熱アブレーション用プローブのアンテナ性能シミュレーション

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肝マイクロ波アブレーション (腫瘍治療) 用に開発されたダブルスロットチョークアンテナを XFdtd でシミュレーションし, アンテナ性能と深部腫瘍治療装置の有効性を確認した.この調査は、バートラム et が発表した論文に基づいています。[1] ウシ肝組織におけるアンテナのリターンロスと SAR 分布を説明した。これらの結果を繰り返すことに加えて、XF の熱ソルバーは、アンテナからの放射によって引き起こされる肝臓組織の温度上昇を決定するために使用されます。

アンテナは、他の手段によって除去することが困難または不可能である腫瘍組織を燃焼させる目的で肝臓に挿入することを意図したプローブである。アンテナは先端の近くの2つのスロットが付いている同軸線およびバランとして作用する銅のチョークから成っている。アンテナ全体が誘電体カテーテルで覆われています。アンテナの CAD 表現は図1に示されており、ここではカテーテルは半透明であり、以下の銅部品の詳細を示す。図2では、XF で最適化されたグリッディング PrOGrid プロジェクトを使用して定義されたアンテナの断面図が示されています。

図 1: ダブルスロットのチョークアンテナの CAD 表現を示します。誘電性のカテーテルは内部構造の観覧を可能にするために半透明示される。

図 2: アンテナ内部の断面図は、表示されている FDTD メッシュで示されています。ここでグリッディングは PrOGrid によって決定される。

 

測定された肝臓組織電気パラメータは、0から 20 GHz までの導電率および誘電率の2つのプロットとして提供した。離散データポイントがデジタル化され、XF の分散材料電卓機能に入力しました。このツールは、測定された導電率と誘電率を、電磁界シミュレーションで使用するための分散材料プロファイルに変換します。図3に、入力データのメニューとプロット、および XF マテリアルの結果として得られるカーブを示します。

図 3: 分散材料電卓ツールは、表示される肝臓組織の周波数依存材料のパラメータで示されています。肝臓の導電率と誘電率は、ツールに入力され、XF で使用可能な分散材料モデルは、曲線フィッティングアルゴリズムを使用して定義されています。

 

図 3: 分散材料電卓ツールは、表示される肝臓組織の周波数依存材料のパラメータで示されています。肝臓の導電率と誘電率は、ツールに入力され、XF で使用可能な分散材料モデルは、曲線フィッティングアルゴリズムを使用して定義されています。

このアンテナは、同軸線路に TEM モードソースを適用することによって励起される。その後、分散材料電卓によって定義されたパラメータを持つ肝臓組織のブロックの中心に配置されます。シミュレートされたジオメトリを図4に示します。広帯域シミュレーションに続いて、図5に示すように、リターンロスは 2.45 GHz の設計周波数で許容可能な一致を示します。

図4は、アンテナと周囲の肝臓組織を含む、シミュレートされたジオメトリ全体を示しています。

図 5: アンテナのリターンロスは 2.45 GHz の意図された設計周波数で許容可能な性能を示します。

 

アンテナの設計が検証されると、2つ目のシミュレーションが 2.45 GHz で行われ、特定の吸収率 (SAR) データと温度上昇が計算されます。SAR は、この場合、入力電力の 50 W のために、組織に吸収される電力の量を示しています。アンテナの断面における SAR のプロットは、ワット/kg の線形スケールで図6に示されています。2番目のプロットは、5 dB の変動領域を示す対数スケールの SAR について図7に示されています。

図 6:50 W のための肝臓組織における比吸収率 (SAR) は、アンテナへの入力電力がワット/Kg の線形スケールで示されている。吸収されたパワーはアンテナの放射開口部にしっかりと結合している

図 7:50 W のための肝臓組織における比吸収率 (SAR) アンテナへの入力電力は、各カラーバンドが 5 dB のドロップを表す対数スケールで示されています。

 

熱シミュレーションは、吸収された力から組織内の温度上昇を計算し、熱的に接続した材料、血液灌流、代謝プロセス、および一般的な RF 加熱の間の伝導性熱伝達の影響を含みます。この例では、肝臓組織は非生きているので、血液灌流および代謝プロセスは含まれていません。50 W 源からの温度上昇は図8にプロットされ、プローブの先端付近で激しい加熱を示しています。

図 8:50 W の入力電力に対する肝臓組織の温度上昇が示されている。最大温度上昇は、アンテナの先端付近に表示されます。

 

参照

  1. J.M. バートラム、ヤン、司会、J.G. ウェブスター、D.M. Mahvi、「軸対称電磁モデルを用いたマイクロ波肝切除のためのアンテナ設計」 医用生体工学オンライン、2006、5:15。