350 rub
Journal Biomedical Radioelectronics №10 for 2012 г.
Article in number:
Comparison of the microwave medical antennas
Keywords: breast cancer simulation microwave radiometer radiothermography electromagnetic simulation body radiation breast cancer detectionn internal temperature
Authors:
S.G. Vesnin, M.K. Sedankin
Abstract:
Software for mathematical modeling of human body's own radiation in the microwave range was developed. Software based on the numerical solution of Maxwell's equations in multilayer lossy medium, and the numerical solution of heat equations with blood flow. With the developed tool of mathematical modeling of antennas used in microwave radiometry: the antenna on the basis of circular and rectangular waveguides with different diameters, a rectangular printed circuit antenna, loop antenna and a printed slot antenna. The model of a biological object consisted of several layers, namely, glandular tissue, adipose tissue, skin, malignant tumor. Each layer is characterized by its thermal emission model, the parameters of blood flow, thermal conductivity, permittivity and electrical conductivity. The solution of the heat conduction equation was conducted using COMSOL Multiphysics 3.5. Based on the numerical solution of heat conduction equation was obtained by a simple approximation formula for the temperature distribution in biological tissue in the presence of a malignant tumor. The resulting analytical temperature distribution was used to calculate the self-radiation of tissues. To calculate the electromagnetic field in the tumor and surrounding tissues of the breast used the program CST Microwave Studio 2010 that allows to solve numerically the Maxwell equation for multilayer structures with losses. The technique is described, which allows to compare different antenna applicators, based on characteristic of new antenna (depth and size of the measurement, resolving power, brightness temperature, etc.). The comparison antenna shown that miniature antenna built on the basis of a circular waveguide filled with dielectric with high dielectric constant, at shallow depths have better resolution compared to the large diameter antennas. In this way, they are able to more effectively detect temperature anomalies of small dimensions, not located a short distance from the skin. In particular, we recommend the use of these antennas for the diagnosis of diseases of the thyroid gland for the diagnosis of inflammatory diseases of ear, nose and throat. Waveguide antennas with diameters 32 and 38 mm is better detect tumors located at greater depths.
Pages: 63-74
References
  1. Barrett A.H., Myers Ph. C. Subcutaneous Temperature: A method of Noninvasive Sensing // Science.1975. V. 190. P. 669-671.
  2. Патент № 2407429 (РФ). Антенна аппликатор и устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта и способы определения температурных изменений и выявление риска рака / С.Г. Веснин.
  3. Веснин С. Г., Каплан М. А., Авакян Р. С. Современная микроволновая радиотермометрия молочных желез // Опухоли женской репродуктивной системы. 2008. № 3. С. 28-33.
  4. Бурдина Л.М., Хайленко В.А., Кижаев Е.В, Легков А.А., Пинхосевич Е.Г., Мустафин Ч.К, Вайсблат А.В.,  Веснин С.Г., Тихомирова Н.Н.Применение радиотермометра диагностического компьютеризированного интегральной глубинной температуры ткани для диагностики рака молочной железы // Пособие для врачей. М.: РМАПО. 1999. С. 20.
  5. CarrK.L.MicrowaveRadiometry: itsImportancetotheDetectionofCancer // IEEEMTT. 1989. V. 37. № 12. P. 1862 - 1869.
  6. Ветшев П.С., Золкин А.В. Радиотермометрия в диагностике заболеваний щитовидной железы // Хирургия. 2006. № 6. С. 54-58
  7. Хашукоева А.З., Зайцев А.В., Цомаева Е.А. Комплексное применение эндоскопических методов в диагностике синдрома хронических тазовых болей // Материалы VI Междунар. конгресса по репродуктивной медицине. М. 2012. С. 200-201.
  8. Капустина Н. Б., Корнаухов А. В., Полякова А. Г., Колесов С. Н., Прилучный М. А.Использование глубинной интегральной радиотермометрии для оценки изменения микроциркуляции при КВЧ-терапии у больных с деформирующим артрозом тазобедренного сустава и болезнью Пертеса. Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2001. С. 46-52.
  9. Замечник Т.В., Ларин С.И., Стерн Н.А., Андриянов А.Ю. Возможности комбинированной термометрии в диагностике острого венозного тромбоза нижних конечностей // Материалы V Всерос. научно-практич. конф. «Организационные, медицинские и технические аспекты клинической маммологии»: М. 2007.
