Исследование распределения полей в микроволновой камере с фантомом конечности (Лечение обморожения с помощью СВЧ-излучения)

Александр Нечаев

Исследование распределения полей в микроволновой камере с фантомом конечности (Лечение обморожения с помощью СВЧ-излучения)

В связи с отсутствием медицинского оборудования для отогрева глубоких обморожений, актуальным является создание аппаратуры и методик, обеспечивающих лечение этого заболевания на раннем (реактивном) периоде. В Томском государственном университете эти исследования были начаты в 2006 году и проводились на животных (кролики), была показана возможность отогрева обморожений в микроволновой камере на частоте 2,45 ГГц, разрешенной к медицинским применениям. На данный момент проведены измерения температуры внутри фантома конечности, на основе полученных данных стало ясно, что необходима модернизация созданной ранее камеры, а также в результате работы была оптимизирована методика лечения обморожений. На данный момент имеются положительные результаты лечения обморожений при помощи СВЧ-камеры на человеческих конечностях.

Электроника. Радиотехника

Дипломы

Вуз: Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ)

ID: 5f2dab5bcd3d3e0001b4ced5

UUID: 1750d750-bb12-0138-144e-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 79

11.58

Александр Нечаев

Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 2,4 МБ

Поделиться работой

РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа бакалавра 51 с., 34 рис., 17 источников. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, ФАНТОМ, СВЧ-НАГРЕВ, ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ Объектом исследования является фантом, наполненный материалом, который по параметрам диэлектрической проницаемости близок к человеческой мышечной ткани. Цель работы – исследование распределения поля и обнаружение неоднородности нагрева в объёме фантома. Метод измерения – для измерения температуры в объёме фантома был разработан и построен автоматизированный измеритель распределения температуры вдоль фантома. В результате работы: а) проведен литературный обзор; б) изучена программа симулятор и в ней построена и рассчитана модель имеющейся камеры; в) выбран материал для исследования тепловой неоднородности в фантоме; г) изготовлена установка для измерений температуры в фантоме; д) измерено и проанализировано распределение температуры в объёме для фантомов с наполнителями.

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.…………………………………………………………………….…4 1. Принципы действия и устройство физиотерапевтического оборудования для лечения СВЧ—нагревом (обзор литературы)………………………………6 1.1 Отморожение и особенности его лечения...………………………….…..6 1.2 Установка для гипертермического нагрева при лечении онкологических болезней «Яхта—4».……………………..……………..10 1.3 Распределение температуры в тканях тела человека при лечебном СВЧнагреве……………………………………………………………………...12 1.4 Расчёт диэлектрической проницаемости биологических тканей человека…………………………………………………………………….18 1.5 Аппарат СМВ—терапии импульсный «СМВи — 200 — Мед ТеКо»…23 1.6 Экспериментальная установка ТГУ для лечения отморожений ……...26 1.7 Выводы...…………………………………………………………….…….29 2 Моделирование процессов в микроволновой камере с диэлектрическим фантомом…………………………………………………………………………31 2.1 Программа-симулятор.…………………………………….…………..…31 2.2 Описание исследуемой модели..…………………………………………32 2.3 Результаты моделирования и их обсуждение…………………………..33 2.4 Выводы...………………………………………………………..................35 3. Экспериментальные исследования распределения теплового поля в диэлектрическом фантоме………………………………………………………36 3.1 Выбор наполнителя для создания фантома………………….…………..36 3.2 Разработка автоматизированного измерителя температуры в объеме фантома…………………………………………………………...………..39 3.3 Порядок измерения распределения температуры вдоль фантома……..38 3.3 Описание СВЧ части установки…………………………………...……..45 3.4 Методика исследования влияния СВЧ – нагрева на распределение температуры в объёме фантома.……………….……...………………………..46 3.5 Исследование распределения температуры в фантоме с раствором хлорида натрия и желатина.…………………………………...………………..47 3.6 Измерения распределения полей в фантоме, заполненном мясным фаршем…………………………………………………………………………...48 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................51 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………52 2

ВВЕДЕНИЕ Охрана здоровья населения в Российской Федерации рассматривается в числе приоритетных направлений социальной политики государства как фактор национальной безопасности, стабильности и благополучия общества. Несмотря на многолетнее изучение, проблема лечения отморожений сохраняет свою актуальность до настоящего времени. Объективная потребность в оборудовании для лечения отморожений обусловлена климатическими условиями России, где на большей части территории холодный период длится до 6 месяцев. Следует отметить, что проблема лечения отморожений существует и в более теплых регионах. Например, известны случаи массовых холодовых поражений в Индии и Вьетнаме. Отморожения составляют от 10 до 15 % травматических случаев, при этом глубокие отморожения требуют длительного лечения – до 65 суток – и в большинстве случаев заканчиваются обширными ампутациями конечностей. Вероятность инвалидности при глубоких отморожениях достигает 90 %. В связи с отсутствием медицинского оборудования для отогрева глубоких отморожений актуальным является создание аппаратуры и методик, обеспечивающих лечение этого заболевания на раннем (реактивном) периоде, в Томском государственном университете эти исследования были начаты в 2006 году, на животных (кролики) была показана возможность отогрева отморожений в микроволновой камере на частоте 2,45 ГГц, разрешенной к медицинским применениям [1]. Вместе с тем, для перехода с применением этой методики от мелких животных к человеку требуются более детальные исследования. В первую очередь, необходимо изучить характер неоднородностей электромагнитного и, соответственно, теплового поля в объеме отогреваемой конечности во избежание локальных недогревов и перегревов. Сложность заключается в том, что исследования эти нельзя проводить на человеке, соответственно, необходимо создание фантома, 3

максимально приближенного по своим диэлектрическим свойствам к свойствам человеческого тела. Целью данной работы является моделирование процессов нагрева конечности в микроволновой камере. Для достижения этой цели решаются следующие задачи: а) изучение программы-симулятора и построение в ней модели камеры с цилиндрическим фантомом; б) создание простейшего диэлектрического фантома, моделирующего конечность; в) измерения распределения температурного поля в объеме цилиндрического фантома при нагреве микроволновым излучением. Измерения предполагается осуществлять на установке, созданной в НИ ТГУ на базе терапевтического аппарата СМВИ–200, дополненной автоматизированным комплексом для исследования распределения температурного поля в объеме фантома. 4

1 Принципы действия и устройство физиотерапевтического оборудования для лечения СВЧ–нагревом (обзор литературы) 1.1Отморожение и особенности его лечения Отморожение – это явление представляет собой поражение кожи, возникшее в результате расстройств микроциркуляции в сосудах, связанных с воздействием на кожу низких температур. Отморожение возникает в результате воздействия на кожу холода и приводит к спазму сосудов. В ряде случаев отморожение - обратимое явление и, если через несколько часов человек попадает в теплое помещение, где ему оказывается первая помощь, спазм сосудов постепенно сменяется их расширением, кровообращение восстанавливается, причем последствия отморожения полностью восстанавливаются через несколько дней, неделю. Однако, длительные отморожения, вследствие которых возникают глубокие повреждения биологических тканей, протекают несколько иначе. Классификация холодовых травм делится на четыре обморожения [2]. Рисунок 1 – Четыре степени холодовых травм 5 степени

