С.Г. Веснин1, М.К. Седанкин2, В.Ю. Леушин3, С.В. Агасиева4, И.О. Порохов5, Г.А. Гудков6, М.И. Лазаренко7

1,3,5 Центр НТИ «Фотоника», Инженерная академия, Российский Университет Дружбы Народов (Москва, Россия)

2 Центр НТИ «Фотоника», Инженерная академия, Российский Университет Дружбы Народов;
ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России (Москва, Россия)

4 Инженерная академия, Российский Университет Дружбы Народов (Москва, Россия)

6 ООО «НПИ ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)

7 Городская клиническая больница №1 им. Н.И. Пирогова (Москва, Россия)

Проблема. При измерении температуры биологических тканей методом микроволновой радиотермометрии (МР) антенна-аппликатор радиотермометра находится в непосредственном контакте с кожей пациента. Начальная температура антенны часто близка к температуре окружающей среды. При проведении измерений происходит охлаждение антенной биологической ткани, расположенной вблизи злокачественной опухоли, и искажение реального распределение температур в биологических тканях¸ что уменьшает достоверность диагностики патологических изменений биологических тканей.

Цель. Оценить влияние конструктивных и теплофизических параметров антенны-аппликатора на результаты измерения температур внутренних биологических тканей методом микроволновой радиотермометрии.

Результаты. В результате численного решения уравнений Максвелла уравнения тепломассопереноса для модели молочной железы в виде многослойной структуры с учётом кровотока и тепловыделения злокачественной опухоли рассчитаны радиояркостные температуры внутренних тканей и температуры кожи молочной железы при наличии опухоли и при отсутствии опухоли. Проведена оценка влияния антенны на результаты измерения температуры биологических тканей для 6 различных антенн, имеющих различные геометрические размеры и выполненных из разных материалов.

Практическая значимость. Проведенные исследования показали, что наибольшее влияние на измеряемую температур оказывает антенны, выполненные из материалов, обладающих высокой теплопроводностью (22ХС и PDMS) и имеющие большую высоту (40 мм). Показано, что для антенны из материала 22ХС с размерами ø30×40 мм снижение температуры кожи составляет 3.7–4.1 ºС, а снижение радиояркостной температуры составляет 1.9–2 ºС. Рекомендовано использование таких антенн в медицинской практике только при наличии системы автоподогрева антенны до температуры исследуемых биологических тканей. Для печатных и конформных текстильных антенн влияние антенны на результаты измерения температур биологических тканей значительно меньше. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании широкого класса антенн-аппликаторов, применяемых в микроволновой радиотермометрии.

