С.Г. Веснин1, С.В. Агасиева2, М.К. Седанкин3, В.Ю. Леушин4, И.А. Сидоров5, И.О. Порохов6, Г.А. Гудков7

1,3,4,6 Центр НТИ «Фотоника» (Москва, Россия)

1–4,6 Инженерная академия, Российский университет дружбы народов (Москва, Россия)

5,7 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Для измерения собственного излучения тканей головного мозга в СВЧ-диапазоне необходимо разработать антенны, которые имеют хороший контакт с тканями головного мозга и высокую глубину измерения, поскольку между тканями головного мозга и апертурой антенны располагаются кости черепа, кожа, жировой слой и мышцы.  Создание конформных гибких печатных антенн с высокой глубиной измерения позволяет решить эту проблему и разработать медицинские приборы для измерения собственного излучения головного мозга методом микроволновой радиотермометрии.

Цель работы – рассмотрение возможности создания конформных гибких печатных антенн с высокой глубиной измерения для проведения обследования головного мозга методом микроволновой радиотермометрии.

Результаты. Проведено математическое моделирование собственного электромагнитного излучение тканей головного мозга на основе численного решения уравнения Максвелла. Проведена оценка эффективности антенны, характеризующей долю мощности, которая поступает в антенну из тканей головного мозга, по сравнению ко всей мощности, поступающей в антенну. Показано, что рассмотренная гибкая антенна имеет существенно более высокую эффективность по сравнению с широко известной спиральной антенной.

Практическая значимость. Проведенные исследования продемонстрировали возможность создания гибких конформных антенн с высокой глубиной измерения, позволяющих принимать шумовой сигнал из тканей головного мозга. Это открывает возможность создания медицинских приборов для измерения собственного электромагнитного излучения тканей головного мозга, мониторинга температуры головного мозга, функциональной диагностики различных заболеваний головного мозга.

Веснин С.Г., Агасиева С.В., Седанкин М.К., Леушин В.Ю., Сидоров И.А., Порохов И.О., Гудков Г.А. Построение гибких конформных антенн для измерения собственного излучения головного мозга // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2022.
T. 14. № 4. С. 5-18. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202204-01