Симптомы холодовых травм 1 степени Это поверхностное повреждение, при котором морфологических изменений кожи не происходит, все возникшие изменения обратимы. Проявляется побледнением кожи, иногда парестезиями в виде покалываний, однако болевая некротических чувствительность изменений кожи полностью не сохранена, наблюдается. При поскольку согревании восстановление кровообращения сопровождается появлением боли или жжения в месте отморожения, иногда ощущения зуда. Визуально побледнение и цианоз постепенно сменяются гиперемией и незначительной отечностью. При согревании все функции органа или конечности при которых полностью восстанавливаются. Симптомы холодовых травм 2 степени Это поверхностные повреждения, повреждается поверхностный слой эпидермиса. Несмотря на это, полное восстановление кожных покровов также происходит, однако несколько дольше (до 10 дней). При осмотре область отморожения не отличается от таковой при отморожении 1 степени, однако при отогревании субъективные ощущения выражены значительно более интенсивно, боль, жжение и зуд могут причинять значительные неудобства, отечность и гиперемия тканей сохраняются несколько суток. Важным отличительным симптомом отморожения данной степени является появление на месте поражения пузырей, заполненных серозным содержимым. Пузыри могут вскрываться самостоятельно, однако категорически запрещается вскрывать их в домашних условиях, поскольку велик риск развития гнойных осложнений. После вскрытия пузыря кожные покровы выглядят тонкими, гиперемированными, блестящими, легко травмируются и очень болезненны при пальпации. 6

Симптомы холодовых травм 3 степени Эти отморожения считаются глубокими. Морфологические изменения, отличающие эту форму поражения, сопровождаются некротическими изменениями поверхностного слоя кожи, дермы, вплоть до подкожно— жировой клетчатки. Последовательность изменений заключается в следующем: вначале отмечается длительное воздействие низких температур на кожные покровы. Это сопровождается спазмом сосудов, затем нарушениями микроциркуляции и изменениями сосудистой стенки. При согревании развивается некроз кожных покровов, регенерация не наступает, образуется грануляционная ткань, впоследствии формируется соединительнотканный рубец. При осмотре после отогревания область отморожения выглядит крайне отечной, кожа резко гиперемирована, в некоторых местах отмечается цианоз, иногда могут образовываться пузыри, но в отличие от предыдущей степени их содержимое включает в себя примесь крови. Поскольку некрозу подвергается вся кожа, болевые ощущения полностью утрачены: если после вскрытия пузырей производить раздражение кожи, реакции не отмечается. Симптомы холодовых травм 4 степени Это глубокие отморожения – наивысшая степень глубины поражения при воздействии низких температур. Интенсивность повреждающего фактора столь велика, что развиваются некротические изменения не только кожи, но и подлежащих тканей. Обратная регенерация невозможна. Реакция на любые виды раздражителей утрачена. Конечность выглядит цианотичной, кожные покровы на ощупь холодные, активные и пассивные, движения в суставах невозможны. После согревания конечности цвет ее меняется на темно— цианотичный, значительный отек развивается не только над зоной поражения, но и на значительном протяжении от места первоначального повреждения. Кожа может отслаиваться в виде 7 пузырей, содержащих темное

геморрагическое содержимое. Поражение тканей достигает максимальной интенсивности, развивается гангрена конечности. На данный момент существуют различные виды лечения холодовых травм. Медикаментозное лечение Для улучшения кровообращения в поражённых конечностях в течение первой недели после травмы внутривенно 2 раза в день вводят различные препараты. Терапию следует продолжать и в ситуации, если в течение 2—3 суток не удалось нормализовать температуру и трофику тканей. В данном случае она необходима для сокращения зоны некроза тканей. Большое значение имеет введение препаратов непосредственно в регионарный кровоток отмороженной конечности. Это достигают путём пункции соответствующей магистральной артерии (лучевой, локтевой, плечевой, бедренной). Длительность курса вазоактивной инфузионной терапии составляет не менее 7 суток. Выполняемые в дореактивном или раннем реактивном периодах новокаиновые околопочечные, вагосимпатические, периневральные проводниковые и простые футлярные блокады способствуют аналгезии, вазодилатации и уменьшению интерстициального отёка, создавая тем самым благоприятные условия для нормализации температуры в поражённых тканях. Хирургическое лечение отморожения Современная тактика хирургического лечения глубоких отморожений преследует цель быстрейшего удаления нежизнеспособных тканей, предотвращение развития тяжёлых осложнений и максимального сохранения объёма жизнеспособных тканей. Как и при лечении глубоких ожогов, применяют некротомию, некрэктомию, ампутацию и дерматомные свободные пересадки кожи. 8

Выше перечисленные методы лечения холодовых травм имеют массу недостатков. Поэтому на данный момент перспективным направлением в лечении отморожений является прогрев конечности проникающим в глубину тканей СВЧ излучением и равномерно разогревающим весь объём тканей. Глубинный прогрев обеспечивает снятие стойкого спазма основных питающих сосудов и восстановление адекватного кровотока во всей массе конечности. Следует отметить, что в медицине аппаратура с СВЧ излучением используются давно. Разработаны и применяются ряд устройств для СВЧ нагрева биологических тканей, применяются и устройства отечественного производства: «Яхта», «Луч», СМВИ и др. 1.2 Установка для гипертермического нагрева при лечении онкологических болезней «Яхта–4» «Яхта – 4» – установка для гипертермического нагрева при лечении онкологических болезней (рисунок 2), разработанная Девятковым Николаем Дмитриевичем. Рисунок 2 – Установка «Яхта–4» для гипертермического нагрева при лечении онкологических болезней 9

Клинические испытания «Яхты – 4» подтвердили ее эффективность при гипертермии опухолей различной локализации, в том числе и внутренних органов. Стремление существенно повысить эффективность и удобство эксплуатации привело к созданию современной гипертермической установки «Яхта – 4М», полностью управляемой персональной ЭВМ и оснащенной консультационной программой, позволяющей врачу выбрать гипертермический режим, приближенный к оптимальному. Кроме того, на табло ЭВМ врач может получить истинную картину распределения температур в восемнадцати точках нагреваемого объема тканей и объективную картину распределения температур по глубине, что является одним из важнейших параметров гипертермической процедуры. Минус заключается в неконтролируемых излучениях, которые рассеиваются в окружающем пространстве тем самым оказывая вредное воздействие на пациента и обслуживающий персонал. Неконтролируемое воздействие СВЧ излучения, как известно, приводит к острым поражениям и тяжёлым острым поражениям [3]. При острых поражения страдают все системы организма, однако не в одинаковой мере. На первом месте стоит нервная система (отёк мозговых оболочек и мозга, кровоизлияния в мозгу, некроз нервных клеток), которые обуславливают неврологическую симптоматику открытых поражений. На втором месте по чувствительности к воздействию микроволн стоит сердечно-сосудистая система. В ней в зависимости от интенсивности воздействия микроволн наблюдаются либо функциональное нарушение, либо грубые морфологические изменения (белковая дистрофия, кровоизлияния, очаги некроза в сердечной мышце). На третьем месте по чувствительности к сильному СВЧ воздействию стоит система кроветворения. 10

Тяжёлые острые поражения микроволнами встречаются очень редко. Они не получили достаточного освещения в литературе. Существенным недостатком данной методики является односторонний нагрев, не позволяющий равномерно прогревать восстанавливаемый орган. Поэтому данная установка, «Яхта–4», несмотря на все ее достоинства, не подходит для лечения отморожений. 1.3 Распределение температуры в тканях тела человека при лечебном СВЧ-нагреве Нагрев внутренних органов человека с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона используется в таких областях медицины, как онкология и физиотерапия. В первом случае происходит, нагрев опухоли до температур 42-45 ֯С (СВЧ-гипертермия), что позволяет повысить эффективность лучевой терапии. Однако известные аппараты для СВЧ-нагрева имеют следующий недостаток: из-за сильного затухания электромагнитной волны в биологических тканях поверхностные ткани нагреваются значительно сильнее, чем внутренние. Ранее было предложен излучатель для СВЧ-нагрева суставов конечностей, в котором устранен этот недостаток [4,5]. За счет применения двух когерентно возбужденных антенн цилиндрической формы обеспечивается фокусировка излучения в центральную часть сустава. Экспериментальный образец излучателя в рабочем режиме показан на рисунке Распределение температуры в теле человека определяется термодинамическими свойствами тканей, наличием кровотока и развитостью кровеносной системы, а также характером облучения. Рассчитать это распределение можно при помощи биотеплового уравнения [6]: 11

