CC BY
31
Исследование электродов для внутриполостной микроволновой физиотерапии с экранировкой магнитного поля
Ключевые слова: коаксиальная ребристая линия, замедляющая система, резонатор, дисперсионная характеристика, волновое сопротивление.
Pассматриваются проблемы, связанные с созданием электродов для внутриполостной микроволновой физиотерапии на замедляющих системах с преимущественным сосредоточением электрического поля (экранировкой магнитного поля) в биоткани, прилегающей к поверхности электрода. Полученные в результате электродинамического анализа теоретические соотношения позволяют рассчитать изменение фазовой скорости замедленной электромагнитной волны в коаксиальной линии с ребристыми проводниками и находятся в хорошем соответствии с результатами физического эксперимента. Применение такой структуры представляет практический интерес, поскольку позволяет уменьшать ее продольные геометрические размеры при сохранении электрической длины.
Елизаров АА, д.т.н., профессор МИЭМ НИУ ВШЭ, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций; профессор МТУСИ, кафедра электроники
Шаймарданов Р.В., аспирант МИЭМ НИУ ВШЭ, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций
Электрическое поле СВЧ, создаваемое электродами в миллеметровом диапазоне волн, в настоящее время, все чаще применяются в лечебной практике. В настоящее время ведутся работы по улучшению характеристик электродов, исследуются возможности их применения для решения современных медико-биологических задач [1].
Электрическое поле СВЧ оказывает противовоспалительное действие за счет улучшения крово- и лимфообразования, дегидратации тканей и уменьшения экссудации, активирует функции соединительной ткани, стимулирует процессы клеточной пролиферации, что создает возможность ограничивать воспалительный очаг плотной соединительной капсулой. Электрическое поле СВЧ оказывает антиспастическое действие на гладкую мускулатуру желудка, кишечника, желчного пузыря, ускоряет регенерацию нервной ткани, усиливает проводимость импульсов по нервному волокну, понижает чувствительных концевых нервных рецепторов, т. е. способствует обезболиванию, уменьшает тонус капилляров, артериол, понижает артериальное давление, вызывает брадикардию. Лечение электрическим полем СВЧ показано при различных острых и хронических воспалительных процессах внутренних органов (бронхиты, гепатиты, холециститы, пневмонии), опорно-двигательного аппарата, уха, горла, носа (ангины, отиты), периферической нервной системы (невриты), женской половой сферы, урологии, при дистрофических процессах.
Исследуемый электрод был смоделирован в пользовательской программе компании АпбоЙ НР88 у.12 (рис.1). Для рабочей частоты 2450 МГц, общая длина электрода была выбрана равной 30 мм, диаметр электрода — 12 мм. Количество ребер, укладывающихся на данной длине, при равенстве ширины ребра и расстояния между ними, выбрано равным восьми.
В ходе анализа данного электрода была проведена работа по созданию компьютерной модели предстательной железы, включающая в себя все основные биологические параметры данного органа и соответствующая геометрическим параметрам среднестатистического мужчины в возрасте 40 лет (рис. 2).
Рис. 1. Модель электрода с продольно проводящим экраном в программе АпбоЛ НР55 у.12
Рис. 2. Модель предстательной железы
Анализ результатов компьютерного моделирования и полученного аналитически дисперсионного уравнения с учетом особенностей проведения терапии показывают, что управляя распределением электромагнитного поля и диэлектрической проницаемостью среды в пространстве между ребристым стержнем и экраном, можно добиться требуемого коэффициента замедления при заданной рабочей частоте электрода, что, в свою очередь, позволяет использовать предложенную структуру для эффективного терапевтического лечения заболеваний простаты.
Однако, в настоящее время широко распространены СВЧ электроды на спиральных замедляющих систамах, которые обладают малыми габаритными размерами, что является конкурентным преимуществом в вопросах физиотерапии внутреполостных органов. Несмотря на очевидные преимущества таких электродов и излучателей,
они имеют и отдельные недостатки. Так равномерное распределение излучения по поперечному сечению электрода не позволяет оказывать локальное воздействие на определенный орган (например, на предстательную железу). Другим недостатком является малая эффективность излучения, вызванная наличием воздушного зазора между внешним проводником излучателя и поверхностью облучаемого участка тела пациента, а также высокой индуктивность витков спиральной замедляющей системы.