1. Vesnin S., Turnbull A.K., Dixon J.M., Goryanin I. (2017, Oct.). Modern microwave thermometry for breast cancer. Journal of Molecular Imaging & Dynamics [Online].7(2). Available: https://www.longdom.org/open-access/modern-microwave-thermometry-for-breast-cancer-2155-9937-1000136.pdf
2. Goryanin I. et al. Passive microwave radiometry in biomedical studies // Drug Discovery Today. 2020. V. 25(4). Р. 757–763.
3. Toutouzas K. et al. Noninvasive detection of increased carotid artery temperature in patients with coronary artery disease predicts major cardiovascular events at one year: Results from a prospective multicenter study // Atherosclerosis. 2017. V. 262. Р. 25–30.
4. Drakopoulou M. et al. The role of microwave radiometry in carotid artery disease. Diagnostic and clinical prospective // Current Opinion in Pharmacology. 2018. V. 39. Р. 99–104.
5. Ravi V.M., Sharma A.K., Arunachalam K. Pre‐clinical testing of microwave radiometer and a pilot study on the screening inflammation of knee joints // Bioelectromagnetics. 2019. V. 40. № 6. Р. 402–411.
6. Laskari K. et al. Joint microwave radiometry for inflammatory arthritis assessment // Rheumatology. 2020. V. 59(4). Р. 839–844.
7. Tarakanov A.V. et al. Passive Microwave Radiometry as a Component of Imaging Diagnostics in Juvenile Idiopathic Arthritis // Rheumato. 2022. Т. 2. № 3. С. 55–68.
8. Tarakanov A.V., Tarakanov A.A., Vesnin S., Efremov V.V., Goryanin I., & Roberts N. Microwave Radiometry (MWR) temperature measurement is related to symptom severity in patients with Low Back Pain (LBP) // Journal of Bodywork and Movement Therapies. 2021. V. 26. Р. 548–552.
9. Tarakanov A.V., Tarakanov A.A., Vesnin S., Efremov V.V., Roberts N., & Goryanin I. Influence of ambient temperature on recording of skin and deep tissue temperature in region of lumbar spine // European Journal of Molecular & Clinical Medicine. 2020. V. 7(1). Р. 21–26.
10. Arunachalam K. et al. Detection of vesicoureteral reflux using microwave radiometry – system characterization with tissue phantoms // IEEE Trans. on Biomedical Engineering. 2022. V. 58. № 6. Р. 1629–1636.
11. Jacobsen S., Klemetsen Ø., Birkelund Y. Vesicoureteral reflux in young children: a study of radiometric thermometry as detection modality using an ex vivo porcine model // Physics in Medicine & Biology. 2012. V. 57. № 17. Р. 5557.
12. Crandall J.P. et al. Measurement of brown adipose tissue activity using microwave radiometry and 18F-FDG PET/CT // Journal of Nuclear Medicine. 2018. V. 59. № 8. Р. 1243–1248.
13. Levshinskii V. et al. Using AI and passive medical radiometry for diagnostics (MWR) of venous diseases // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2022. Т. 215. С. 106611.
14. Osmonov B., Ovchinnikov L., Galazis C., Emilov B., Karaibragimov M., Seitov M., ... & Goryanin I. Passive Microwave Radiometry for the Diagnosis of Coronavirus Disease 2019 Lung Complications in Kyrgyzstan // Diagnostics. 2021. 11(2), 259.
15. Kaprin A.D. et al. Microwave radiometry in the diagnosis of various urological diseases // Biomedical Engineering. 2019. V. 53. № 2. Р. 87–91.
16. Ivanov Y.D. et al. Use of microwave radiometry to monitor thermal denaturation of albumin // Frontiers in physiology. 2018. V. 9. Р. 1–5.
17. Ivanov Y.D. et al. The Registration of a biomaser-like effect in an enzyme system with an RTM Sensor // Journal of Sensors. 2019. [Online].
18. Goryanin I. et al. Monitoring Protein Denaturation of Egg White Using Passive Microwave Radiometry (MWR) // Diagnostics. 2022. Т. 12. № 6. С. 1498.
19. Ivanov Y.D. et al. The Registration of a Biomaser-Like Effect in an Enzyme System with an RTM Sensor // Journal of Sensors. 2019. Т. 2019. Available: https://www.hindawi.com/journals/js/2019/7608512/
20. Zinovyev S.V. New medical technology–functional microwave thermography: experimental study / Presented at the 2nd International Symposium on Physics, Engineering and Technologies for Biomedicine. KnE Energy & Physics. Р. 547–555.
21. Shevelev O.А., Petrova M., Smolensky A., Osmonov B., Toimatov S., Kharybina T., ... & Goryanin I. Using medical microwave radiometry for brain temperature measurements // Drug Discovery Today. 2021.
22. Shevelev O.A., Petrova M.V., Saidov S.K., Gudkov A.G., Agasieva S.V., Gorlacheva E.N., & Vesnin S.G. Therapeutic Hypothermia Systems // Biomed. Eng. 2021. 54, 397–401.
23. Cheboksarov D.V. et al. Diagnostic opportunities of noninvasive brain thermomonitoring //Anesteziologiiaireanimatologiia. 2015. Т. 60. № 1. С. 66–69.