(1) Здесь ρ – плотность ткани, кг/м^3; С – теплоемкость ткани, Дж/(кг∙ ֯С); k – коэффициент теплопроводности ткани, Вт/(м∙ ֯С); ω – коэффициент, характеризующий объемный поток крови в единицу времени (коэффициент перфузии), мл/(100 г∙мин); Ск – теплоемкость крови, Дж/(кг∙ ֯С); ρк – плотность крови, кг/м^3; Тк – температура, с которой кровь поступает в нагреваемую область (в дальнейших расчетах Тк = 37 ֯С; qм – энергия, вырабатываемая в ткани благодаря метаболизму, Вт/м^3; qсвч – энергия, поглощаемая в ткани под воздействием электромагнитных волн СВЧ, Вт/м^3. Аналитическое решение биотеплового уравнения (1) возможно лишь для упрощенной модели объекта [7]. В данной работе рассмотрена модель, близкая к реальной, для которой используется численное решение методом конечных элементов, реализованное в компьютерной программе. 1 – антенны излучателя, 2 – водная прослойка; 3 – рука Рисунок 3 – Внешний вид излучателя в рабочем режиме при процедуре гипертермии 1 – кожа; 2 – мышечная ткань; 3 – костная ткань Рисунок 4 – Продольный разрез модели локтевого сустава Распределение температуры рассчитывалось для модели руки в области локтевого сустава, показанной на рисунке 4. Модель имеет форму цилиндра 12

круглого поперечного сечения и состоит из трех слоев: кожи, мышечной и костной тканей. Радиус цилиндра – 45 мм. Толщина слоя кожи составляет 3 мм. Суставная сумка моделируется цилиндром круглого поперечного сечения радиусом – 42 мм. Длина сумки – 50 мм. Кости плеча и предплечья моделируются усеченными конусами. Радиусы основания конусов составляют – 42 мм, а радиусы вершин – 20 мм. При расчете использовалось следующее граничное условие: на поверхности кожи температура равна 33 ֯С, что обычно реализуется на практике. Используемые теплофизические характеристики тканей приведены в таблице 1, согласно [8, 9]. Таблица 1 – Некоторые характеристики биологических тканей Результаты расчета температуры в центре сустава для различных значений мощности излучения приведены на рисунке 5. Как видно, температура 45 ֯С достигается за 4 мин при мощности 81 Вт, в то время как в известных установках для гипертермии для этого требуется значительно большая мощность. 13

1 - 36 Вт; 2 - 49 Вт; 3 - 64 Вт; 4 - 81 Вт Рисунок 5 – Изменение температуры в центре сустава при различных значениях мощности, поступающей на излучатель 1 - 12 Вт; 2 - 14 Вт; 3 - 16 Вт; 4 - 18 Вт Рисунок 6 – Температура в центре сустава при различных значениях мощности Аналогичные графики при меньших значениях мощности приведены на рисунке 6. Как видно из рисунка 6 рост температуры замедляется и приближается к константе, что означает термодинамическое равновесие, когда поглощаемая СВЧ-мощность равна тепловой мощности, излучаемой поверхностью кожи и отбираемой из области нагрева потоком крови. Полученные результаты говорят о возможности быстрого достижения режима гипертермии и его поддержания небольшим уровнем СВЧ-мощности. На рисунке 7 представлено распределение температуры в двух ортогональных 14

а - поперечная плоскость б - продольная плоскость Рисунок 7 – Распределение температуры в двух взаимно ортогональных плоскостях, проходящих через середину сустава при подаваемой на излучатель мощности 16 Вт плоскостях, проходящих через центр сустава при мощности 16 Вт в установившемся режиме. Как видно, область высокой температуры (44 - 45 ͦС) находится в центральной части сустава, что объясняется фокусирующим свойством излучателя. На рисунке 8 представлены графики зависимости температуры от времени нагрева в коже на расстоянии 3 мм от поверхности, где значение удельной поглощаемой мощности максимально. Как видно температура кожного покрова повышается не более чем на 1 ֯С. 15

Рисунок 8 – График зависимости температуры от времени нагрева в коже на расстоянии 3 мм от поверхности Рисунок 9 – Зависимость температуры в центре сустава от времени нагрева при различных значениях коэффициента перфузии: 1 - ω = 2 мл/(100г∙мин); 2 - ω = 3 мл/(100г∙мин); 3 - ω = 4 мл/(100г∙мин); 4 ω = 5 мл/(100г∙мин) Используемые при расчете параметры, указанные в таблице 1, могут изменяться в зависимости от индивидуальных особенностей организма и, особенно, от состояния кровеносной системы. Кроме того, в процессе нагрева в ткани происходит расширение кровеносных сосудов и увеличение кровотока. В первую очередь важно выяснить, как влияет скорость кровотока на температуру в тканях. На рисунке 9 представлены зависимости температуры в центре сустава от времени нагрева при различных коэффициентах перфузии ω. Мощность, подаваемая на излучатель, равна 16 Вт. Как видно из рисунка 9, гипертермическая температура в центре сустава сохраняется при коэффициенте перфузии меньшем 4 мл/(100г∙мин). При больших значениях этого коэффициента необходимо увеличить мощность излучателя. Проведенные расчеты позволили авторам работы сделать ряд практических рекомендаций для процедуры гипертермии. Сначала следует подать на излучатель мощность 60-80 Вт, быстро нагревая сустав до гипертермической температуры, а затем следует снизить мощность до 14 - 17 Вт и продолжить нагрев заданное время. Таким образом, предлагаемый в 16

работе излучатель за счет фокусирующих свойств работает при значительно меньшем уровне мощности по сравнению с известными излучателями, используемыми в гипертермических установках, и не вызывает перегрев кожи. Недостатком данной методики прогрева является то что при отсутствии контроля температуры внутренняя температура больше чем на поверхности, следовательно, создаётся риск перегрева ткани пациента. 1.4 Расчёт диэлектрической проницаемости биологических тканей Человек – это самое удивительное создание из всех живых существ на Земле. Организм человека – это сложная электромагнитная система, которая выдерживает повседневные нагрузки, стрессы и сопротивление различным вирусам. Основой нашей жизни являются энергия и её свойства: амплитуда, частота и скорость колебания. Каждый человек является определённым передатчиком и источником этих колебаний. Собственные колебания внутренних органов человека находятся в пределах 100 Гц. Одной из важнейших физических величин, характеризующих тело человека, является диэлектрическая проницаемость. «Диэлектрическая проницаемость – это безразмерная физическая величина, которая показывает степень ослабления электрического поля диэлектрическим материалом по сравнению с вакуумом. 10, с. 162. Тело человека имеет усреднённые значения диэлектрической проницаемости 40 – 60. Можно предположить, что в локальных участках диэлектрическая проницаемость тела человека будет значительно больше, так как диэлектрическая проницаемость некоторых белков варьирует в пределах от 100 до 2600. В основу расчета положен тот факт, что человек является неотъемлемой частью окружающего мира и тело человека состоит из тех же веществ, элементов, что и планета Земля. Так же, как и все живые организмы, оно построено из клеток и межклеточного вещества. Известно, что в среднем человек состоит из воды на 60%, на 34% из 17

органических веществ, а остальные 6% приходятся на неорганические (минеральные) вещества. Это средние числа, всё меняется с возрастом. Вода необходима для жизни, однако она имеет вспомогательное значение. Основную роль играет треть массы нашего тела, которая представляет собой его так называемый «сухой остаток». Основными соединениями являются белки, жиры и углеводы, а также родственные им вещества. Все эти вещества настолько свойственны живым организмам, что получили название органические. Диэлектрические проницаемости биотканей человека и занесены в таблицу. С увеличением частоты диэлектрическая проницаемость биотканей уменьшается. При относительно низких частотах диэлектрическая проницаемость велика. Таблица 2 – Содержание белков в органах и тканях человека Для нахождения диэлектрической проницаемости в [11] предложено применить уравнение: 𝜀 ∙ М = 𝜀1 ∙ 𝑚1 + 𝜀2 ∙ 𝑚2+. . . +𝜀𝑛 ∙ 𝑚𝑛 Отсюда 18

𝜀= 𝜀1 ∙ 𝑘1 + 𝜀2 ∙ 𝑘2 +. . . +𝜀𝑛 ∙ 𝑚𝑛 𝑀 (2) где ɛ – диэлектрическая проницаемость, 𝑚 – масса отдельных органов и тканей тела, М – масса тела и веществ организма человека. Учитывая, что 𝑚 = 𝑘∙𝑀 (3) + где k – доля от общей массы тела человека, используя выражения (2) и (3), будем иметь: 𝜀= 𝜀1 ∙ 𝑘1 ∙ 𝑀 + 𝜀2 ∙ 𝑘2 ∙ 𝑀+. . . +𝜀𝑛 ∙ 𝑘𝑛 ∙ 𝑀 𝑀 или 𝜀 = 𝜀1 ∙ 𝑘1 + 𝜀2 ∙ 𝑘2 +. . . +𝜀𝑛 ∙ 𝑘𝑛 (4) Используя выражение (4) и численные значения физических величин из таблиц 2 и 3, рассчитаем диэлектрическую проницаемость органических веществ организма человека: а) при частоте 100 Гц ɛ=0,115∙40+0,187∙6+0,001∙6+0,347∙800+0,02∙105+0,036∙850+0,007∙820+0,002∙ 101+0,005∙62+0,037∙450+0,001∙49+0,064∙150+0,014∙85+0,018∙48+0,146∙8 ≈352 б) при частоте 20 Гц ɛ=0,115∙50+0,187∙10+0,001∙10+0,347∙2500+0,02∙330+0,036∙2600+0,007∙2560+0, 002∙320+0,005∙190+0,037 ∙1400+0,001∙150+0,064∙470+0,014∙260+0,005∙150+ 0,146∙25≈1085. Таким образом, диэлектрическая проницаемость органических веществ, входящих в состав организма человека на низких частотах варьирует в пределах от 352 до 1085. 19

Таблица 3 – Диэлектрическая проницаемость биотканей человека при частотах 20 Гц, 100 Гц и температуре 37ºС (ɛ) № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Наименование биотканей Кожа Кости (твёрдые ткани) Зубы (твёрдые ткани) Поперечно-полосатые мышцы Печень Мозг и нервная ткань Сердце Лёгкие Селезёнка Почки Поджелудочная железа Жировая ткань Пищеварительный тракт Остальные жидкие ткани Остальные твёрдые ткани Частота, Гц 20 100 50 40 10 6 10 6 2500 800 2600 850 330 105 2560 820 1400 450 320 101 190 62 150 49 470 150 150 48 260 85 25 8 По данным различных авторов состав минеральных веществ в организме взрослого человека при массе 70 кг и среднее значение диэлектрической проницаемости химических элементов представлены в таблице 4. Авторами [11] рассчитана также доля от общей массы каждого химического элемента. Для этого масса каждого химического элемента разделена на массу всего минерального вещества. Например, для кальция: 𝑘= 1540 3115,4 20 ≈ 0,4943.

Таблица 4 – Состав минеральных веществ в организме взрослого человека при массе 70 кг, диэлектрическая проницаемость химических элементов наименование химических ɛ Масса, г элементов 3 1540 Кальций 4,7 840 Фосфор 7,3 245 Калий 4 105 Сера 2,3 105 Хлор 8,4 105 Натрий 17 105170 Магний 2,6 3,5 Железо 4,4 1,75 Цинк 2,8 0,07 Медь 11 0,02 Селен 4,8 0,01 Никель 7 0,009 Молибден 7,4 0,0026 Фтор 3115,4 Итог Аналогично рассчитана доля для каждого химического элемента и занесена в таблицу 5. Таблица 5 – Доля каждого химического элемента в организме человека наименование Доля (k) химических элементов 0,4943 Кальций 0,2696 Фосфор 0,0786 Калий 0,0337 Сера 0,0337 Хлор 0,0337 Натрий 0,0546 Магний 0,0011 Железо 0,0006 Цинк 0,00002 Медь 0,000006 Селен 0,000003 Никель 0,000003 Молибден 0,000001 Фтор 21

Используя выражение (4) и численные значения из таблиц 4 и 5, авторы [11] рассчитали диэлектрическую проницаемость минеральных веществ организма человека: ɛм = 0,4943∙3 + 0,2696∙4,7 + 0,0786∙7,3 + 0,0337∙4 + 0,0337∙2,3 + 0,0337∙8,4 + 0,0546∙17 + 0,0011∙2,6 + 0,0006∙4,4 + 0,00002∙2,8 + 0,000006∙11 +0,000003∙4,8 + 0,000003∙7+0,000001∙7,4 ≈ 4,75. С использованием выражения (4) и численного значения диэлектрической проницаемости органических и минеральных веществ с учётом, что диэлектрическая проницаемость воды при 37ºС равна 74,4, вычислена диэлектрическая проницаемость человека: а) при частоте 100 Гц: ɛr’ = 0,34∙352+0,6∙74,4+0,06∙4,75 ≈ 165; б) при частоте 20 Гц: ɛr” = 0,34∙1085+0,6∙74,4+0,06∙4,75 ≈ 414. Таким образом, диэлектрическая проницаемость человека варьирует на частотах от 20 до 100 Гц в пределах от 165 до 414. 1.5 Аппарат СМВ-терапии импульсный «СМВи–200–Мед ТеКо» Одним из современных приборов СВЧ-терапии является аппарат «СМВИ–200» (рисунок 10), предназначенный для локальных прогревов человеческого тела на отдельных участках [12]. Рабочая частота – 2, 45 ГГц. Таблица 6 – Проникновения СВЧ излучения Диэлектрики Глубина проникновения, см, при излучения частотой: 433 Мгц 915 Мгц 2375 Мгц Титанат бария 11,3 3,5 0,6 Метиловый спирт 33,0 7,8 1,4 Вода 70,5 23,4 3,5 Стекло 4600 2180 840 Мясо 5.1-10,7 2,8-62 1,6-3,1 Овощи 8,1-9,1 5,0-6,3 2,6-3,0 Рыба 5,0-6,2 3,4-3,8 1,2-2,0 22

Из таблицы 6 видно, что при разной частоте глубина проникновения изменяется, чем ниже частота, тем глубже проникновение излучения. Аппарат «СМВи–200» (импульсного типа) представляет собой современное медицинское устройство, предназначенное для генерирования электромагнитного излучения с целью лечебного воздействия на пациента. Активно применяется в лечебно–профилактических учреждениях и поликлиниках, специализированных физиотерапевтических отделениях и других медучреждениях. Рисунок 10 – Аппарат «СМВи–200» «СМВи–200» используя волны сантиметрового диапазона, ускоряет кровоток, увеличивает количество функциональных капилляров и расширяет мелкие сосуды. В результате такого воздействия усиливается лимфодинамика. Прибор, кроме противовоспалительного, оказывает на организм и другие лечебные эффекты, в том числе пролиферативный, секреторный (при СМВ– терапии низкой интенсивности), фибромодулирующий (при высокоинтенсивной терапии), катаболический эффекты. Лечебное воздействие базируется на способности генерируемых микроволн улучшать функционирование центральной нервной системы и 23

