БЛИЖНЕПОЛЫНЫЙ СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

April 24, 2012 by admin Комментировать »

Альтшуллер Г. М., Гайкович К. П., Вакс В. Л. Институт физики микроструктур РАН, ГСП-105, Н. Новгород – 603950, Россия Тел.: (8312)675037; факс: (8312)675553; e-mail: gai@ipm.sci-nnov.ru

Аннотация – Для зондирования динамики подповерхностного профиля температуры при нагревании и охлаждении тканей тела человека применён метод ближнепольной СВЧ радиометрии на длине волны 31 см с набором ближ- непольных антенн размером от 0,5 до 3 см.

I.  Введение

Представлены результаты радиометрического контроля подповерхностного профиля температуры живых тканей в процессе их нагрева и охлаждения с использованием зависимости глубины формирования принимаемого теплового излучения от размера апертуры контактных антенн. Уравнение для эффективной температуры измеряемого излучения поглощающей среды имеет вид:

где V – объём, занимаемый поглощающей средой с

мнимой частью диэлектрической проницаемости s” ,

Е(г) – распределение в среде спектральной компоненты электрического поля на рабочей частоте f при работе антенны в активном режиме. Распределение поля определяется свёрткой соответствующей функции Грина и распределения тока по области антенны. При этом резкое нарастание поля в ближней зоне антенны приводит к зависимости характерной глубины, на которой формируется принимаемое излучение, от размеров антенны. Этот эффект был исследован экспериментально в [1] и применён для контроля динамики профиля температуры водной среды в процессе её нагревания и охлаждения [2].

II.  Основная часть

Аналогичный подход используется в данной работе для контроля профиля температуры при нагревании и охлаждении живых тканей тела человека. В выполненных экспериментах область руки человека нагревалась (или охлаждалась) с поверхности в горячей (или холодной) воде. Радиометром на длине волны 31 см регистрировалась динамика нагрева (охлаждения) и последующая релаксация температуры в воздухе с использованием симметричных контактных антенн [2] с латеральными размерами LX=LY= D = 0.5, 1, 2, 3 см. Антенны были хорошо согласованы и с живыми тканями, и с водной средой. Значения эффективной глубины формирования излучения [1] deff вычислялись с использованием известных значений диэлектрических параметров живых тканей. Для измерений в воздухе эти значения составили deff = 0.12, 0.35, 0.75, 1.08 см для антенн с размерами D = 0.5, 1, 2, and 3 см соответственно; в воде глубины формирования несколько возрастают: deffair = 0.85- 0.90 deff™3*^. Температурный профиль восстанавливался из решения интегрального уравнения Фред- гольма 1-го рода (1) методом обобщённой невязки

Тихонова. Динамика вариаций температуры при охлаждении и нагреве оказалась качественно подобной. На рис. 1 представлена динамика яркостной температуры, измеренная с использованием антенн разных размеров и соответствующие результаты восстановления изменения профиля температуры в процессе нагрева живой ткани.

Рис. 2. Измеренная динамика яркостных температур (вверху) и изменение температурного профиля в процессе релаксации после нагрева живых тканей (внизу).

Fig. 2. Measured dynamics of radiance temperatures (top) and variations in the temperature profile during relaxation subsequent to the heating of living tissues (bottom)

Процесс релаксации в приповерхностных слоях начинается практически сразу, в то время как в более глубоких слоях в течение некоторого времени ещё продолжается нагрев. При этом видно, что маленькие антенны чувствительны к динамике температуры приповерхностных слоёв, а антенны больших размеров – соответственно к температуре в слоях большей толщины.

III.  Заключение

Представленные результаты показывают, что развитый одноволновый метод восстановления подповерхностного профиля температуры по данным ближнепольных измерений оказывается эффективным, простым и перспективным для медицинских приложений с целью контроля нагрева при лечении методом гипертермии.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 04-02-16120) и программы Отделения физических наук РАН «Проблемы радиофизики».

IV. Список литературы

[1]    Gaikovich К. P.. Reznik А. N.. Vaks V. L, Yurasova N. V. Physical Review Letters, 2002, v.88, No.10, pp.104302.

[2]    Гайкович К. П. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2003, т.46, №4, с.268.

NEAR-FIELD MICROWAVE RADIOMETRIC TEMPERATURE MONITORING OF HEATED AND COOLED LIVING TISSUES

Altshuller G. М., Gaikovich К. P, Vaks V. L. Institute for Physics of Microstructures, RAS GSP-105, Nizhniy Novgorod – 603950, Russia phone: (8312) 675037, fax: (8312) 675553 e-mail: gai@ipm.sci-nnov.ru

I.  Introduction

Using the dependence of the shaping depth of the received thermal radio emission on the apertures of small contact probes used as antennas in microwave radiometers, the temperature profile dynamics in subcutaneous human tissues subjected to heating and cooling have been retrieved according to measured dynamics of the received signal.

II.  Main part

The equation for the received effective radiance temperature is obtained using the fluctuation-dissipation theorem for the correlation function of fluctuating currents in a lossy medium, while the reciprocity theorem is obtained in the form of equation (1), where V is the media size, E(r) is the distribution of an electrical field spectral component at the operating frequency f of the radiometer inside a lossy medium with the imaginary part

s” of the permittivity s for antennas used in active mode.

For the experiment, a human hand was heated (or cooled) in water, and temperature variations in hot (or cold) water with subsequent relaxation in the air were measured using contact antennas with sizes D = 0.5, 1, 2, and 3 cm and a radiometer at X = 31 cm. Antennas were matched both to water and living tissues (the reflection coefficient was R2 < 0.04). We consider the problem as measurements in a proximity zone at the interface of two media (z > 0, water or air; z < 0, human body). Values of deff were calculated for symmetric antennas with lateral sizes Lx=Ly=D using the known permittivity of living tissues. For measurements in the air, deff = 0.12, 0.35, 0.75, 1.08 cm for antennas with D = 0.5, 1, 2, and 3 cm respectively. Values of deff obtained in the case of measurements in water are somewhat higher (deffair = 0.85-0.90 deffWa,er).

Calculated values of deff proved to be in a quality agreement with values obtained from measurements of water half-space, and corrections based on these measurements were introduced in the effective size of antennas D. The heating and cooling processes in living tissues proved to be similar, therefore only hyperthermia results are presented here. The integral Fredholm equation of the 1st kind (1) is solved by Tikhonov’s method of generalized discrepancy. The results of measurements in water and the corresponding temperature variations profile are shown in Fig. 1. The near-surface layer is heated very quickly in the beginning, following which the temperature level changes quite slowly. The heating gradually penetrates deeper layers with a time delay that grows with increasing depths.

Similar radiometric measurements in the air and the recovery of the temperature relaxation processes in human body following a 100-second heating are presented in Fig. 2. It is evident that relaxation processes in the near-surface layer commence immediately, while with deeper layers the heating still continues for some time. Here smaller antennas are more sensitive to temperature variations in near-surface layers, while larger antennas – to temperature in deeper layers. These results could be particularly interesting for medical applications in monitoring internal body temperatures during microwave hyperthermia treatment.

III. Conclusion

In this way we may conclude that the developed single-wave technique of the subcutaneous temperature profile recovery might prove efficient for medical applications that require monitoring during hypothermia treatment.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты