[논문 리뷰] Tissue Temperature Distributions for Different Frequencies derived from Interstitial Microwave Hyperthermia

P. Gaś|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Ultrasound and Hyperthermia Applications참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 코axial-slot 안테나를 사용하여 생체 조직 내에서의 온도 분포를 모델링하여 간섭성 마이크로파 하이퍼터미아를 수행한다. TM 모드 파동 방정식과 펜스의 생체열 방정식을 해결한다. 결과적으로 915 MHz가 깊은 조직에서 가장 균일하고 효과적인 가열을 제공하는 것으로 나타났으며, 2.45 GHz는 표면 가열에 더 유리하고, 5.8 GHz는 에너지 감쇠가 급격하여 침투 깊이가 제한된다.

ABSTRACT

The aim of this study was to evaluate and compare temperature distributions for different tissues being treated at the time of interstitial microwave hyperthermia. A coaxial-slot antenna implemented into the tissue is the source of microwave radiation. The described model takes into account the wave equation for the TM mode and the Pennes equation determining the temperature distribution within the tissue in the stationary case. The simulation results for the three fundamental microwave frequencies of tissue heating devices are presented.

연구 동기 및 목표

• 간섭성 마이크로파 하이퍼터미아 동안 다양한 조직 내 온도 분포를 평가하고 비교하기.
• 마이크로파 주파수가 생체 조직 내 열 침투 및 분포에 미치는 영향을 평가하기.
• 실제 조직 환경에서 코어-슬롯 안테나를 사용하여 전자기장 및 열 거동을 모델링하기.
• 열 분포 및 침투 깊이 기반으로 깊은 조직 하이퍼터미아에 최적의 주파수를 결정하기.
• 펜스 생체열 방정식과 파동 전파 모델을 사용하여 하이퍼터미아 치료의 열 결과를 예측하는 계산 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 코어-슬롯 안테나를 조직에 삽입된 마이크로파 소스로 모델링한다.
• 조직 내 에너지 부여 프로파일을 결정하기 위해 TM 모드 전자기파 방정식을 해결한다.
• 조직 내 정상 상태 온도 분포를 계산하기 위해 펜스 생체열 방정식을 사용한다.
• 유한 요소 방법(FEM)을 사용하여 결합된 전자기 및 열 방정식을 수치적으로 해결한다.
• 세 가지 표준 마이크로파 주파수(915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz)에 대해 시뮬레이션을 수행한다.
• 유전율, 전도도, 순환율 및 혈액 순환률과 같은 조직 특성을 모델에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 마이크로파 주파수가 생체 조직 내 온도 분포의 깊이와 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 간섭성 마이크로파 하이퍼터미아에서 주파수와 열 침투 깊이 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 코어-슬롯 안테나 구성이 마이크로파 에너지의 공간 분포 및 해당 온도 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 깊은 조직에 위치한 종양 치료에 가장 유리한 열 분포를 제공하는 주파수는 무엇인가?
• RQ5 조직 순환율이 다양한 마이크로파 주파수에서의 온도 상승에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 915 MHz에서 온도 분포는 가장 균일하고 깊은 침투를 보이며, 깊은 조직에 위치한 종양 치료에 적합하다.
• 2.45 GHz에서는 가열이 더 국소화되어 중간 정도의 침투 깊이를 보이며, 표면 또는 중간 깊이의 목표물에 대한 제어가 더 우수하다.
• 5.8 GHz에서는 에너지 부여가 매우 표면에 집중되어 급격한 감쇠와 제한된 침투 깊이를 보이며, 높은 표면 온도와 낮은 깊은 조직 가열을 초래한다.
• 모델은 더 높은 주파수일수록 안테나 근처에서 온도 기울기가 급격해져 주변 건강한 조직에 열 손상의 위험이 증가함을 예측한다.
• 915 MHz 주파수에서는 더 넓고 균일한 열장이 생성되어 핫스팟을 최소화하고 치료의 안전성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 임상적 기대와 일치하며, 915 MHz가 깊은 하이퍼터미아에 최적임을 확인하고, 2.45 GHz는 국소 치료에 더 적합함을 입증한다.