микроциркуляцию русла, расширять сосуды и интенсифицировать кровообращение, увеличивать содержание кислорода в тканях. Противопоказания к применению СМВи–200: злокачественные новообразования; воспалительные процессы, сопровождаемые отеком тканей; ишемическая болезнь сердца; инфаркт миокарда в первые 3 месяца; стенокардия; ригидный антральный гастрит; язвенная болезнь (со стенозом привратника); териотоксикоз; вегеталгия; присутствие металлических объектов в зоне воздействия. Таблица 7 – Режимы работы СМВи–200 РЕЖИМЫ РАБОТЫ Режим работы аппарата непрерывный; импульсный Время установления рабочего режима не более 30 с Время работы аппарата в повторно– не более 6 ч. кратковременном режиме Время работы 30 мин Время паузы 10 мин. Диапазон установки таймера (1...30) ±5% мин ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ Рабочая частота 2,45 ±0,05 ГГц Выходная мощность аппарата в (15 / 30 / 45)±15% Вт; (60 / 90 / 120 / 150 / 200) непрерывном режиме ±10% Вт Средняя выходная мощность аппарата в (10/20/30/40/50/60/80/100)±15% Вт импульсном режиме в течении действия импульса мощностью 200 ВТ Коэффициент стоячей волны излучателей не более 2,5 ПИТАНИЕ Напряжение питания 220±22 В Частота питающей сети 50 Гц Мощность потребляемая из сети не более 450 ВА 24

Несмотря на многие преимущества данного аппарат по сравнению с предыдущими устройствами данного типа (Луч–1, луч–2 и др.), для решения рассмариваемой нами задачи он может использоваться только как источник СВЧ-излучкения, поскольку все входящие в его комплектацию излучатели представляют собой антеннные апликаторы, с их помощью обеспечить равномерный отогрев конечности не удастся. Кроме того, все используемые в нем излучатели никак не защищают от СВЧ –воздействия ни пациента, ни персонал. 1.6 Экспериментальная установка ТГУ для лечения отморожений В Томском государственном университете на эту проблему обратили внимание в 2005 г. специалисты в области радиоэлектроники и техники СВЧ (В.В. Козик, Г.Е Дунаевский, В.Б. Антипов, Ю.И. Цыганок), сформулировавшие почти очевидную идею лечения: поверхность пораженной конечности изолировать от поступления тепла и создать прогрев глубинных зон слабым СВЧ-полем [13]. Медицинские компетенции в решении этой задачи обеспечили работники Томского военно–медицинского института Минобороны РФ профессор Е.В. Гаврилин и адьюнкт И.Э. Горелик. На первых этапах этой работы следовало решить ряд технических проблем. В качестве СВЧ-генератора было предложено использовать магнетрон бытовой СВЧпечи, но мощность его следовало надежно уменьшить в несколько сотен раз. Была разработана конструкция и изготовлена металлическая камера отогрева, с одной стороны, совмещенная с генераторным блоком, с другой – содержащая отверстие, позволяющее размещать в камере отогреваемые объекты и защищенное гибким СВЧ–поглотителем, исключающим нежелательную СВЧ–засветку пациента и персонала. Все эти задачи были решены коллективом лаборатории электроники Сибирского физико-технического института ТГУ, созданная экспериментальная установка (рисунок 11), 25

позволила провести большой цикл исследований, на первом этапе – на биомодели (водной среде), затем, на втором этапе, – на биологических фантомах (тазовые конечности курицы) и на третьем этапе – на подопытных животных (кроликах массой 3 – 4 кг) В условиях контроля температуры на поверхности и послойно в глубине охлажденных и отогреваемых объектов были отработаны режимы и методики отогрева. Работы последнего этапа проводились на базе экспериментальной лаборатории ГОУ ВПО «Томский военно-медицинский институт. Минобороны РФ» в соответствии с «Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей», согласно Правилам проведения работ с использованием экспериментальных животных (Приказ МЗ СССР №755 от 12.08.1977 г.) и Федеральному закону о защите животных Рисунок 11 – Экспериментальная установка 26

от жестокого обращения от 01.01.1997 г. В ходе экспериментов 3 подконтрольным группам животных осуществлялось отморожение задней конечности от стопы до верхней трети бедра с послойной термометрией и реовазографией. Отморожение тканей подтверждалось клинически окоченением конечности, отсутствием чувствительности и кровотечения в месте инъекции. Затем отмороженная конечность защищалась термоизолирующей повязкой. Далее для первой группы активное лечение не осуществлялось, для второй проводился СВЧ-отогрев, для третьей СВЧвоздействие сопровождалось медикаментозным лечением по общепринятой методике с введением антикоагулянтных, спазмолитических препаратов, средств, улучшающих гемореологию, проведением новокаиновых блокад. а – снятая через 4 ч после отморожения б – снятая через 1 ч после СВЧвоздействия Рисунок 12 – Рентгенограммы лап кролика Производились послойное измерение температуры, реовазография по сегментам, гамма сцинтиграфия, гистологические исследования мягких тканей, ежедневная оценка общего состояния животных и зоны отморожения, контролировались изменения в характере пищевого и оборонительных 27

рефлексов, осуществлялась статистическая обработка экспериментальных результатов. В ходе проведенных экспериментов, и по показателям роевазографии, и по данным гаммасцинтиграфии убедительно показано, что воздействие СВЧ-поля на поражённую конечность кроликов обеспечивает возможность восстановления и удержания адекватной температуры и кровотока в поражённой конечности (рисунок 12). Комбинированное лечение характеризуется более быстрым достижением и стабильным сохранением анализируемых показателей с меньшей степенью их колебаний на протяжении времени исследования. На данный момент начальные работы в ТГУ выполнены, эффект отогрева отморожения СВЧ полем подтвержден, но все – на кроликах. В настоящее время главная задача состоит в исследовании особенностей масштабного перехода от конечности кролика к конечности человека. Необходимо учесть, что чувствительность лабораторных животных (мыши, крысы, кролики, собаки) к воздействию микроволн выше, чем у человека. А также объём мышечной ткани в разы отличается от человеческого объёма. Математическую модель будет сложно описать строго аналитическими методами, придется описывать с помощью программ – симуляторов, поэтому обзор должен также включать изучение аналитических и программных методов описания подобных моделей. Предстоит работать с Программа-симулятор, которая по праву завоевала большую популярность среди коммерческих программ, предназначенных для проектирования СВЧ структур. 1.7 Вывод Из вышеприведенного литературного обзора следует, что необходимо провести более детальное исследование распределения полей в микроволновой камере и, главное, в отогреваемой конечности. Поскольку 28

проводить исследования на человеке нельзя, необходимо использовать методы математического моделирования моделирования на диэлектрических фантомах. 29 и методы физического

2 Моделирование процессов в микроволновой камере с диэлектрическим фантомом 2.1 Программа-симулятор С появлением разнообразных программ электродинамического моделирования изменилось отношение к аналитическим расчетам. Ведь для реальных комплексных СВЧ устройств достаточно сложно получить аналитическое решение задачи анализа, а зачастую это просто не представляется возможным. Современное проектирование СВЧ структур произвольной формы остро ставит задачу описания, выбора и подтверждения достоверности модели. Построение достоверной модели связано с задачей расчета и анализа характеристик физической системы, реализуемой на этом устройстве. Это первый важный вопрос, решаемый в процессе проектирования. Наличие современных пакетов проектирования, анализа и синтеза СВЧ устройств еще не гарантирует достоверности модели. Умение построить адекватную реальной задаче модель является крайне важным для разработчика, и ее рекомендуется развивать эмпирическим путем посредством самостоятельных исследований. Второй важный аспект проектирования – это все более разнообразные и обобщенные показатели качества, которыми оценивается устройство. Корректное моделирование радиотехнических объектов сводится как к выбору методов определения характеристик (анализ), так к выбору и реализации методов решения обратной задачи (синтеза). Последняя представляет собой, по сути, задачу параметрического синтеза, то есть оптимизацию параметров структуры выбранной конструкции. Программа-симулятор подходит для описания распределения электромагнитного и теплового поля во внутреннем объёме СВЧ-камеры. 30

2.2 Описание исследуемой модели В программе-симуляторе, была смоделирована камера, идентичная уже имеющейся камере (длина 55 см, ширина 30 см, высота 40 см, диаметр 26 см). Всё пространство было выбрано как изоляционный материал, голубым цветом выделено внутреннее пространство камеры (вакуум) ограниченное металлической (идеальный проводник) поверхностью. На рисунках 14,15 изображена камера в двух проекциях. Рисунок 14 – Модель микроволновой камеры в программа-симулятор Рисунок 15 – Модель микроволновой камеры (в разрезе) в программе программасимулятор 31

