Eine Doppelschlitz-Drosselantenne, die für die hepatische Mikrowellenablation (Tumorbehandlung) entwickelt wurde, wird in XFdtd simuliert, um die Antennenleistung und die Wirksamkeit des Geräts bei der Behandlung tiefliegender Tumore zu bestimmen. Die Studie basiert auf der veröffentlichten Arbeit von Bertram et. al. [1], in der die Rückflussdämpfung und die SAR-Verteilung der Antenne im Rinderlebergewebe beschrieben wurden. Zusätzlich zur Wiederholung dieser Ergebnisse wird der thermische Solver von XF verwendet, um den durch die Strahlung der Antenne verursachten Temperaturanstieg des Lebergewebes zu bestimmen.
Bei der Antenne handelt es sich um eine Sonde, die in die Leber eingeführt wird, um Tumorgewebe zu verbrennen, das mit anderen Mitteln nur schwer oder gar nicht entfernt werden kann. Die Antenne besteht aus einer Koaxialleitung mit zwei Schlitzen in der Nähe der Spitze und einer Kupferdrossel, die als Balun fungiert. Die gesamte Antenne ist mit einem dielektrischen Katheter abgedeckt. Die CAD-Darstellung der Antenne ist in Abbildung 1 zu sehen, wobei der Katheter halbtransparent ist, um die Details der darunter liegenden Kupferteile zu zeigen. In Abbildung 2 ist ein Querschnitt der Antenne dargestellt, wie er mit PrOGrid Project Optimized Gridding in XF definiert wurde.
Abbildung 1: Dargestellt ist die CAD-Darstellung der Doppelschlitz-Drosselantenne. Der dielektrische Katheter ist halbtransparent dargestellt, um den Blick auf die innere Struktur zu ermöglichen.
Bild 2: Ein Querschnitt durch das Innere der Antenne wird mit dem FDTD-Netz dargestellt. Hier wird das Gitter durch PrOGrid bestimmt.
Die gemessenen elektrischen Parameter des Lebergewebes wurden als zwei Diagramme der Leitfähigkeit und Permittivität von 0 bis 20 GHz dargestellt. Die diskreten Datenpunkte wurden digitalisiert und in die Funktion "Dispersive Material Calculator" in XF eingegeben. Dieses Tool konvertiert die gemessene Leitfähigkeit und Permittivität in ein dispersives Materialprofil zur Verwendung in der elektromagnetischen Simulation. Das Menü und die Diagramme der Eingabedaten und der resultierenden Kurvenanpassung für ein XF-Material sind in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3: Das Tool Dispersive Material Calculator wird mit den Parametern des frequenzabhängigen Materials für das Lebergewebe angezeigt. Die Leitfähigkeit und Permittivität der Leber in Abhängigkeit von der Frequenz werden in das Tool eingegeben, und ein in XF verwendbares dispersives Materialmodell wird mithilfe eines Algorithmus zur Kurvenanpassung definiert.
Die Antenne wird durch Anlegen einer TEM-Mode-Quelle an die Koaxialleitung angeregt. Anschließend wird sie in der Mitte eines Lebergewebsblocks platziert, wobei die Parameter mit dem Dispersive Material Calculator definiert werden. 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: Dargestellt ist die gesamte simulierte Geometrie, einschließlich der Antenne und des umgebenden Lebergewebes.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung der Antenne zeigt eine akzeptable Leistung bei der vorgesehenen Entwurfsfrequenz von 2,45 GHz.
Nach der Validierung des Antennendesigns wird eine zweite Simulation bei 2,45 GHz durchgeführt und die Daten der spezifischen Absorptionsrate (SAR) sowie der Temperaturanstieg werden berechnet. Die SAR gibt die Menge der im Gewebe absorbierten Leistung an, in diesem Fall für 50 W Eingangsleistung. Eine Darstellung der SAR im Querschnitt der Antenne ist in Abbildung 6 in einer linearen Skala von Watt/kg dargestellt. Eine zweite Darstellung ist in Abbildung 7 für die SAR in einer logarithmischen Skala zu sehen, die Bereiche mit 5 dB Abweichung zeigt.
Abbildung 6: Die spezifische Absorptionsrate (SAR) im Lebergewebe für 50 W Eingangsleistung in die Antenne ist in einer linearen Skala von Watt/Kg dargestellt. Die absorbierte Leistung ist eng an die Strahlungsöffnungen der Antenne gebunden
Abbildung 7: Die spezifische Absorptionsrate (SAR) im Lebergewebe bei einer Eingangsleistung von 50 W für die Antenne ist in einer logarithmischen Skala dargestellt, wobei jedes Farbband eine Abnahme um 5 dB darstellt.
Die thermische Simulation berechnet den Temperaturanstieg im Gewebe auf der Grundlage der absorbierten Leistung und berücksichtigt die Auswirkungen der konduktiven Wärmeübertragung zwischen thermisch verbundenen Materialien, der Durchblutung, der Stoffwechselprozesse und der allgemeinen HF-Erwärmung. In diesem Beispiel ist das Lebergewebe nicht lebendig, so dass die Blutperfusion und die Stoffwechselprozesse nicht berücksichtigt werden. Der Temperaturanstieg der auf 50 W Eingangsleistung eingestellten Quelle ist in Abbildung 8 dargestellt und zeigt eine starke Erwärmung in der Nähe der Sondenspitze.
Abbildung 8: Dargestellt ist der Temperaturanstieg im Lebergewebe bei einer Eingangsleistung von 50 W. Der maximale Temperaturanstieg tritt in der Nähe der Antennenspitze auf.
Referenz
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J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, J.G. Webster, und D.M. Mahvi, "Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model," BioMedical Engineering OnLine, 2006, 5:15.