24. Shevelev O.A. et al. Study of Brain Circadian Rhythms in Patients with Chronic Disorders of Consciousness and Healthy Individuals Using Microwave Radiometry // Diagnostics. 2022. Т. 12. № 8. С. 1777.
25. Groumpas E. et al. Real-time passive brain monitoring system using near-field microwave radiometry // IEEE Trans. on Biomedical Engineering. 2019. V. 67. № 1. Р. 158–165.
26. Kublanov V.S., Borisov V.I. Biophysical evaluation of microwave radiation for functional research of the human brain // EMBEC & NBC 2017. Springer, Singapore, 2017. С. 1045–1048.
27. Das K., Mishra S.C. Simultaneous estimation of size, radial and angular locations of a malignant tumor in a 3-D human breast – A numerical study // Journal of thermal biology. 2015. V. 52. P. 147–156.
28. Седанкин М.К. Антенны-аппликаторы для радиотермометрического исследования тепловых полей внутренних тканей биологического объекта: автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 2013. 247 с.
29. Sedankin M.K., Leushin V.Yu., Gudkov A.G., Vesnin S.G , Sidorov I.A., Agasieva S.V., Markin A.V. Mathematical Simulation of Heat Transfer Processes in a Breast with a Malignant Tumor // Biomedical Engineering. 2018. V. 52. Issue 3. Р. 190–194. DOI: 10.1007/s10527-018-9811-2
30. Веснин С.Г., Седанкин М.К., Пашкова Н.А. Математическое моделирование собственного излучения головного мозга человека в микроволновом диапазоне // Биомедицинская радиоэлектроника. 2015. № 3. С. 17–32.
31. Tepper M., Gannot I. Monitoring tumor state from thermal images in animal and human models // Medical physics. 2015. V. 42. № 3. P. 1297–1306.
32. Ng E.Y.K., Sudharsan N.M. An improved three-dimensional direct numerical modelling and thermal analysis of a female breast with tumour // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2001. V. 215. № 1. P. 25–37.
33. Gonzalez F.J. Thermal Simulation of Breast Tumors // Revista Mexicana de Fisica. 2007. V. 53(4). Р. 323–326.
34. Wahab A.A. et al. Thermal distribution analysis of three-dimensional tumor-embedded breast models with different breast density compositions // Medical & biological engineering & computing. 2016. V. 54. № 9. P. 1363–1373.
35. Iudicello S. Microwave radiometry for breast cancer detection: PhD thesis. Universita’ deglistudi tor vergata Roma, dipartimento di informatica, sistemi e produzione geoinformation research doctorate. Rome. 2009. 111.
36. Andreuccetti D., Fossi R. and Petrucci C. An Internet resource for the calculation of the dielectric properties of body tissues in the frequency range 10 Hz – 100 GHz. IFAC-CNR, Florence (Italy), 1997. [Online]. Available at: http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/ accessed 10.07.22
37. Гуляев Ю.В., Леушин В.Ю., Гудков А.Г., Щукин С.И., Веснин С.Г., Кубланов В.С., Порохов И.О., Седанкин М.К., Сидоров И.А. Приборы для диагностики патологических изменений в организме человека методами микроволновой радиометрии // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2017. № 2. Т. 9. С. 27–45.
38. Леушин В.Ю., Сидоров И.А., Новичихин Е.П., Чижиков С.В., Агасиева С.В., Алексеев О.И., Назаров Н.Г., Шашурин В.Д. Результаты разработки экспериментального образца прибора для неинвазивной диагностики состояния головного мозга с использованием метода многоканальной микроволновой радиометрии // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2019. № 1. Т. 10. С. 44–50.
39. Седанкин. М.К., Веснин С.Г., Леушин В.Ю., Агасиева С.В., Чижиков С.В. и др. Диагностическая конформная система для нейровизуализации головного мозга с использованием многоканального радиотермометра на основе монолитных интегральных схем // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2020. № 1. С. 43–50.
40. Седанкин М.К., Веснин С.Г., Леушин В.Ю., Дудкин Д.И., Мышлецов И.И., Назаров В.Г., Агасиева С.В. Внутриполостная антенна для многоканального радиотермографа // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2021. № 2. С. 54–62. DOI: 10.18127/j22250980-202102-05
41. Порохов И.О., Попов В.П., Кондратьев А.А., Козлов И.А., Алимирзоев Р.Р., Леушин В.Ю., Агасиева С.В., Антоненкова А.Ю. Широкополосная активная антенна для мониторинга источников электромагнитного излучения // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2022. Т. 14. № 3. С. 14–21.
42. Веснин С. Г., Седанкин М. К. Сравнение антенн-аппликаторов медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. Т. 10. С. 63.
43. Hand J. et all. 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.