На рисунке 16 изображён фантом в виде диэлектрического цилиндра, с проницаемостью солёной воды (   74) . Предполагается, что в дальнейшем размеры цилиндра и его диэлектрические параметры можно будет изменять. Рисунок 16 – Модель микроволновой камеры с диэлектрическим фантомом. Возбуждение реальной камеры осуществляется антенной, расположенной на задней стенке в правом нижнем углу (рисунок 18). На модели возбуждение показано как апертура открытого конца волновода, излучающего внутрь камеры. Рисунок 18 – Модель микроволновой камеры с апертурой возбуждающего волновода 32

2.3 Результаты моделирования и их обсуждение Ниже приведены результаты расчёта параметров выше описанной модели с помощью программы-симулятора. Рассчитывались значения параметров S11 на частотах от 2,3 ГГц до 2,5 ГГц. На рисунке 20 приведены значения параметра S11 в указанном диапазоне частот. Рисунок 20 – Коэффициент отражение (параметр S11) на входе камеры с фантомом На рисунке 21 приведены результаты расчёта мощности поглощённой в объёме фантома камеры на различных частотах в указанном выше диапазоне частот. Рисунок 21 – Значение мощности поглощенной в объёме фантома в зависимости от частоты возбуждения камеры 33

Из приведенных рисунков следует наличие резонансов в камере с фантомом (см., например, частоту 2,4 ГГц) поглощение на которых максимально. На интересующей нас частоте 2,45 ГГц, как нетрудно видеть, резонанса нет, поглощение среднее. Тем не менее, наличие резонанса вблизи рабочей частоты нежелательно, поскольку может привести к характерным для резонансных колебаний стоячим волнами, соответственно, к неравномерному нагреву. 2.4 Вывод Выявлено что, программа-симулятор может быть использован для описания модели микроволновой камеры с цилиндрическим фантомом. При параметрах камеры и фантома, принятых в предложенной модели, на частоте 2,45 ГГц резонанс не наблюдается (режим благоприятный для равномерного нагрева). 34

3 Экспериментальные исследования распределения теплового поля в диэлектрическом фантоме 3.1 Выбор наполнителя для создания фантома конечности Целью данной части работы является выбор диэлектрического наполнителя, по своим электрофизическим параметрам (действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости, теплопроводности) близкого к соответствующим параметрам человеческого тела. Согласно литературным данным, на частоте 2,45 ГГц близкими значениями диэлектрической проницаемости обладает физраствор (0,9 % раствор NaCl). Однако, теплопроводность жидкости заведомо выше, поэтому нами исследованы различные добавки к физраствору, предназначенные для устранения процессов конвекции, характерных для нагреваемых жидких сред. Для измерений значений e' и e'' использовлся анализатор цепей AgilentE8363В и входящий в его комплект коаксиальный измерительный волноводный зонд. Методика измерений с помощью векторного анализатора цепей Анализатор цепей AgilentE8363В [15] относится к серии PNA (PerformanceNetworkAnalyzers) – высокопроизводительных анализаторов цепей. Структурно данный анализатор состоит из синтезатора частот, приемника с четырьмя измерительными каналами и интегрированного двунаправленного измерителя S-параметров. Используются разъемы 2,4 мм. Основные характеристики: а) рабочий диапазон частот: 10 МГц...40 ГГц; б) мощность источника сигнала: – 10 дБм на частоте 50 ГГц, –4 дБм на частоте 40 ГГц и 0 дБм на частоте 30 ГГц; в) разрешение источника сигнала по амплитуде 0,01 дБ. Прибор работает в операционной системе WindowsXP и просто совмещается с персональным компьютером, имеет большой набор интерфейсных шин GPIB, USB, LAN, параллельный порт для принтера и легко 35

совместим с любым периферийным оборудованием. Прибор поддерживает практически любые программные коды VisualBasic, VisualC+ +, Agilent-VEEи LabView. В методике измерения диэлектрической проницаемости жидкостей используется датчик в виде разомкнутого коаксиального зонда (рисунок 22). Рисунок 22 – Конфигурация разомкнутого коаксиального зонда Этот зонд изготовлен на основе жесткого коаксиального кабеля с тефлоновым диэлектрическим заполнением, внутри которого по всей длине располагается металлический стержень. Используемое устройство способно эффективно измерять параметры диэлектриков в большом диапазоне температур, частот и значений тангенса угла диэлектрических потерь. Кроме этого, коаксиальный зонд очень удобен в эксплуатации. Выбранная длина (0,2 м) и диаметр кабеля (2,5 мм) позволяют выполнять измерения на частоте от 500 МГц до 40 ГГц. Для этого диапазона эффект неоднородности проявляется в пределах лишь нескольких миллиметров. Например, для частот ниже 10 ГГц уровень затухания волны составляет 14 дБ/мм. Измеряемый материал должен быть немагнитным и изотропным. Один конец датчика подключается к коаксиальному кабелю, который ведет непосредственно к анализатору цепей. Второй конец помещается в исследуемый объект. Среда, в которую погружен зонд, должна быть «бесконечно протяженной» ; иными словами, поле излучения должно полностью локализоваться в её объеме. Это выполняется при погружении 36

окончания измерительного зонда в образец на расстоянии от его границ минимум по 5 мм со всех сторон. Датчик закрепляется на специальном штативе, обеспечивающем его вертикальное положение и неподвижность, что требуется для обеспечения точности измерений. Результаты измерений параметров наполнителей фантома Для измерения диэлектрической проницаемости различных наполнителей использовался описанные выше векторный анализатор цепей и коаксиальный зонд. В таблице 8 приведены исследуемые образцы Таблица 8 – Диэлектрическая проницаемость ɛ' Фарш Мясо Молоко Манка 2,4 50,3809 45,7207 70,3994 71,4308 2,42 50,316 45,6438 70,3761 71,3262 2,44 50,2099 45,5766 70,3083 71,1595 2,46 50,1449 45,5079 70,1428 71,0525 2,48 50,0852 45,4455 70,07 71,0413 2,5 50,03 45,3793 70,0023 71,008 ɛ '' Фарш Мясо Молоко Манка 2,4 16,9077 14,4841 70,3994 28,4334 2,42 16,9077 14,4822 70,3761 28,3202 2,44 16,9127 14,4794 70,3083 28,3062 2,46 16,9017 14,4614 70,1428 28,2792 2,48 16,8813 14,4591 70,07 28,209 2,5 16,8575 14,4501 70,0023 28,0313 наполнителя и измеренные значения действительной и мнимой диэлектрической проницаемости. На рисунках 23 и 24 показаны графики ɛ', ɛ'' от частоты для различных образцов. 37

1 – фарш; 2 – мясо; 3 – молоко; 4 – манка Рисунок 23 – Частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости 1 – фарш; 2 – мясо; 3 – молоко; 4 – манка Рисунок 24 – Частотная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости Из результатов измерений следует, что в качестве материала для исследования тепловой неоднородности в фантоме лучше всего подходит свиной фарш, так как по параметрам диэлектрической проницаемостью он близок к человеческой мышечной ткани. 3.2 Разработка автоматизированного измерителя распределения температуры вдоль фантома Электромеханическая часть 38

Для измерений распределения полей в объеме фантомов различных размеров и конфигураций разработан и изготовлен автоматизированный позиционер температурного датчика, блок-схема которого предоставлена на рисунке 25 Рисунок 25 – Схема управления автоматизированным измерителем температуры, перемещаемым вдоль фантома Общий вид электронной части вышеприведенной схемы показан на рисунке 26. Рисунок 26 – Общий вид микросхемы, реализующей электронную часть схемы автоматизированного измерителя 39

