В.Ю. Леушин1, М.К. Седанкин2, Е.А. Конюхова3, Н.О. Сапожников4, К.А. Гармажанова5, С.В. Чижиков6, В.С. Синавчиан7

1,2,6,7 ИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
3–5 ФГБОУ ВО «Российский технологический университет – МИРЭА», (Москва, Россия)
6 ООО «НПП Технологические инновации»
 

Постановка проблем. Для применения микроволновой радиотермометрии в различных областях медицины необходимо понимание диагностических возможностей метода, связанных с выявлением конкретной тепловой аномалии (опухоли, воспаления, сосудистой и структурной патологии и пр.) различной локализации, создающей локальное повышение температуры. Важной задачей является математическое моделирование теплообменных процессов в организме человека при наличии патологии на основе построения полной математической модели исследуемого органа, учитывающей как анатомические, так и теплофизические характеристики биологических тканей.

Цель. Обосновать необходимость проведения математического моделирования теплообменных процессов в различных органах человека при наличии патологии для оценки возможности применения микроволновой радиотермометрии в различных областях медицины.

Результаты. Проведено численное решение уравнения тепломассопереноса для моделей молочной железы и предстательной железы в виде многослойных структур с учетом кровотока и тепловыделения злокачественной опухоли. Приведены результаты расчетов физической температуры в биологических тканях при наличии опухоли. Отмечено, что использование результатов математического моделирования позволяет улучшить характеристики медицинских радиотермографов.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при создании многоканальных многочастотных радиотермографов, обеспечивающих измерение радиояркостной температуры биологических тканей на различной глубине, в научных исследованиях при создании фантомов биологических тканей, содержащих злокачественные новообразования, а также при проведении верификации алгоритмов и программ восстановления 3D-поля температур в биологических объектах. Также полученные результаты исследований можно применить при проектировании широкого класса микроволновых радиотермографов, используемых в медицине.

