Antennenleistungssimulation einer Sonde für die thermische Ablation

Kontaktieren Sie den Remcom-Support bezüglich der Projektdateien für dieses Beispiel, indem Sie hier klicken.

Eine für die hepatische Mikrowellenablation (Tumorbehandlung) entwickelte Doppelschlitzdrosselantenne wird in XFdtd simuliert, um die Antennenleistung und die Wirksamkeit der Vorrichtung zur Behandlung von tief sitzenden Tumoren zu bestimmen. Die Studie basiert auf dem veröffentlichten Papier von Bertram et. al. [1], die die Rückflussdämpfung und SAR-Verteilung der Antenne im Rinderlebergewebe beschreibt. Zusätzlich zur Wiederholung dieser Ergebnisse wird der thermische Löser von XF verwendet, um den Temperaturanstieg des Lebergewebes durch die Strahlung der Antenne zu bestimmen.

Die Antenne ist eine Sonde, die in eine Leber eingeführt werden soll, um Tumorgewebe zu verbrennen, das mit anderen Mitteln schwer oder unmöglich zu entfernen ist. Die Antenne besteht aus einer Koaxialleitung mit zwei Schlitzen in der Nähe der Spitze und einer Kupferdrossel, die als Balun wirkt. Die gesamte Antenne ist mit einem dielektrischen Katheter abgedeckt. Die CAD-Darstellung der Antenne ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei der Katheter halbtransparent ist, um das Detail der untenstehenden Kupferteile zu zeigen. In Abbildung 2 ist eine Querschnittsansicht der Antenne dargestellt, wie sie mit PrOGrid Project Optimized Gridding in XF definiert ist.

Abbildung 1: Gezeigt ist die CAD-Darstellung der Doppelschlitz-Drosselantenne. Der dielektrische Katheter ist halbtransparent dargestellt, um den Blick auf die innere Struktur zu ermöglichen.

Abbildung 2: Eine Querschnittsansicht des Antenneninneren wird mit dem angezeigten FDTD-Netz dargestellt. Hier wird das Raster von PrOGrid bestimmt.

 

Die gemessenen elektrischen Parameter des Lebergewebes wurden als zwei Diagramme mit Leitfähigkeit und Permittivität von 0 bis 20 GHz bereitgestellt. Die diskreten Datenpunkte wurden digitalisiert und in die Funktion des Dispersionsmaterialrechners in XF eingegeben. Dieses Tool wandelt die gemessene Leitfähigkeit und Permittivität in ein dispersives Materialprofil für die Verwendung in der elektromagnetischen Simulation um. Das Menü und die Diagramme der Eingangsdaten und die daraus resultierende Kurvenanpassung für ein XF-Material sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Das Tool Dispersionsmaterial-Rechner wird mit den Parametern des frequenzabhängigen Materials für das dargestellte Lebergewebe dargestellt. Die Leitfähigkeit der Leber und die Permittivität in Abhängigkeit von der Frequenz werden in das Werkzeug eingegeben und ein in XF verwendbares dispersives Materialmodell wird mit Hilfe eines Kurvenanpassungsalgorithmus definiert.

 

Abbildung 3: Das Tool Dispersionsmaterial-Rechner wird mit den Parametern des frequenzabhängigen Materials für das dargestellte Lebergewebe dargestellt. Die Leitfähigkeit der Leber und die Permittivität in Abhängigkeit von der Frequenz werden in das Werkzeug eingegeben und ein in XF verwendbares dispersives Materialmodell wird mit Hilfe eines Kurvenanpassungsalgorithmus definiert.

Die Antenne wird durch Anlegen einer TEM-Modus-Quelle über die Koaxialleitung angeregt. Es wird dann in die Mitte eines Lebergewebsblocks mit den vom Dispersionsmaterial-Rechner definierten Parametern platziert. Die simulierte Geometrie ist in Abbildung 4 dargestellt. Nach einer Breitbandsimulation zeigt die Rückflussdämpfung eine akzeptable Übereinstimmung bei der Entwurfsfrequenz von 2,45 GHz, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 4: Gezeigt wird die gesamte simulierte Geometrie, einschließlich der Antenne und des umgebenden Lebergewebes.

Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für die Antenne zeigt eine akzeptable Leistung bei der beabsichtigten Auslegungsfrequenz von 2,45 GHz.

 

Mit der Validierung des Antennendesigns wird eine zweite Simulation bei 2,45 GHz durchgeführt und die SAR-Daten (Specific Absorption Rate) und der Temperaturanstieg berechnet. Der SAR-Wert gibt die Menge der im Gewebe aufgenommenen Leistung an, in diesem Fall für 50 W Eingangsleistung. Ein Diagramm des SAR im Querschnitt der Antenne ist in Abbildung 6 in einem linearen Maßstab von Watt/kg dargestellt. Ein zweites Diagramm ist in Figur 7 für die SAR in einer logarithmischen Skala mit 5 dB Variationsbereichen dargestellt.

Abbildung 6: Die spezifische Absorptionsrate (SAR) im Lebergewebe für 50 W Eingangsleistung zur Antenne wird in einer linearen Skala von Watt / kg dargestellt. Die aufgenommene Leistung ist fest mit den Strahlungsöffnungen der Antenne verbunden.

Abbildung 7: Die spezifische Absorptionsrate (SAR) im Lebergewebe für 50 W Eingangsleistung zur Antenne wird in einer logarithmischen Skala dargestellt, wobei jedes Farbband einen Abfall von 5 dB darstellt.

 

Die thermische Simulation berechnet den Temperaturanstieg im Gewebe aus der aufgenommenen Leistung und berücksichtigt die Auswirkungen des leitfähigen Wärmeübergangs zwischen thermisch verbundenen Materialien, der Blutdurchblutung, Stoffwechselprozessen und der allgemeinen HF-Erwärmung. In diesem Beispiel ist das Lebergewebe nicht lebendig, so dass die Blutdurchblutung und die Stoffwechselprozesse nicht berücksichtigt werden. Der Temperaturanstieg von der 50-W-Quelle ist in Abbildung 8 dargestellt und zeigt eine starke Erwärmung in der Nähe der Spitze der Sonde.

Abbildung 8: Der Temperaturanstieg im Lebergewebe für 50 W Eingangsleistung ist dargestellt. Die maximale Temperaturerhöhung erscheint in der Nähe der Spitze der Antenne.

 

Referenz

  1. J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, J.G. Webster und D.M. Mahvi, "Antennendesign für die mikrowellenhepatische Ablation mit einem achsensymmetrischen elektromagnetischen Modell". BioMedizinische Technik OnLine, 2006, 5:15.