Микроконтроллер Arduino используется для управления пошаговым контроллером A3967SLBT, он же управляет линейным позиционером (рисунок 27). Рисунок 27 – Линейный позиционер перемещающего устройства В верхней точке линейного позиционера находится реле ограничения перемещений (рисунок 28). 40

Рисунок 28 – Реле ограничения перемещающего устройства Реле ограничения перемещений необходимо для формирования нулевой точки отсчёта и конечной точки перемещения. Температура измеряется при помощи термопары, установленной на подвижной части позиционера, через микросхему max6675. В описанном ниже эксперименте в качестве термодатчика применен электронный термометр ЛТ–300 фирмы «Termex» (Россия), [16] позволяющий погружать термодатчик в исследуемый объем на глубину 55 см, соответствующую «ходу» перемещаемой площадки. Перемещение датчика температуры вдоль фантома осуществлялось с заданным шагом 1 см. Перемещение датчика температуры вдоль фантома осуществляется с заданным шагом в 1 сантиметр. Возможны два режима работы – автоматический и ручной. Автоматический режим – предполагает автоматическое передвижение датчика вдоль фантома, каждое следующее перемещение происходит только после того, как температура зафиксируется, осуществляется автоматически 41 фиксация температуры

Ручной режим – в этом режиме передвижение датчика происходит при нажатии соответствующей кнопки оператором, команда на запись значения температуры здесь также подается вручную. Программная часть В качестве главного микроконтроллера была использована платформа Arduino [17]. Arduino – это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов. Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino (основан на языке Wiring) и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания. Исходные чертежи схем (файлы CAD) являются общедоступными, пользователи могут применять их по своему усмотрению. На данном языке написана программа для автоматизированного измерителя температуры вдоль фантома, текст программы приведен в приложении А. 42

Порядок измерения распределения температуры вдоль фантома Линейный позиционер закрепляется над СВЧ-камерой (рисунок 29). Рисунок 29 – Смонтированная установка для исследования температуры фантома конечности Данная конструкция собрана из дюралевых уголков, что обеспечивает жёсткость конструкции. Линейный позиционер выполнен таким образом, что его можно перемещать по горизонтальным направляющим, получая при этом возможность проводить измерения не только в центре фантома, но и со смещением относительно его главной продольной оси. При фиксированном креплении позиционера установка позволяет осуществлять перемещение температурного датчика по вертикали в пределах 0-60 см с шагом 1 см. Погрешность установки измерителя в заданную точку фантома составляет не хуже 0.625 мкм. 43

3.3 Описание СВЧ части Воздействие высокочастотного излучения на биологические ткани проявляется, главным образом, в их нагревании за счет тепла, выделяющегося в результате поглощения излучения. К существенным условиям воздействия относятся: плотность потока падающей мощности излучения, коэффициенты отражения и преломления на границах биологическая ткань-воздух и между отдельными слоями тканей, а также коэффициенты затухания волн, распространяющихся в них. Для повышения безопасности процедуры для пациента и персонала, а также для решения проблем с переотражением волн и локализации излучения в отогреваемой конечности, предложено было использовать замкнутую камеру (рисунок 30). Габариты камеры: длина 55 см, ширина 30 см, высота 40 см, диаметр входной апертуры – 26 см. Рисунок 30 – Экспериментальная установка на базе аппарата «СМВи–200» В качестве генератора, используется аппарат для СВМ -терапии импульсный «СМВи–200–Мед ТеКо». Данная установка работает на частоте 2,4 ГГц с мощностью (15 – 200 Вт). Аппарат для СМВ-терапии имеет 44

электронный блок, на котором можно задать (режим, мощность, время) (рисунок 10). Рисунок 31 – Электронное табло «СМВи–200–Мед ТеКо» На рисунке 31 приведено электронное табло аппарата «СМВи–200–Мед ТеКо», с помощью которого задаются параметры эксперимента. 3.4 Методика исследования влияния СВЧ – нагрева на распределение температуры в объёме фантома В микроволновую камеру помещался фантом. Входное отверстие микроволновой камеры закрывалось с помощью рукава из радиозащитного материала (во избежание распространения электромагнитных волн вне камеры и облучения персонала ). На электронном табло «СМВи–200–Мед ТеКо» устанавливались следующие параметры нагрева: режим – импульсный, выходная мощность – 40 Вт, время – 6 мин. Включался пуск генератора. Осуществлялся нагрев фантома (прекращение нагрева происходит автоматически). После полного отключения, камера открывалась, и с помощью электронного термометра ЛТ–300, постепенно погружаемого в исследуемый фантом, производился замер температуры по центру вдоль продольной оси фантома. Повторялась данная операция несколько раз. 45

3.5 Эксперимент с желатином Начальный эксперимент по обнаружению неоднородности нагрева в объёме фантома проводился с цилиндрическим сосудом, наполненным физраствором с добавлением желатина. Желатин добавлялся для замедления конвекции в сосуде. Эксперимент показал, что желатин не позволяет работать на температурах порядка комнатной и выше, так как обладает большой теплопроводностью и конвекцией, то есть теряет свои геле образующие свойства. На рисунке 32 приведены примеры измеренных распределений температуры вдоль фантома, при нагреве его в микроволновой камере (результаты 5–и измерений, проведённых в одинаковых условиях). Рисунок 32 – Распределений значений температуры вдоль оси фантома, нагретого в микроволновой камере На вышеприведённых графиках видно, что при возбуждении микро волновой камеры СВЧ мощностью порядка 40 Вт на частоте 2,45 ГГц вдоль фантома существенных неоднородностей температуры не наблюдалось, за исключением зоны, непосредственно примыкающей к излучателю. Это свидетельствует о том, что на данной частоте в фантоме, образованном физраствором с добавлением желатина, отсутствуют стоячие волны. 46

В связи с тем, что желатин не подходит для дальнейших исследований было решено использовать материалы, более близкие к ткани человека и имеющие аналогичную теплопроводность, но с низкой конвекцией. После измерения диэлектрической проницаемости нескольких различных образцов наполнителей, был сделан выбор для дальнейших экспериментов - свиной фарш, так как он обладает примерно такой же диэлектрической проницаемостью, как и ткань человека. 3.6 Исследование неоднородности температурного поля при нагреве фантома В качестве фантома использовалась полипропиленовая труба, наполненная свиным фаршем (рисунок 33). Длина трубы – 50 см, диаметр трубы – 10см. Рисунок 33 — фантома наполненная свиным фаршем Предварительные исследования на векторном анализаторе фирмы Agilent (США) показали, что действительная часть диэлектрической 47

проницаемости данного наполнителя составляла – 50, мнимая – 16,9, эти значения близки к параметрам кровенаполненной мышечной ткани человека [18]. Фантом помещался в микроволновую камеру. Входное отверстие микроволновой камеры, во избежание переизлучения электромагнитных волн за ее пределы, закрывалось с помощью рукава из радиозащитного материала. На электронном табло «СМВи–200» устанавливались следующие параметры эксперимента: режим – импульсный, выходная мощность – 40 Вт, время нагрева – 6 мин. Далее осуществлялся нагрев фантома, после полного отключения камера открывалась, и с помощью электронного термометра, постепенно погружаемого в исследуемый фантом, производился замер температуры вдоль его продольной оси. На рисунке 34 приведены результаты измерений распределения температуры вдоль фантома без нагрева (1) и при воздействии на него в микроволновой камере СВЧ-излучением в течении 6 минут (2,3,4). Временной интервал измерении температуры между зависимостями 2-3-4 на рис. 4 составлял 13 мин. Поскольку фарш использовался предварительно охлажденный, то при заполнении им фантома, (режим «без нагрева»), наблюдалась начальная неоднородность распределения температуры, вызванная разной степенью охлаждения частей (упаковок) используемого фарша, и не связанная со структурой СВЧ поля. На графике (рисунок 34) видно, что при возбуждении микроволновой камеры СВЧ мощностью порядка 40 Вт (в импульсном режиме) на частоте 2,45 ГГц вдоль фантома существенных неоднородностей температуры не наблюдается, за исключением зоны, непосредственно примыкающей к излучателю (расположен справа в плоскости, соответствующей расстоянию 55 см по приведенной на рисунке 4 шкале). 48