1. Веснин С.Г., Седанкин М.К. Миниатюрные антенны-аппликаторы для микроволновых радиотермометров медицинского назначения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 10. С. 51–56.
2. Vesnin S.G. et al. Modern microwave thermometry for breast cancer. J. of Molecular Imaging & Dynamics. 2017. V. 7. № 2. DOI:10.4172/2155-9937.1000136.
3. Куликов Е.П. и др. Диагностические возможности современной радиотермометрии в онкомаммологической практике // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. 2021. Т. 29. № 4. С. 531–538.
4. Гуляев Ю.В. и др. Приборы для диагностики патологических изменений в организме человека методами микроволновой радиометрии // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2017. № 2. Т. 9. С. 27–45.
5. Shevelev O.A. et al. Diagnostic opportunities of noninvasive brain thermomonitoring // J. Anesthesiology and Intensive Care. 2015. V. 60. № 1. P. 66–69.
6. Siores E. et al. First in vivo application of microwave radiometry in human carotids / J. of the Amer. Col. of Cardiology. 2012.
   V. 59. № 18. P. 1645–1653.
7. Zampeli E. et al. Detection of subclinical synovial inflammation by microwave radiometry // PLoS ONE.2013. V. 8(5). PP. 1–6.
8. Хашукоева А.З., Цомаева Е.А., Водяник Н.Д. Применение трансабдоминальной и вагинальной радиотермометрии в комплексной диагностике воспалительных заболеваний придатков матки // Лечение и профилактика. 2012. № 1. С. 26–30.
9. Авдошин В.П. и др. Радиотермометрия в диагностике острого пиелонефрита // Вестник РУДН. Серия: Медицина. 2002. № 2. С. 67–69.
10. Замечник Т.В. и др. Математическая модель верификации ранних рецидивов варикозной болезни по данным радиотермометрии // Вестник новых медицинских технологий. 2013. Т. 20. № 2. С. 14–18.
11. Gautherie M. Temperature and blood flow patterns in breast cancer during natural evolution and following radiotherapy // Prog. Clin. Biol. Res. 1982. № 107. P. 21–64.
12. Каприн А.Д. и др. Микроволновая радиотермометрия в диагностике некоторых урологических заболеваний // Медицинская техника. 2019. № 2. С. 8–11.
13. Состояние онкологической помощи населению России в 2021 году / Под ред. А.Д. Каприна, В.В. Старинского. М.: МНИОИ им. П.А. Герцена − филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России. 2022. 239 с.
14. Маречек С.В. Измерение температурных и диэлектрических сред в СВЧ-диапазоне с помощью антенн-аппликаторов: Дис. … канд.физ.-мат. наук. М. 2002. 147 с.
15. Седанкин М.К. Антенны-аппликаторы для радиотермометрического исследования тепловых полей внутренних тканей биологического объекта: Дис. … канд. техн. наук. М., 2013. 247 с.
16. Bardati F., Iudicello S. Modeling the visibility of breast malignancy by a microwave radiometer. IEEE Trans. Biomed. Engineering. 2008. V.55. P. 214–221.
17. 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.
18. Sedankin M. K., Leushin V.Yu. et al. Mathematical simulation of heat transfer processes in a breast with a malignant tumor. Biomedical Engineering. 2018. V. 52. P. 190–194.
19. Tepper M., Gannot I. Monitoring tumor state from thermal images in animal and human models. Medical physics. 2015. V. 42. № 3. P. 1297–1306.
20. 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.
21. Gonzalez F.J. Thermal Simulation of Breast Tumors. Revista Mexicana de Fisica. 2007. V.53 (4). Р. 323–326.
22. 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 p.
23. Said Camilleri J. et al. Review of thermal and physiological properties of human breast tissue. Sensors. 2022. V. 22. № 10. 3894.
24. Поляков М.В., Хоперсков А.В. Математическое моделирование пространственного распределения радиационного поля в биоткани: определение яркостной температуры для диагностики // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2016. № 5 (36). С. 73–84.
25. Хоперсков А.В. и др. Влияние особенностей мелкомасштабной структуры молочной железы на распределение глубинной температуры при использовании радиотермометрической диагностики // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2014. № 6. С. 60–68.
26. Лосев А.Г. и др. Проблемы измерения и моделирования тепловых и радиационных полей в биотканях: анализ данных микроволновой термометрии // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2015. № 6. С. 31–71.
27. Поляков М.В., Хоперсков А.В. Вычислительные эксперименты для исследования радиационных и тепловых полей в биоткани // Инженерный вестник Дона. 2017. Т. 45. № 2 (45). С. 81.
28. Polyakov M.V., Khoperskov A.V., Zamechnic T.V. Numerical modeling of the internal temperature in the mammary gland. Health Information Science: 6th International Conference, HIS 2017, Moscow, Russia, October 7–9, 2017. Proceedings 6. Springer International Publishing. 2017. P. 128–135.
29. Polyakov M., Levshinskii V., Khoperskov A. Modeling of brightness temperature in biological tissue. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2019. V. 1368. № 4. P. 042057.
30. Novochadov V.V. et al. Comparative modeling the thermal transfer in tissues with volume pathological focuses and tissue engineering constructs: a pilot study. European Journal of Molecular Biotechnology. 2016. V. 14. № 4. P. 125–138.
31. Hasgall P. et al. IT’IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues (Ver. 4.1); Elsevier: Boston, FL. USA, 2022.
32. Kabiri A., Talaee M.R. Theoretical investigation of thermal wave model of microwave ablation applied in prostate cancer therapy. Heat and Mass Transfer. 2019. V. 55. № 8. P. 2199–2208.
33. Zhang J. et al. Numerical simulation for heat transfer in prostate cancer cryosurgery. Journal of Biomechanical Engineering. 2005. V. 127. № 2. P. 279–294.
34. Kouloulias V. et al. Documentation of a new intracavitary applicator for transrectal hyperthermia designed for prostate cancer cases: A phantom study. Journal Medical Physics. 2018. V. 43. P. 141–145.
35. El-Gohary S.H. et al. Design study on photoacoustic probe to detect prostate cancer using 3D Monte Carlo simulation and finite element method. Biomedical Engineering Letters. 2014. V. 4. № 3. P. 250–257.
36. Коган М. И., Красулин В.В., Глухов В.П. и др. Визуализация обструкций мочеиспускательного канала у мужчин: Учеб. пособие. ФГБОУ ВО РостГМУ Минздрава России, ФПК и ППС, кафедра урологии и репродуктивного здоровья человека с курсом детской урологии-андрологии, кафедра лучевой диагностики. Ростов н/Д: Изд-во РостГМУ. 2017. 96 с.
37. Назаренко Г.И., Хитрова А.Н. Ультразвуковая диагностика предстательной железы в современной урологической практике. М.: Издательский дом Видар-М. 2012. 288 с.
38. Нелин И.В. и др. Математическое моделирование теплового поля предстательной железы // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 8. С. 44–48.
39. Нелин И.В. и др. Математическое моделирование радиотеплового излучения органов малого таза // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 10. С. 148–151.
40. Седанкин М.К., Леушин В.Ю. и др. Внутриполостная антенна для многоканального радиотермографа. Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2021. № 2. С. 54–62.
41. Sedankin M.K., Leushin V.Yu. et al. Intracavity thermometry in medicine. Biomedical Engineering. 2021. V. 55. № 3. P. 224–229.
42. Sedankin M.K., Leushin V.Yu. et al. Conformal antenna array for gynecology for medical microwave radiothermograph. 2022 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE. 2022. V. 1. P. 91–95.
43. Sedankin M.K., Leushin V.Yu. et al. Radiometry of the pelvic organs. Biomedical Engineering. 2019. V. 53. P. 288–292.
44. Леушин В.Ю., Гудков А.Г., Сидоров И.А., Королев А.В., Рыков С.Г., Чижиков С.В., Агасиева С.В., Порохов И.О. Принципы построения и пути дальнейшего совершенствования многоканальных многочастотных радиотермографов // Медицинская техника. 2022. № 6 (336). С. 53–55.
45. Леушин В.Ю., Сидоров И.А., Порохов И.О., Чижиков С.В., Агасиева С.В., Агандеев Р.В. Многоканальный медицинский 3D-радиотермограф // Биомедицинская радиоэлектроника 2022. Т. 25. № 6. С. 60–66.