удаление мало, оно позволяет значительно уменьшить напряженность электрического поля, создаваемого кромками излучающих пластин на поверхности объекта. Это объясняется быстрым спаданием интенсивности ближнего поля при удалении от излучающей поверхности.
Важнейшим параметром при нагреве тканей электромагнитными волнами является скорость роста температуры. Эту величину можно оценить по известной формуле:
где T - температура;
t - время;
p - объемная плотность поглощаемой мощности в веществе;
C - удельная теплоемкость вещества;
ρ - плотность вещества.
Достигаемый технический результат можно характеризовать отношением скорости роста температуры в костной ткани сустава к скорости роста температуры в коже:
где c - индекс, относящийся к суставу;
k - индекс, относящийся к коже;
c
p - объемная плотность поглощаемой мощности в суставе;
k
p - объемная плотность поглощаемой мощности в коже;
c
C - удельная теплоемкость вещества сустава;
Ck - удельная теплоемкость вещества кожи;
c
ρ - плотность вещества сустава;
k
ρ - плотность вещества кожи.
C
K
В предлагаемом СВЧ-излучателе отношение скорости роста температуры в костной ткани сустава к скорости роста температуры в коже существенно больше, чем в известных аналогах, поскольку за счет выбора параболической формы излучающих пластин 3 и экранных пластин 4 удается повысить отношение p/p.
Описание иллюстраций:
Фиг. 1. Чертеж СВЧ-излучателя для нагрева суставов конечностей.
Фиг. 2. Сравнение излучающей пластины параболической формы и излучающей пластины круговой формы.
Фиг. 3. Компьютерная модель антенны.
Фиг. 4. Компьютерная модель облучаемого участка конечности (в данном случае руки).
Фиг. 5. Распределение удельной поглощаемой мощности в поперечной плоскости, проходящей через центр сустава.
Фиг. 6. Распределение удельной поглощаемой мощности в продольной плоскости, проходящей через центр сустава.
Фиг. 7. Зависимость объемной плотности поглощаемой мощности от координаты в поперечном сечении сустава.
Фиг. 8. Фотография экспериментального образца СВЧ-излучателя для нагрева суставов конечностей.
Фиг 9. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты.
Обозначения на чертежах:
1 - антенна;
2 - антенна;
3 - излучающие пластины;
4 - экранные пластины;
5 - стержни;
6 - коаксиальные кабели;
7 - входной разъем;
8 - облучаемый участок конечности;
9 - охлаждающие прокладки;
10 - кривая для одной антенны с пластинами круговой формы;
11 - кривая для двух антенн с пластинами круговой формы;
12 - кривая для двух антенн с пластинами параболической формы.
Опытный образец предлагаемого СВЧ-излучателя был спроектирован для нагрева локтевого сустава на частоте 915 МГц. Профили излучающих пластин 3 и экранных пластин 4 определялись согласно формулам (1) и (2).
При проектировании использовалось стандартное программное обеспечение, предназначенное для численного решения граничных задач электродинамики методом конечных интегралов. Как показано в [4], такое программное обеспечение позволяет создавать компьютерные модели тканей тела, адекватные реальным объектам.
На фиг.3 представлена компьютерная модель антенны 1, а на фиг. 4 компьютерная модель облучаемого участка конечности 8 (в данном случае участка руки в области локтевого сустава) в продольном разрезе. Модель участка руки имеет длину 400 мм и содержит собственно суставную часть, выполненную с учетом реальной формы сустава, включая локтевую ямку, а также примыкающие к суставу части плеча и предплечья. Данная модель состоит из четырех слоев: кожи, жира, мышечной и костной тканей. Толщина слоя кожи составляет 3 мм, жира - 5 мм. В поперечном сечении костная ткань сустава имеет форму цилиндра эллиптического поперечного сечения. Длина большой полуоси эллипса составляет 42 мм, длина малой полуоси - 37 мм. Длина сустава 50 мм.
При проектировании использовались характеристики тканей человека и воды, представленные в таблице 1 согласно [11, 12].
В процессе проектирования проводилась оптимизация геометрических параметров предлагаемого СВЧ-излучателя в рабочем режиме. Цель оптимизации - обеспечить интенсивное облучение костной ткани сустава при минимальном уровне облучения поверхностных тканей и обеспечить приемлемый уровень согласование излучателя с СВЧ-генератором. В результате оптимизации были получены следующие размеры. Длина излучающих пластин 3 вдоль образующей 124 мм, их фокусное расстояние 50 мм, угловой раскрыв 44°. Длина экранных пластин 4 вдоль образующей 136 мм, их фокусное расстояние 57 мм, угловой раскрыв 81°. Воздушный зазор между излучающими пластинами 3 и экранными пластинами 4 равен 6 мм.
Охлаждающая прокладка моделировалась слоем дистиллированной воды, прилегающим к коже. Длина охлаждающей прокладки - 184 мм, толщина 5 мм, ее угловой раскрыв 112°.
