肝マイクロ波焼灼（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でシミュレートし、アンテナ性能と深在性腫瘍の治療に対するデバイスの有効性を決定した。この研究は、ウシの肝臓組織内でのアンテナのリターンロスと SAR 分布を記述した、Bertram ら [1] の発表論文に基づいています。これらの結果を繰り返すだけでなく、XFの熱ソルバーを使用して、アンテナからの放射による肝臓組織の温度上昇を測定しています。
このアンテナは、他の手段では切除が難しいか不可能な腫瘍組織を焼く目的で肝臓に挿入するプローブである。アンテナは、先端付近に2つのスロットを持つ同軸線と、バランの役割を果たす銅製チョークで構成されている。アンテナ全体は誘電体カテーテルで覆われている。アンテナの CAD 表現を図 1 に示しますが、カテーテルは下の銅部品の詳細を示すために半透明になっています。図2では、XFのPrOGrid Project Optimized Griddingを使って定義したアンテナの断面図を示しています。
図1：ダブルスロットチョークアンテナのCAD図。誘電体カテーテルは内部構造が見えるように半透明で表示されている。
図2：FDTDメッシュを表示したアンテナ内部の断面図。ここでは、PrOGridによってグリッディングが決定されている。
測定された肝組織の電気パラメータは、0～20GHzの導電率と誘電率の2つのプロットとして提供された。離散データポイントはデジタル化され、XFのDispersive Material Calculator機能に入力されました。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分散材料プロファイルに変換します。入力データのメニューとプロット、およびXF材料のカーブフィットを図3に示します。
図3: 肝臓組織の周波数依存性材料のパラメータが表示されたDispersive Material Calculatorツール。肝臓の導電率と誘電率対周波数をツールに入力し、カーブフィッティングアルゴリズムを用いてXFで使用可能な分散性材料モデルを定義する。
アンテナは、同軸線を横切ってTEMモードソースを印加することで励起される。このアンテナは、Dispersive Material Calculatorで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る。シミュレーションされた形状を図4に示す。広帯域シミュレーションの結果、図5に示すように、リターンロスは設計周波数2.45GHzで許容可能な一致を示しました。
Figure 4: Shown is the entire geometry simulated, including the antenna and the surrounding liver tissue.
図5：アンテナのリターンロスは、意図した設計周波数2.45GHzで許容できる性能を示している。
アンテナ設計が検証され、2.45GHzで2回目のシミュレーションが行われ、比吸収率（SAR）データと温度上昇が計算された。SARは組織に吸収される電力量を示し、この場合は入力電力が50Wの場合です。アンテナの断面におけるSARのプロットをワット/kgのリニアスケールで図6に示す。もう1つのプロットは、5dBの変動領域を示す対数目盛りのSARについて図7に示されている。
図6：アンテナへの入力電力50Wに対する肝臓組織の比吸収率（SAR）をワット/Kgのリニアスケールで示す。吸収された電力はアンテナの放射開口部に密着している。
図7：アンテナへの入力電力50Wに対する肝臓組織の比吸収率（SAR）を対数スケールで示し、各色帯は5dBの低下を表す。
熱シミュレーションは、吸収された電力から組織の温度上昇を計算し、熱的に接続された物質間の伝導性熱伝達、血液灌流、代謝過程、および一般的なRF加熱の影響を含む。この例では、肝臓組織は非生体であるため、血液灌流と代謝過程は含まれていません。図8は、50Wの熱源による温度上昇をプロットしたもので、プローブ先端付近の強い加熱を示している。
図8：入力電力50Wにおける肝臓組織の温度上昇を示す。アンテナの先端付近で温度上昇が最大となっている。
参考
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J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, J.G. Webster, and D.M. Mahvi, "Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model,"BioMedical Engineering OnLine, 2006, 5:15.
