С.Г. Веснин - к.т.н., ген. директор, ООО «Фирма РЭС» (Москва). E-mail: vesnin47@gmail.com М.К. Седанкин - к.т.н., ст. преподава-тель, кафедра «Биомедицинские прибо-ры и компьютерные технологии», Мос-ковский государственный университет приборостроения и информатики. E-mail: msedankin@yandex.ru. Н.А. Пашкова - студентка 2-го курса магистратуры, факультет радиотех-ники и электроники НИУ «МЭИ». E-mail: n.a.pashkova@mail.ru

Проведено математическое моделирование собственного радиотеплового излучения головного мозга человека в микроволновом диапазоне на основе численного решения уравнений Максвелла для многослойной среды с потерями и уравнения тепломассопереноса с учётом кровотока и биофизических параметров. На основе математического моделирования проведен анализ диагностических возможностей микроволновой радиотермометрии по выявлению тепловых аномалий головного мозга, а именно ишемического инфаркта. Показано, что микроволновая радиотермометрия позволяет осуществлять выявление тепловых аномалий головного мозга и мониторинг его функциональной активности без специальной экранировки помещения.

 

1. Barrett A.H., Myers P.C. Subcutaneous temperature: a method of noninvasive sensing // Science. 1975. V. 90.  P. 669-671.
2. Barrett A.H., Myers Ph. C., Sadovsky N.L. Microwave thermography in the detection of breast cancer // AJR. 1980. № 134. Р. 365 - 368.
3. Carr K.L. Microwave Radiometry: it`s importance to the Detection of Cancer // IEEE MTT. 1989. V. 37. № 12. P. 1862 - 1869
4. Leroy Y., Bocquet B., Mammouni A.  Non-invasive microwave   radiometry   thermometry // Physiol. Means. 1998. V. 19.P. 127-148
5. Троицкий В.С. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Изв. вузов. Сер. Радиофизика. 1981. Т.24. № 9. С.1054 - 1061.
6. Hand J. et. al. Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modeling // Physics in medicine and biology. 2001. № 46. P. 1885 - 1903.
7. 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.
8. Jacobsen S., Stauffer P. Multi-frequency radiometric determination of temperature profiles in a lossy homogenous phantom using a dual-mode antenna with integral water bolus // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. № 50. P. 1737-1746.
9. Jacobsen S.Microwave radiometry as a non-invasive temperature monitoring modality during  superficial hyperthermia. http://cdn.intechopen.com/pdfs/17007 /InTech-Non _invasive _temperature_monitoring_during_microwave _heating_ applyng_a_miniaturized_radiometer.pdf [Электронныйресурс]. 02.02.2014
10. Maruyama K. et al. Feasibility of non-invasive measurement of deep brain temperature in new-born infants by multi-frequency microwave radiometry // IEEE Trans. Microwave Theor. Tech. 2000. V. 48(2). P. 2141-2147.
11. Clarisse Beaucamp-Ricard et al. Temperature measurement by microwave radiometry // IEEE transactions on instrumentation and measurement. 2009. V.58. №5.P.1712 - 1719.
12. Mustata L., Baltag O. Applications of Microwave Radiometry in Diagnostic Suspicion of Mammary Pathology IFMBE Proceedings V. 22. P.825 - 828.
13. Анзимиров В.Л. и др. Исследование теплового возбуждения в коре головного мозга при функциональных тестах методом динамического многоканального радиотепловидения //Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. № 8. С. 22 - 30.
14. Godik E., Guljaev Yu. Functional Imaging of Human Body. Dynamic mapping of physical E-M fields signals a breakthrough in medical diagnostics // IEEE Engineering in Medicine and Biology. 1991. V.10. № 4. P.21 - 29.
15. Кубланов В.С. Радиофизический комплекс для функциональных исследований головного мозга // Медицинская техника. 2009. № 3. С.10 - 15
16. Сысков А.М. Программно-аппаратный комплекс для исследования функциональных процессов головного мозга методами свч радиотермографии: Дис. канд. техн. наук. Екатеринбург. 2012. 135 с.
17. Gouzouasis I. et al. Contactless passive diagnosis for brain intracranial applications: a study using dielectric matching materials // Bioelectromagnetics. 2010. V. 31(5). P. 335-349.
18. Karathanasis K.T., Karanasiou I.S., Uzunoglu N.K. A FEM simulation study of the optimization of the imaging attributes of a microwave radiometry system with possible functional imaging capabilities // 4th international conference on imaging technologies in biomedical sciences, from medical images to clinical information - bridging the gap. Milos island (Greece). 2007. P.7.
19. Karathanasis K., Gouzouasis I., Karanasiou I. Noninvasive focused monitoring and irradiation of head tissue phantoms at microwave frequencies // IEEE transactions on information technology in biomedicine. 2010. V.14(3). P. 657 - 663.
