Альтшуллер Г. М., Гайкович К. П., Вакс В. Л. Інститут фізики мікроструктур РАН, МСП-105, Н. Новгород – 603950, Росія Тел.: (8312) 675037; факс: (8312) 675553; e- mail: gai@ipm.sci-nnov.ru

Анотація – Для зондування динаміки підповерхневого профілю температури при нагріванні і охолодженні тканин тіла людини застосований метод бліжнепольной СВЧ радіометрії на довжині хвилі 31 см з набором ближ-непольних антен розміром від 0,5 до 3 см.

I. Вступ

Представлені результати радіометричного контролю підповерхневого профілю температури живих тканин в процесі їх нагрівання та охолодження з використанням залежності глибини формування прийнятого теплового випромінювання від розміру апертури контактних антен. Рівняння для ефективної температури вимірюваного випромінювання поглинає середовища має вигляд:

де V – об’єм, який займає поглинаючої середовищем з

уявної частиною діелектричної проникності s “,

Е (г) – розподіл в середовищі спектральної компоненти електричного поля на робочій частоті f при роботі антени в активному режимі. Розподіл поля визначається сверткой відповідної функції Гріна і розподілу струму по області антени. При цьому різке наростання поля в ближній зоні антени призводить до залежності характерною глибини, на якій формується прийняте випромінювання, від розмірів антени. Цей ефект був досліджений експериментально в [1] і застосований для контролю динаміки профілю температури водного середовища в процесі її нагрівання та охолодження [2].

II. Основна частина

Аналогічний підхід використовується в даній роботі для контролю профілю температури при нагріванні і охолодженні живих тканин тіла людини. У виконаних експериментах область руки людини нагрівалася (Або охолоджувалася) з поверхні в гарячій (або холодної) воді. Радіометром на довжині хвилі 31 см реєструвалася динаміка нагріву (охолодження) і подальша релаксація температури в повітрі з використанням симетричних контактних антен [2] з латеральними розмірами LX=LY= D = 0.5, 1, 2, 3 см. Антени були добре узгоджені і з живими тканинами, і з водним середовищем. Значення ефективної глибини формування випромінювання [1] deff обчислювалися з використанням відомих значень діелектричних параметрів живих тканин. Для вимірювань в повітрі ці значення склали deff = 0.12, 0.35, 0.75, 1.08 см для антен з розмірами D = 0.5, 1, 2, and 3 см відповідно; у воді глибини формування кілька зростають: deffair = 0.85- 0.90 deff™3* ^. Температурний профіль відновлювався з рішення інтегрального рівняння Фред-Гольма 1-го роду (1) методом узагальненої нев’язки

Тихонова. Динаміка варіацій температури при охолодженні і нагріванні виявилася якісно подібною. На рис. 1 представлена ​​динаміка яркостной температури, виміряна з використанням антен різних розмірів і відповідні результати відновлення зміни профілю температури в процесі нагрівання живої тканини.

Рис. 2. Виміряна динаміка яркостних температур (угорі) і зміна температурного профілю в процесі релаксації після нагріву живих тканин (внизу).

Fig. 2. Measured dynamics of radiance temperatures (top) and variations in the temperature profile during relaxation subsequent to the heating of living tissues (bottom)

Процес релаксації в приповерхневих шарах починається практично відразу, в той час як у більш глибоких шарах протягом деякого часу ще триває нагрів. При цьому видно, що маленькі антени чутливі до динаміки температури приповерхневих шарів, а антени великих розмірів – відповідно до температури в шарах більшої товщини.

III. Висновок

Представлені результати показують, що розвинений однохвильові метод відновлення підповерхневого профілю температури за даними бліжнепольних вимірювань виявляється ефективним, простим і перспективним для медичних додатків з метою контролю нагрівання при лікуванні методом гіпертермії.

Робота виконана за підтримки РФФД (грант № 04-02-16120) і програми Відділення фізичних наук РАН «Проблеми радіофізики».

IV. Список літератури

[1] Gaikovich К. P.. Reznik А. N.. Vaks V. L, Yurasova N. V. Physical Review Letters, 2002, v.88, No.10, pp.104302.

[2] Гайкович К. П. Изв. ВНЗ. Радіофізика, 2003, т.46, № 4, с.268.

NEAR-FIELD MICROWAVE RADIOMETRIC TEMPERATURE MONITORING OF HEATED AND COOLED LIVING TISSUES

Altshuller G. М., Gaikovich К. P, Vaks V. L. Institute for Physics of Microstructures, RAS GSP-105, Nizhniy Novgorod – 603950, Russia phone: (8312) 675037, fax: (8312) 675553 e-mail: gai@ipm.sci-nnov.ru

I.  Introduction

Using the dependence of the shaping depth of the received thermal radio emission on the apertures of small contact probes used as antennas in microwave radiometers, the temperature profile dynamics in subcutaneous human tissues subjected to heating and cooling have been retrieved according to measured dynamics of the received signal.

II.  Main part

The equation for the received effective radiance temperature is obtained using the fluctuation-dissipation theorem for the correlation function of fluctuating currents in a lossy medium, while the reciprocity theorem is obtained in the form of equation (1), where V is the media size, E(r) is the distribution of an electrical field spectral component at the operating frequency f of the radiometer inside a lossy medium with the imaginary part

s” of the permittivity s for antennas used in active mode.

For the experiment, a human hand was heated (or cooled) in water, and temperature variations in hot (or cold) water with subsequent relaxation in the air were measured using contact antennas with sizes D = 0.5, 1, 2, and 3 cm and a radiometer at X = 31 cm. Antennas were matched both to water and living tissues (the reflection coefficient was R2 < 0.04). We consider the problem as measurements in a proximity zone at the interface of two media (z > 0, water or air; z < 0, human body). Values of deff were calculated for symmetric antennas with lateral sizes Lx=Ly=D using the known permittivity of living tissues. For measurements in the air, deff = 0.12, 0.35, 0.75, 1.08 cm for antennas with D = 0.5, 1, 2, and 3 cm respectively. Values of deff obtained in the case of measurements in water are somewhat higher (deffair = 0.85-0.90 deffWa,er).

Calculated values of deff proved to be in a quality agreement with values obtained from measurements of water half-space, and corrections based on these measurements were introduced in the effective size of antennas D. The heating and cooling processes in living tissues proved to be similar, therefore only hyperthermia results are presented here. The integral Fredholm equation of the 1st kind (1) is solved by Tikhonov’s method of generalized discrepancy. The results of measurements in water and the corresponding temperature variations profile are shown in Fig. 1. The near-surface layer is heated very quickly in the beginning, following which the temperature level changes quite slowly. The heating gradually penetrates deeper layers with a time delay that grows with increasing depths.

Similar radiometric measurements in the air and the recovery of the temperature relaxation processes in human body following a 100-second heating are presented in Fig. 2. It is evident that relaxation processes in the near-surface layer commence immediately, while with deeper layers the heating still continues for some time. Here smaller antennas are more sensitive to temperature variations in near-surface layers, while larger antennas – to temperature in deeper layers. These results could be particularly interesting for medical applications in monitoring internal body temperatures during microwave hyperthermia treatment.

III. Conclusion

In this way we may conclude that the developed single-wave technique of the subcutaneous temperature profile recovery might prove efficient for medical applications that require monitoring during hypothermia treatment.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»