На фиг. 5 и фиг. 6 представлена компьютерная модель предлагаемого СВЧ-излучателя и облучаемого участка конечности (руки) с охлаждающей прокладкой в поперечном и продольном сечениях соответственно. Там же дано рассчитанное распределение объемной плотности поглощаемой мощности в облучаемом участке руки, выраженное в цветовой форме согласно шкале интенсивности. Мощность, подаваемая от СВЧ-генератора, равна 1 Вт.
C
K
Как видно из фиг. 5 и фиг. 6, наблюдается фокусировка поглощаемой мощности в центральной части облучаемого участка руки (в области расположения сустава). При этом распределение поглощаемой мощности в слое кожи неоднородно по периметру. В данном случае отношение p/p=1,4.
C
K
Чтобы убедиться в техническом преимуществе предлагаемого СВЧ-излучателя по сравнению с известными аналогами, для последних нами проводилось аналогичное моделирование. При этом для прототипа получено значение p/p =0,78. Таким образом, при одинаковой скорости нагрева
костной ткани сустава предлагаемый СВЧ-излучатель обеспечивает уменьшенную почти в два раза скорость нагрева кожи по сравнению с прототипом.
На фиг. 7 даны графики зависимости объемной плотности поглощаемой мощности от координаты в поперечном сечении сустава вдоль прямой, проходящей через центр сустава. Крайние точки прямой соответствуют поверхности кожи. Кривая 10 построена для излучателя, образованного из одной антенны, имеющей форму кругового цилиндра, что соответствует указанному выше третьему аналогу. Кривая 11 - для излучателя из двух антенн, имеющих форму кругового цилиндра, что соответствует прототипу. Кривая 12 - для предлагаемого СВЧ-излучателя, образованного из антенны 1 и антенны 2, излучающие пластины 3 и экранные пластины 4 которых имеют форму параболических цилиндров.
По полученным размерам изготовлен экспериментальный образец предлагаемого СВЧ-излучателя для нагрева суставов конечностей (фиг. 8). Антенна 1 и антенна 2 изготовлены из медных пластин толщиной 1 мм и закреплены в деревянном каркасе с помощью стержней 5 с возможностью перемещения в горизонтальном направлении. При испытаниях человек помещал руку между антенной 1 и антенной 2 так, чтобы их ось симметрии проходила через центр локтевого сустава. В качестве охлаждающих прокладок 9 использовались поролоновые губки, смоченные водой (на рисунке не показаны). Антенна 1 и антенна 2 прижимались через губки к руке. Коаксиальные кабели 6 марки РК-75 имели длину 377 мм каждый. Измерялись входные характеристик СВЧ-излучателя (уровень согласования) с помощью прибора Р2М-04. На фиг.9 представлены измеренные значения коэффициента стоячей волны (сплошная линия) в сравнении с полученными в результате моделирования (штриховая линия).
Таким образом, предлагаемый СВЧ-излучатель позволяет осуществлять локальный нагрев локтевого сустава при уменьшенном уровне нагрева кожи и подкожных тканей.
Литература
1. Гельвич, Э.А. Аппаратура для одновременного воздействия ионизирующего излучения и гипертермии на опухоль / Э.А. Гельвич, Е.А. Крамер-Агеев, В.Н. Мазохин, Н.Н. Могиленец // Медицинская физика. - 2009. - №3. - С. 30-35.
2. Curto, S. Antenna Development for Radio Frequency Hyperthermia Applications // Doctoral Thesis. - Dublin Institute of Technology. 2010.
3. Modern Antenna Handbook. Chapter 27. Antennas for Medical Therapy and Diagnostics // C.A. Balanic. - USA: Published by Jorn Wiley, 2008. - P. 1377-1419.
4. Новрузов, И.И. Разработка и исследование микроволновых аппликаторов для тепловой терапии биологических тканей: автореф. дисс… канд. техн. наук: 05.12.07 / И.И. Новрузов. - Саратов: СГТУ, 2012.
5. Турыгин, С.В. Излучатель для СВЧ-нагрева тканей тела человека / С.В. Турыгин, В.А. Яцкевич // Антенны. - 2014. - №3. - С. 49-54.
6. Турыгин, С.В. Микроволновый аппликатор для нагрева суставов конечностей / С.В. Турыгин, В.А. Яцкевич // Вузовская наука - региону: материалы двенадцатой Всерос. науч. - техн. конф., 25 февр. 2014 г. / ВоГУ. - Вологда, 2014. С. 31-34.
7. Свешников, А.Г. Математические задачи теории дифракции: уч. Пособие. / А.Г. Свешников, И.Е. Могилевский. - Москва: Физический факультет МГУ, 2010. - С. 36-37.
8. Григорьев, А.Д. Электродинамика и микроволновая техника: учебник / А.Д. Григорьев. - Санкт Петербург: Лань, 2007. - С. 547.
9. Нефедов, Е.И. Устройства СВЧ и антенны: уч. пособие / Е.И. Нефедов. - Москва: Изд. Центр «Академия», 2009.
10. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. - Москва: Наука. 1984.
11. Березовский, В.А. Биофизические характеристики тканей человека: справочник / В.А. Березовский, Н.Н. Колотков, П.Г. Костюк. - Киев: Наукова думка, 1990. - 224 с.
12. Gabriel, С. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz // Physics in Medicine and Biology. - Vol.41. - 1996. - PP. 2251-2270.