20. Oikonomou, I., Karanasiou S., Uzunoglu N.K. Phased-array near field radiometry for brain intracranial applications// Progress In Electromagnetics Research. 2010.V. l.109. P.345 - 360.
21. Гудков А.Г.и др. Антенны-аппликаторы для систем радиотермокартирования // Машиностроитель. 2014. № 8. С. 36 - 45
22. Вайсблат А. В. Медицинский радиотермометр // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2001. № 8. С.3 - 9.
23. Патент №2306099 (РФ). Антенна-аппликатор для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биологического объекта // С.Г. Веснин.
24. Патент № 2407429 (РФ). Антенна-аппликатор и устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта и способы определения температурных изменений и выявления риска рака // С.Г. Веснин.
25. Веснин С.Г., Каплан М.А., Авакян Р.С. Современная  микроволновая  радиотермометрия // Опухоли женской репродуктивной системы. 2008. №3. С.28 - 33.
26. Рожкова Н.И., Смирнова Н.А., Назаров А.А. Радиотермометрия молочной железы и факторы, влияющие на ее эффективность // Маммология. 2007. №3. С. 21 - 25.
27. Бурдина Л.М. и др. Радиотермометрия в алгоритме комплексного обследования молочных желез // Современная онкология. 2005. Т.6. №1. С.8 - 9.
28. Харченко В.П., Рожкова Н.И. Маммология. Национальное руководство / Ассоциация медицинских обществ по качеству. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2009.328 с
29. Siores E. et al. First in vivo application of microwave radiometry in human carotids // Journal of the American College of Cardiology. 2012.V. 59. № 18.P.1645 - 1653.
30. Toutouzas K., Synetos A., Nikolaou  C., et al. Microwave radiometry: a new non-invasive method for the detection of  vulnerable plaque // Cardiovasc Diagn Ther. 2012. V.2. № 4. P.290 - 297.
31. Toutouzas K., Drakopoulou M, Siores E. et al.In vivo measurement of plaque neovascularisation and thermal heterogeneity in intermediate lesions of human carotid arteries // Heart. 2012.V.98.P.1716 - 1721.
32. Toutouzas K. et al.A new non-invasive method for detection of local inflammation in atherosclerotic plaques: experimental application of microwave radiometry // Atherosclerosis. 2011. V.215.№1. P.82 - 89.
33. Toutouzas K. et al.Morphological and functional assessment of carotid plaques have similar predictive accuracy for coronary artery disease // Stroke. 2013. V.44.  P.2607 - 2609.
34. Шевелёв О.А. и др. Диагностические возможности измерения температуры головного мозга с помощью радиотермокартирования у здоровых добровольцев и больных с острыми нарушениями мозгового кровообращения // Материалы V МНК «SCIENCE4HEALTH 2013» 29 октября-02 ноября 2013 г. М. 2013.С.167 - 168.
35. Шевелёв О.А. и др. Применение краниоцеребральной гипертермии у больных с острыми нарушениями мозгового кровообращения // Материалы V МНК «SCIENCE4HEALTH 2013» 29 октября - 02 ноября 2013 г. М. 2013. С.170.
36. Шевелёв О.А. и др. Возможности краниоцеребральной гипотермии и радиотермокартирования для диагностики и лечения острого нарушения мозгового кровообращения // Здоровье и образование в XXI веке. 2014. №2. Т.16. С.42 - 43.
37. Бутров А.В., Шевелев О.А., Чебоксаров Д.В.Тепловой баланс мозга при церебральныхкатастрофах и коррекция его нарушений методом терапевтической гипотермии. М.:ООО «Медиамед». 2014. 14 с.
38. Стародубцева О.С., Бегичева С.В. Анализ заболеваемости инсультом с использованием информационных  технологий // Медицинские науки. Фундаментальные исследования. 2012. №8. С.424 - 427.
39. Гусев Е.И. Проблема инсульта в России // Журнал неврологии и психиатрии. 2003. Вып. 9. Приложение «Инсульт». С. 3-10.
40. Feigin V.L. et al. Global and regional burden of stroke during 1990 - 2010: findings from the Global Burden of Disease Study 2010 // The Lancet. 2014. V.383. № 9913. P.245 - 255.
41. Pennes H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human body// J. Appl.Physiol.1948.V.l.P.93 - 122.
42. Intracranial hemorrhage [Электронныйресурс] https://www.mediangels.com-27.02.2013.
43. Gabriel C. Compilation of the dielectric properties of body tissues at RF and microwave frequencies. Report N.AL/OE-TR-1996-0037. Occupational and environmental health directorate, Radiofrequency Radiation Division.Brooks Air Force Base. Texas (USA). 1996.21 p.
44. Gabriel C., Gabriel S., Corthout E. The dielectric properties of biological tissues: I. Literaturesurvey //Phys. Med. Biol.1996.№ 41.P.2231 - 2249.
45. Gabriel C.,Gabriel S., Law R.W. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz//Phys.Med.Biol. 1996. № 41. P.2251 - 2269.
46. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Математическое моделирование собственного излучения тканей человека в микроволновом диапазоне // Биомедицинская радиоэлектроника. 2010. № 9. С.33 - 43.
47. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Миниатюрные антенны-аппликаторы для микроволновых радиотермометров медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 10. С. 51 - 55.
48. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Сравнение антенн-аппликаторов медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. № 10. С.63 - 74.
49. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Разработка серии антенн-аппликаторов для неинвазивного измерения температуры тканей организма человека при различных патологиях // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Естественные науки. 2012. Спецвыпуск № 6. С.43 - 61.
50. Седанкин М.К. Антенны-аппликаторы для радиотермометрического исследования тепловых полей внутренних тканей биологического объекта: Дис. канд. техн. наук. М. 2013.190 с.
51. Yee K. S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell\'s equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1966. V.14. № 4.  P.302 - 307.
52. Hong-qin Yang et. al. Finite element thermal analysis of breast with tumor an its comparison with thermography // Proc. SPIE 6826. Optics in Health Care and Biomedical Optics III. Beijing (China). 2007. [Электронныйресурс].
53. Osman M. M., Afify E. M. Thermal modeling of the normal woman-s breast // J. Biomech. Eng. 1984. V.106(2).  P.123 - 130.
54. Osman M.M., Afify E. M. Thermal modeling of the malignant woman-s breast // J. Biomech. Eng. 1988.V. 110(4).P. 269 - 276.
55. 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.
56. Ying Hea, Minoru Shirazakib, Hao Liuc. A numerical coupling model to analyze the blood flow, temperature, and oxygen transport in human breast tumor under laser irradiation // Computers in Biology and Medicine. 2006. V.36. Р.1336 - 1350.
57. Gonzalez F.J. Thermal Simulation of Breast Tumors // Revista Mexicana de Fisica. 2007. V.53 (4). Р. 323 - 326.
58. Mital M., Scott E.P. Thermal detection of embedded tumors using infrared imaging // ASME Journal of Biomechanical Engineering. 2007. V. 129 (1). Р. 33 - 39.
59. Lin Q.Y. et al. Detecting early breast tumour by finite element thermal analysis // Journal of medical engineering & technology. 2009. V.33. №4. P. 274 - 280.
60. Umadevi V., Raghavan S.V. Framework for estimating tumour parameters using thermal imaging // Indian J. Med. Res. 2011. V.134. P. 725 - 731.
61. Konstas A.-A. et. al. A theoretical model of selective cooling using intracarotid cold saline infusion in the human brain // J. Appl. Physiol. 2007. V.102.P.1329-1340.
62. Wessapan T., Srisawatdhisukul S., Rattanadecho P. Specific absorption rate and temperature distributions in human head subjected to mobile phone radiation at different frequencies // International journal of heat and mass transfer. 2012. V.55. P. 347-359.
63. Janssen F.E., Van Leeuwen G.M., Van Steenhoven A.A. Modelling of temperature and perfusion during scalp cooling // Phys. Med. Biol. 2005. V.50. P.4065-4073.
64. Rothmeier H.G. Brain tissue temperature dynamics during functional activity and possibilities for optical measurement techniques: Master of science thesis. Georgia State University.2012. P.94.
65. Ibrahiem A., Dale C. Analysis of the temperature increase linked to the power induced by RF source // Progress In Electromagnetics Research. PIER 52. 2005. P.23 - 46.
66. Kiourti A. et al. Dual-band implantable antennas for medical telemetry: a fast design methodology and validation for intra-cranial pressure monitoring // Progress In Electromagnetics Research. 2013. V. 14.P. 161 - 183.
67. Collins C.M. et. al. Model of local temperature changes in brain upon functional activation // Journal of Applied Physiology. 2004. V.97. Р. 2051-2055.
68. Gosalia K. et al. Thermal elevation in the human eye and head due to the operation of a retinal prosthesis // IEEE Trans Biomed Eng.2004. V.51. №8.P.1469 - 1477.
69. Shimosegawa E. et  al. Metabolic penumbra of acute brain infarction: a correlation with infarct growth // Ann. Neurol. 2005. V.57. P.495 - 504.
70. Напалков Н.П., Кондратьев В.Б. Термографический метод в оценке прогноза злокачественных новообразований // Тепловидение в медицине: Труды Всес. конф. «ТеМП-82». Л. 1984. С.45 - 47.
71. Corbett R., Laptook A., Weatherall P.Noninvasive measurements of human brain temperature using volume-localized proton magnetic resonance spectroscopy // Journal of cerebral blood flow and metabolism. 1997. V.17.P.363-369.