Компенсировать указанные недостатки удается заменив спиральный проводник ребристым стержнем [2, 3]. При этом некоторое уменьшение коэффициента замедления приводит к пропорциональному снижению излучения в азимутальном направлении. На рис.З показано два варианта выполнения такого излучателя, отличющиеся конструкцией внешнего экрана. Первая конструкция экрана выполнена в виде секторного цилиндра с продольными щелями, симметрично расположенными по образующим, а вторая - в виде цилиндра с продольным щелевым разрезом, угол раскрыва которого равномерно увеличивается от нуля со стороны коаксиального ввода до угла 180-360" на рабочем конце излучателя.
Обобщенный вид дисперсионного уравнения коаксиальной линии с ребристыми проводниками впервые получен в работе [4]:
11(сг) + --1„(сг)ЬсЦск,,рк1) /,(вг)+ Т Е-1и(ат)Ьс1(акх,Ькх)
к. є,
к, є.
К,(сг)~- — К„(ст)ЬсЦск,,рк,) К,(аг)-- - — К„(ат)Ьс!{ак^Ьк,) к| ег к, є,
(1)
где Ьс1(х,у) =
разностный котан-
•*,(хЩ(у) - Н0(х^0(у) гене; р - фазовая постоянная, связанная с поперечной постоянной г и волновым числом к соотношением: /)2 =т2 + к\.
Указанная задача решалась электродинамическим методом сшивания проводимостей для случая возбуждения в коаксиальной линии с внутренним и внешним ребристыми проводниками аксиально - симметричной волны Е-типа. Учитывалось также, что длина волны в линии значительно превышает толщину ребер и расстояние между ними. Это позволило использовать импедансное приближение и эквивалентные (усредненные) граничные условия на поверхностях проводников [5]. Толщина ребер считалась бесконечно малой.
С учетом упрощений дисперсионное уравнение (1) приобретает вид:
-Ребристый стержень ' Экран Диэлектрический
Рис. 3. Варианты внутриполостного излучателя для урологии
Наличие продольных щелей или щелевого разреза у внешнего проводника приводит к росту волнового сопротивления излучателя с увеличением углового размера щели. При этом равномерное увеличение угла раскрыва позволяет обеспечить плавное изменение волнового сопротивления излучателя, что с учетом поглощения волны в тканях тела обеспечивает его хорошее согласование с генератором. Поскольку внешний проводник оказывает экранирующее действие, интенсивность излучения неравномерна по окружности и длине излучателя. Вне зависимости от величины углового размера продольной щели, интенсивность излучения максимальна в плоскости симметрии, проходящей через ее середину. Это позволяет, выбирая закон изменения размера щели, получать требуемое распределение интенсивности электромагнитного поля, как по окружности, гак и по длине излучателя.
Наличие зазора между внешним проводником резонатора и поверхностью облучаемого участка тела пациента может приводить к существенному уменьшению интенсивности излучения, вызванному как резким спадом амплитуды поля электромагнитной волны от поверхности внешнего проводника, так и экранирующим действием поверхности тела. При заполнении внутреннего пространства излучателя многослойной диэлектрической средой с линейно уменьшающимся от поверхности ребристого стержня до поверхности секторного цилиндра волновым сопротивлением, достигается его согласование с телом пациента, что увеличивает эффективность облучения.
1-Д(сф,
Л
1 -г^(аг)у3
=<ри(ат,сг)
1+Гу(сф,
. I .
1+Д(аг)я
(2)
В общем случае дисперсионное уравнение (2) имеет два решения - для синфазного и противофазного возбуждения волн. Для упрощения последующего анализа введем коэффициенты: Л|=_!_^(СГ); д1=_!_/!_(дГ).