1. Vesnin S., Turnbull A.K., Dixon J.M., Goryanin I. Modern microwave thermometry for breast cancer // Journal of Molecular Imaging & Dynamics. 2017. V. 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). P. 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. P. 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. P. 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. P. 402–411.
6. Laskari K. et al. Joint microwave radiometry for inflammatory arthritis assessment // Rheumatology. V. 59(4). P. 839–844.
7. Tarakanov A.V. et al. Passive Microwave Radiometry as a Component of Imaging Diagnostics in Juvenile Idiopathic Arthritis // Rheumato. 2022. V. 2. № 3. P. 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. P. 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). P. 21–26.
10. Arunachalam K. et al. Detection of vesicoureteral reflux using microwave radiometry — system characterization with tissue phantoms // IEEE Trans. on Biomedical Engineering. 2011. V. 58. № 6. P. 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. P. 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. P. 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. V. 215. P. 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. V. 11(2). P. 259.
15. Kaprin A.D. et al. Microwave radiometry in the diagnosis of various urological diseases // Biomedical Engineering. 2019. V. 53. № 2. P. 87–91.
16. Ivanov Y.D. et al. Use of microwave radiometry to monitor thermal denaturation of albumin // Frontiers in physiology. 2018. V. 9. P. 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. V. 2019.
18. Goryanin I. et al. Monitoring Protein Denaturation of Egg White Using Passive Microwave Radiometry (MWR) // Diagnostics. 2022. V. 12. № 6. P. 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. V. 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. P. 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. V. 54. P. 397–401.
23. Cheboksarov D.V. et al. Diagnostic opportunities of noninvasive brain thermomonitoring // Anesteziologiia i reanimatologiia. 2015. V. 60. №. 1. P. 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. V. 12. №. 8. P. 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. P. 158–165.
26. Kublanov V.S., Borisov V.I. Biophysical evaluation of microwave radiation for functional research of the human brain // EMBEC & NBC 2017. Singapore: Springer. 2017. P. 1045–1048.
27. Klemetsen Ø., Jacobsen S. Improved radiometric performance attained by an elliptical microwave antenna with suction // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2011. V. 59. № 1. P. 263–271.
28. Gudkov A.G. et al. Use of multichannel microwave radiometry for functional diagnostics of the brain // Biomedical Engineering. 2019. V. 53. №. 2. P. 108–111.
29. Stauffer P.R. et al. Non-invasive measurement of brain temperature with microwave radiometry: demonstration in a head phantom and clinical case // The neuroradiology journal. 2014. V. 27. № 1. P. 3–12.
30. Zhang K., Vandenbosch G.A.E., Yan S. A novel design approach for compact wearable antennas based on metasurfaces // IEEE Transactions on biomedical circuits and systems. 2020. V. 14. № 4. P. 918–927.
31. Yan S., Zhang K., Soh P.J. A wideband wearable antenna based on metasurface // 2020 IEEE International RF and Microwave Conference (RFM). 2020. P. 1–4.
32. Alharbi S., Shubair R. M., Kiourti A. Flexible antennas for wearable applications: Recent advances and design challenges. 2018.
33. AL-Haddad M., Jamel N., Nordin A.N. Flexible Antenna: A Review of Design, Materials, Fabrication, and Applications // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. V. 1878. № 1. P. 012068.
34. Afyf A. et al. Flexible antenna array for early breast cancer detection using radiometric technique // Int. J. Biol. Biomed. Eng. 2016. V. 10. P. 10–17.
35. Rodrigues D.B. et al. Microwave radiometry for noninvasive monitoring of brain temperature in Emerging electromagnetic technologies for brain diseases diagnostics, monitoring and therapy. Cham: Springer. 2018. P. 87–127.
36. Rodrigues D.B. et al. Design and optimization of an ultra-wideband and compact microwave antenna for radiometric monitoring of brain temperature // IEEE transactions on biomedical engineering. 2014. V. 61. № 7. P. 2154–2160.
37. Gudkov A.G. et al. Use of multichannel microwave radiometry for functional diagnostics of the brain // Biomedical Engineering. 2019. V. 53. № 2. P. 108–111.
38. Leushin V.Y. et al. Possibilities of increasing the interference immunity of radiothermograph applicator antennas for brain diagnostics // Sensors and Actuators A: Physical. 2022. V. 337. P. 113439.
39. Sedankin M. et al. Development of a miniature microwave radiothermograph for monitoring the internal brain temperature // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2018. № 3 (5). P. 26–36.
40. Groumpas E. et al. Sensing local temperature and conductivity changes in a brain phantom using near-field microwave radiometry // International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas, Innovative Structures, and Applications (iWAT) // IEEE. 2017. P. 293–295.
41. Groumpas E., Koutsoupidou M., Karanasiou I., Papageorgiou C., Uzunoglu N. Real-time Passive Brain Monitoring System Using Near-Field Microwave Radiometry // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2019.
42. Groumpas E., Koutsoupidou M., Karanasiou I., Papageorgiou C., Uzunoglu N. Real-time Passive Brain Monitoring System Using Near-Field Microwave Radiometry // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2019.
43. 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.
44. Bryukhovetskiy A.S. et al. Human mind has microwave electromagnetic nature and can be recorded and processed // Progress in Brain Research. 2020. V. 258. P. 439–463.
45. Брусиловский Л.И., Брюховецкий А.С. Исследования микроволновых излучений головного мозга человека // Сб. науч. трудов VI съезда биофизиков России. 2019. P. 369–370.
46. Гуляев Ю.В. и др. Приборы для диагностики патологических изменений в организме человека методами микроволновой радиометрии // Нанотехнологии: разработка, применение XXI век. 2017. № 2. С. 27–45.
47. Vesnin S.G., Sedankin M.K., Ovchinnikov L.M., Gudkov A.G., Leushin V.Y., Sidorov I.A., Goryanin I.I. Portable microwave radiometer for wearable devices // Sensors and Actuators A: Physical. 2021. V. 318. P. 112506.
48. Popovic Z., Momenroodaki P., Scheeler R. Toward wearable wireless thermometers for internal body temperature measurements // IEEE Communications Magazine. 2014. V. 52 (10). P. 118–125.
49. Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz // Physics in medicine & biology. 1996. V. 41. № 11. P. 2251.
50. Valuev I. et al. Using memory-efficient algorithm for large-scale time-domain modeling of surface plasmon polaritons propagation in organic light emitting diodes // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 905. P. 012030. Doi: 10.1088/1742-6596/905/1/012030
51. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Сравнение микроволновых антенн-аппликаторов медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. № 10. С. 63–74.