  10. Кубланов B.C. Многоканальная СВЧ радиотермография в задаче исследования функционального состояния головного мозга // Материалы 10 междунар. научно-технич. конф. «Радиолокация, навигация и связь». Воронеж. 2004. Т. 1. С. 721-734
  11. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Математическое моделирование собственного излучения тканей человека в микроволновом диапазоне // Биомедицинская радиоэлектроника 2010. № 9. С. 33-43.
  12. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Миниатюрные антенны-аппликаторы для микроволновых радиотермометров медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 10. C.51-54.
  13. Cheever E., LeonardJ. B., FosterK.R.DepthofPenetrationofFieldfromRectangularAperturesintoLossyMedia// IEEETrans. MTT. 1987. V.35. P.865-867.
  14. Leroy Y., Bocquet B., Mammouni A. Non-invasive microwave radiometry thermometry // Physiol. Means. 1998. V. 19.№2. P.127-148.
  15. Jacobsen S., Stauffer P.R. and Rolfsnes H.O. Characteristics of Mircostrip Muscle-loaded Single-Arm Archimedean Spiral Antenna as Investigated by FDTD Numerical Computations // IEEE Transaction on Biomedical Engineering. 2005. V. 52. № 2.P.321-330.
  16. Bardati F., Iudicello S. Modeling the Visibility of Breast Malignancy by a Microwave Radiometer// IEEE Trans. Biomed. Engineering. 2008.V. 55(1).P.214 - 221.
  17. Sunal A., Vemulapall S., Devine R., Tofighi M.-R.Design of Spiral Antennas for Radiometric Detection of Tumors at Microwave Frequencies. Bioengineering Conference. Proceedings of the IEEE 32nd Annual Northeast. 2006.P. 99 - 100.
  18. Vanoverschelde L., Dubois V., Thomy J.P., Sozanski J.-C., Camart M., Chive J. Pribetich. Miniature sensor for measurement and control of temperatures by microwave radiometry in medical applications. Microwave Symposium Digest // IEEE MTT-S International 2001. № 2. P.155-158.
  19. Рахлин В.Л., Алова С.Е. Радиотермометрия в
    диагностике патологии молочных желез, гениталий, предстательной железы и позвоночника // Препринт № 253. 1988. Горький. НИРФИ.
  20. Lee J.W., Lee S.M., Kim K.S., Han W.T., Yoon G., Pasmanik L.A., Ulyanichev I.A., Troitsky A.V. Experimental investigation of the mammary gland tumour phantom for multifrequency microwave radio-thermometers // Med. Biological Eng. Computing.2004.V. 42. № 7.P. 581-590.
  21. Surowiec A.J., Stuchly S.S., Barr J. R., and Swarup A. Dielectric Properties of Breast Carcinoma and the Surrounding Tissues // IEEE Trans. Biomed. Engineering.1988.V. 35.P. 257-263.
  22. Fear E., Li X., Hagness S.C., and Stuchly M. Confocal microwave imaging for breast cancer detection: Localization of tumors in three dimensions // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2002. V. 49.№8. P. 812-822.
  23. Pennes H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm// J.Appl. Physiol.1948. V.1.№ 2. P. 93-122.
  24. Hong-qin Yang, Shu-sen Xie, Qing-yuan Lin, Zheng Ye, Shu-qiang Chen, Hui Li. Finite element thermal analysis of breast with tumor an its comparison with thermography // Complex Medical Engineering, 2007. Paper of IEEE/ICME International Conference.
  25. Osman M.M. and Afify E.M. Thermal modeling of the normal woman-s breast // J. Biomech. Eng. 1984. V. 106(2). P. 123-130.
  26. Osman M.M. and Afify E.M. Thermal modeling of the malignant woman-s breast // J. Biomech. Eng. 1988. V. 110(4). P. 269-276.
  27. Ng E.Y.-K., Sudharsan N.M. An improved 3-D direct numerical modelling and thermal analysis of a female breast with tumor // International Journal of Engineering in  Medicine. Proc.Instn Mech Engrs. 2001. V. 215. Part H. P. 25-37
  28. Gautherie M. Temperature and Blood Flow Patterns
    in Breast Cancer During Natural Evolution and Following Radiotherapy // Prog. Clin. Bid. Res. 1982. № 07.  P. 21-64.