УI Уз Л>
С их учетом дисперсионное уравнение преобразуется к квадратному уравнению и приобретает вид
(3)
К 1 -<рж 1 +фъ
Решение уравнения (3) может быть записано следующим образом:
Я|(1+0>и,) + Яз(1 + 9>„і) 2(1 — ^00 )
I 4/?,/гз(1-у„) V [Л,(1+^,о) +Л.
- Ч>И XI)
(1+Роі )Г
В этом случае при сильной связи между электродами и противофазном возбуждении получим:
г Я, (1 +<р[а)+ Л, (1 + ?>01) /?,/?,(!—«?,,)
1 - Р.»
а для синфазного возбуждения
г /?|/?3(1-^ц)
к, /?| (I + (рю) + /?3( 1 + <рт)
Я|(1 + <Р,0) + Я.і(1 + <Рп\ )
(4)
(5)
Из формул (4) и (5) следует, что противофазному возбуждению соответствует большее значение фазовой постоянной.
с результатами физического эксперимента. Применение такой структуры представляет практический интерес, поскольку позволяет уменьшать ее продольные геометрические размеры при сохранении электрической длины.
Литература
1. Системы комплексной электромагнитотерапии / под ред. А.М. Беркутова, В.И. Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. -М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000. - 376 с.
2. Елизаров А.А. Исследование электрода для трансуретральной микроволновой термотерапии на основе замедляющей системы типа коаксиальный ребристый стержень / А.А. Елизаров, Р.В. Шаймарданов // Труды LXVII Научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 2012. -С.369-372.
3. Елизаров А.А. Исследование электрода на основе коаксиальной ребристой линии для лечения доброкачественной гиперплазии простаты / А.А. Елизаров, Р.В. Шаймарданов, Д.А. Нестерова // Медицинская физика и инновации в медицине: материалы V Троицкой конф. ТКМФ-5. Троицк, 2012. -Т.2. С.294-296.
4. Пчельников Ю.Н. Коаксиальная линия с ребристыми электродами. - М.: Изд.-во МИЭМ, 1985. - 19 с.
5. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. - М.: Радио и связь, 2002. - 200 с.
6. Елизаров А.А. Технологические процессы и устройства на замедленных электромагнитных волнах: современное состояние и тенденции развития // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 1998. -Т.1. №1. — С.41-49.
Research electrodes for intracavty microwave physiotherapy with shielding of a magnetic field research
Yelizarov A.A., Shaymardanov R.V.
Abstract
In this work the problems to creation of electrodes for intracavity microwave physiotherapy on slow wave structures to advantage concentration of an electrical field (by shielding of a magnetic field) in contiguous to a surface of an electrode of a biotissue are considered. Received as a result of electrodynamic analysis of the theoretical ratio allow to calculate the change of the phase velocity of a slow electromagnetic wave in a coaxial line with ribbed conductors and are in good agreement with the results of the physical experiment. The application of such a structure is of practical interest, because it allows to reduce its longitudinal geometrical sizes while maintaining the electrical length.
Keywords: coaxial ridge line, slow wave system, resonator, dispersing characteristic, wave impedance.
Полученные теоретические соотношения качественно подтверждаются результатами физического эксперимента. На рис.4, показаны теоретические и экспериментальные зависимости коэффициента замедления от частоты при различном заполнении внутренней области между ребристыми электродами диэлектрической средой с различной относительной диэлектрической проницаемостью. При этом экспериментальная кривая для структуры с воздушным заполнением имеет несколько большие значения, чем теоретическая, что объясняется незначительной погрешностью полученных аналитических соотношений.
О ЮО 200 300 400 / МГц
Рис. 4. Сравнение теоретических и экспериментальных дисперсионных характеристик коаксиальной ребристой линии
Таким образом, полученные в результате электродинамического анализа теоретические соотношения позволяют рассчитать изменение фазовой скорости замедленной электромагнитной волны в коаксиальной линии с ребристыми проводниками и находятся в хорошем соответствии