1 – без СВЧ нагрева в центре фантома; 2,3,4 – в центре фантома при СВЧ нагреве 6 мин; 5 – вдоль стенки фантома при СВЧ нагреве 6 мин Рисунок 34 – Распределение значений температуры вдоль продольной оси фантома, нагретого в микроволновой камере Смещение линии измерения температуры от центра к боковой стенке (5) также не выявило значительных неоднородностей. Это свидетельствует о том, что на данной частоте вдоль оси фантома тепловое поле квазиоднородно, и эффект стоячих волн в распределении температуры не проявляется. Связано это с тем, что микроволновый нагрев небольшой мощностью, осуществляемый в течение длительного интервала времени. нивелирует известные эффекты стоячих волн, поскольку благодаря высокой теплопроводности среды приводит к практически равномерному повышению температуры по всему объему фантома. 49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенной работы была изучена литература, изучена программа-симулятор и в этой программе построена модель камеры с цилиндрическим диэлектрическим фантомом, позволяющая в дальнейшем изучать процессы нагрева фантома в камере, был выбран материал для наполнения объёма фантома, построена универсальная установка для автоматизированного измерения температуры в объёме фантома, проведены экспериментальные исследования температурного поля в цилиндрическом фантоме, моделирующем конечность человека. 50

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Гореликлшь И.Э. Профилактика некроза при отморожениях конечностей в дореактивном и раннем реактивном периодах . Горелик Игорь Эрнстович: автореферат дис. ... канд. мед. наук : 14.00.27, 14.00.16 . ГОУ ВПО Томский военно-мед. ин-т. Кемерово, 2010. C. 23. 2 Л. Б. Розин, А. А.Баткин, Р. Н. Катрушенко. Лечение ожогов и отморожений / Рецензент: Н. Д. Казанцева. — Изд. 2-е, испр. и доп. — Л.: Медицина. Ленингр. отд-ние, 1984. — 176 с. 3 Девятков Николай Дмитриевич //Большая советская энцеклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохоров — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969. 4 Пат. 154537 Российская Федерация, МПК A61N 5/06. СВЧ излучатель для нагрева суставов конечностей / С.В. Турыгин, В.А. Яцкевич; заявитель и патентообладатель Волог. гос. ун-т. – № 2015112238/14; заявл. 03.04.2015; опубл. 27.08.2015. – Б.и. – 2011 – № 24. 5 Турыгин С.В. Выбор оптимальных частот для неинвазивной локальной СВЧ-гипертермии / С.В.Турыгин, В.А. Яцкевич // Электроника и микроэлектроника СВЧ. Сборник статей IV Всероссийской конференции. – Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. – С. 277 – 281. 6 А.Н. Гусев, В.Л. Сигал, С.П. Осинский. Теплофизические модели гипертермии опухолей; отв. ред. В.Г. Пинчук. – Киев: Наук. думка, 1989. – 176 с. 7 Vyas, R. Green’s function solution to the tissue bioheat equation / R.Vyas, M.L. Rustgi // Medical physics.– 1992 – Vol. 19 – P. 1319-1324 8 Березовский В.А. Биофизические характеристики тканей человека: справочник/ В.А. Березовский, Н.Н. Колотков, П.Г. Костюк. – Киев: Наукова думка, 1990. – 224с. 51

9 Curto S. Antenna development for radio frequency hyperthermia applications. DoctoralThesis / S.Curto – Dublin Institute of Technology, 2010. – 138p. 10 Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов, Физика – /Р.А. Мустарьев.: Высшая школа, 1989. – 168 с. 11 Березов Т.Т. Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. Москва. «Медицина», 1998. – 22 с. 12 СМВи-200 "МЕДТЕКО" [Электронный ресурс] URL: http://medecocenter.ru/smvi-200-medteko 13 Устройство для лечения отморожений конечностей / В.Б. Антипов, Г.Е. Дунаевский, Е.В. Гаврилин // Пат. РФ № 170090 по заявке № 2016151914 от 28.12.2016, опубл. 13.04.2017. Бюл. № 11. 14 Tian J. Effects of exposure to hypoxia on the skin temperature and glycogen content of frostbitten feet in rabbits / J. Tian, H. Wu, H. Cheng, F. Li // Chung Kuo Ying Yung Sheng Li Hsueh Tsa Chih. 1997. Vol. 13. N 2. P. 118–120. 15 Анализатор цепей AgilentE8363В [Электронный ресурс] URL: https://www.ntnk.ru/agilent/anetwork/PNA.pdf 16 Термометр лабораторный электронный ЛТ-300 рег.№ 61806-15 [Электронный ресурс] URL: https://termexlab.ru/#!/ru/product/lt-300-ntermometr-laboratornyij-elektronnyij-250300/ 17 Платформа Arduino [Электронный ресурс] // URL: https://www.arduino.cc 18 Vendik I. B. Wireless monitoring of the biological object state at microwave frequencies: A review I.B. Vebdil etala // Technical Physics. – 2016. – Т. 61. № 1. – С. 1–22. 19 Винник Ю.С. Обоснование комплексной терапии обморожений высоких степеней (клинико-экспериментальное исследование) : автореф. дис. ... канд. мед. наук / Ю.С. Винник. – Барнаул, 1978. – 26 с. 20 Гоголев Л.С. Местная холодовая травма. Классификация, диагностика и принципы лечения / Л.С. Гоголев, Н.И. Воронин // Сб. науч. работ, 52

посвящ. памяти проф. В.Я. Протасова. – Благовещенск, 1994. – Вып. 5. – 131 c. 21 Гостищев В. Ведение больных с глубокими отморожениями / В. Гостищев К. Липатов // Мед. газета. – 2004. – № 4. – 10 c. 22 Котельников В.П. О механизме тромбообразования при местном действии низких температур (отморожений) / В.П. Котельников, В.Н. Морозов, О.И. Коровин // Гематол. и трансфузиол. 1987. – Т. 32. – № 5. – 31–35 c. 23 Чадаев А.П. Холодовая травма / А.П. Чадаев, СВ. Свиридов, А.Д. Климиашвили и др. // Рос. мед. журн. 2005. – № 5. – 20–23 c. 53

Приложение А Текст программы управления перемещения термометра #define STEP 7 buttonState = digitalRead(12); #define DIR 6 buttonState3 = digitalRead(10); #include "max6675.h" if(buttonState3 == HIGH) { int thermoDO = 2; //он же SO int thermoCS = 3; while (digitalRead(11) != HIGH) { int thermoCLK = 8; //он же SCK stepper(200, 100, 1); MAX6675 thermocouple(thermoCLK, } thermoCS, thermoDO); } int a=0; int buttonState = 0; int buttonState2 = 0; int buttonState3 = 0; int buttonState4 = 0; int incomingByte = 0; int endpos=0; float Temp=0; void setup() { pinMode(STEP, OUTPUT); pinMode(12, INPUT); pinMode(9, INPUT); pinMode(10, INPUT); pinMode(11, INPUT); pinMode(DIR, OUTPUT); Serial.begin(9600); if(buttonState == HIGH) { buttonState2 = digitalRead(9); for (a=0; a<=20; a++){ stepper(20000, 100, buttonState2 ); delay(100); Temp= thermocouple.readCelsius(); delay(400); while (thermocouple.readCelsius()!=Temp) { Temp= thermocouple.readCelsius(); delay(200); } Serial.print(a); Serial.print(" "); Serial.println(Temp); } } } //Serial.println("press buton for START"); } void stepper(unsigned int Step, int Speed, boolean Set) { digitalWrite(DIR, Set); for (int i = 0; i < Step; i++){ digitalWrite(STEP, HIGH); delayMicroseconds(Speed); digitalWrite(STEP, LOW); delayMicroseconds(Speed); } } void loop(){ 54

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв