Дослідження мікрохвильового радіотермометрії для моніторингу внутрішньої температури біологічних тканин
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176357Ключові слова:
мікрохвильова радіотермометрія, моніторинг температури, медичний радіотермометр, радіояркістна температура, медична робототехніка, друкована антенаАнотація
В даний час зростає інтерес фахівців до використання неінвазивних бездозових технологій для діагностики та моніторингу лікування різних захворювань. Мікрохвильова радіотермометрія дозволяє неінвазивно виявляти теплові аномалії внутрішніх тканин організму людини. Розглянуто сучасний рівень розвитку методу мікрохвильової радіотермометрії, що дозволяє неінвазивно виявляти на ранніх стадіях злоякісні новоутворення за характеристиками власних радіотеплових полів людини. Для більш широкого впровадження методу необхідно подолання ряду науково-технічних бар'єрів, що перешкоджають його розвитку. Для цього в першу чергу необхідно забезпечити мініатюризацію використовуваної апаратури.
Виконано аналітичний огляд сучасного стану розробок в області медичних радіотермометрів. Важливим напрямком досліджень є мініатюризація апаратури. Показано, що застосування запропонованої схеми побудови балансного нуль-радіотермометра з ковзаючою схемою компенсацією відображення з двома узгодженими навантаженнями дозволить створити мініатюрний високостабільний радіотермометр. Похибка вимірювання даного приладу не залежить від температури навколишнього середовища, власної температури приладу і імпедансу досліджуваної області тіла. Розглянуто процедуру калібрування приладу і виконано розрахунки шумових сигналів. Наведено результати експериментальної верифікації правильності вибору побудови схеми мініатюрного радіотермометру. Введення термокомпенсації дозволило знизити похибку вимірювання, пов'язану з нагріванням приладу до 0,2 °С, при зміні власної температури радіотермометрії на 20 °С. Показано, що радіотермометр, який працює в смузі частот 3,4–4,2 ГГц, може використовуватися для виявлення різних захворювань і контролю внутрішньої температури тканин в процесі лікування. Після введення автономного живлення і бездротового зв'язку зі смартфоном, мініатюрний радіотермометр можна буде використовувати як переносний пристрій для моніторингу температури внутрішніх тканин в процесі життєдіяльності людини
Посилання
Vesnin, S., Turnbull, A. K., Dixon, J. M., Goryanin, I. (2017). Modern Microwave Thermometry for Breast Cancer. Journal of Molecular Imaging & Dynamics, 7 (2). doi: https://doi.org/10.4172/2155-9937.1000136
Sedankin, M. K., Leushin, V. Y., Gudkov, A. G., Vesnin, S. G., Sidorov, I. A., Agasieva, S. V., Markin, A. V. (2018). Mathematical Simulation of Heat Transfer Processes in a Breast with a Malignant Tumor. Biomedical Engineering, 52 (3), 190–194. doi: https://doi.org/10.1007/s10527-018-9811-2
Cheboksarov, D. V., Butrov, A, V., Shevelev, O. A., Amcheslavsky, V. G., Pulina, N. N., Buntina, M. A., Sokolov, I. M. (2015). Diagnostic opportunities of noninvasive brain thermomonitoring. Anesteziologiia i reanimatologiia, 60 (1), 66–69.
Toutouzas, K., Benetos, G., Koutagiar, I., Barampoutis, N., Mitropoulou, F., Davlouros, P. et. al. (2017). Noninvasive detection of increased carotid artery temperature in patients with coronary artery disease predicts major cardiovascular events at one year: Results from a prospective multicenter study. Atherosclerosis, 262, 25–30. doi: https://doi.org/10.1016/j.atherosclerosis.2017.04.019
Drakopoulou, M., Moldovan, C., Toutouzas, K., Tousoulis, D. (2018). The role of microwave radiometry in carotid artery disease. Diagnostic and clinical prospective. Current Opinion in Pharmacology, 39, 99–104. doi: https://doi.org/10.1016/j.coph.2018.02.008
Zampeli, E., Raftakis, I., Michelongona, A., Nikolaou, C., Elezoglou, A., Toutouzas, K. et. al. (2013). Detection of Subclinical Synovial Inflammation by Microwave Radiometry. PLoS ONE, 8 (5), e64606. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0064606
Crandall, J. P., O, J. H., Gajwani, P., Leal, J. P., Mawhinney, D. D., Sterzer, F., Wahl, R. L. (2018). Measurement of Brown Adipose Tissue Activity Using Microwave Radiometry and18F-FDG PET/CT. Journal of Nuclear Medicine, 59 (8), 1243–1248. doi: https://doi.org/10.2967/jnumed.117.204339
Kublanov, V. S., Borisov, V. I. (2017). Biophysical Evaluation of Microwave Radiation for Functional Research of the Human Brain. IFMBE Proceedings, 1045–1048. doi: https://doi.org/10.1007/978-981-10-5122-7_261
Groumpas, E., Koutsoupidou, M., Karanasiou, I., Papageorgiou, C., Uzunoglu, N. (2019). Real-time Passive Brain Monitoring System Using Near-Field Microwave Radiometry. IEEE Transactions on Biomedical Engineering.
Tarakanov, A. V., Efremov, V. V., Tarakanov, A. A. (2016). Perspectives of microwave radiometry application at dorsopathy in hospital department of the emergency medical care. Emergency medical care, 1, 64–68.
Ravi, V. M., Sharma, A. K., Arunachalam, K. (2019). Pre‐Clinical Testing of Microwave Radiometer and a Pilot Study on the Screening Inflammation of Knee Joints. Bioelectromagnetics, 40 (6), 402–411. doi: https://doi.org/10.1002/bem.22203
Zamechnik, T. V., Larin, S. I., Losev, A. G. (2015). Kombinirovannaya radiotermometriya kak metod issledovaniya venoznogo krovoobrashcheniya nizhnikh konechnostey [Combined Radio Thermometry as a Method of Investigating of Venous Circulation of the Lower Limbs]. Volgograd: Izd-vo VolgGMU, 252.
Zinovyev, S. V. (2018). New Medical Technology – Functional Microwave Thermography: Experimental Study. KnE Energy, 3 (2), 547. doi: https://doi.org/10.18502/ken.v3i2.1864
Khashukoeva, A. Z., Tsomaeva, E. A., Vodianyk, N. D. (2012). Zastosuvannia transabdomynalnoi i vahinalnoi radiotermometriyi v kompleksniy diahnostytsi zapalnykh zakhvoriuvan prydatkiv matky. Likuvannia ta profilaktyka, 1, 26–30.
Kaprin, A. D., Kostin, A. A., Andryukhin, M. I., Ivanenko, K. V., Popov, S. V., Shegai, P. V. et. al. (2019). Microwave Radiometry in the Diagnosis of Various Urological Diseases. Biomedical Engineering, 53 (2), 87–91. doi: https://doi.org/10.1007/s10527-019-09883-3
Snow, B. W., Arunachalam, K., De Luca, V., Maccarini, P. F., Klemetsen, Ø., Birkelund, Y. et. al. (2011). Non-invasive vesicoureteral reflux detection: Heating risk studies for a new device. Journal of Pediatric Urology, 7 (6), 624–630. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpurol.2011.05.005
Ivanov, Y., Kozlov, A. F., Galiullin, R. A., Tatur, V. Y., Ziborov, V. S., Ivanova, N. D. et. al. (2018). Use of Microwave Radiometry to Monitor Thermal Denaturation of Albumin. Frontiers in Physiology, 9. doi: https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00956
Ivanov, Y. D., Kozlov, A. F., Malsagova, К. А., Pleshakova, Т. О., Vesnin, S. G., Tatur, V. Y. et. al. (2016). Monitoring of microwave emission of HRP system during the enzyme functioning. Biochemistry and Biophysics Reports, 7, 20–25. doi: https://doi.org/10.1016/j.bbrep.2016.05.003
Toutouzas, K., Synetos, A., Nikolaou, C., Stathogiannis, K., Tsiamis, E., Stefanadis, C. (2012). Microwave radiometry: a new non-invasive method for the detection of vulnerable plaque. Cardiovascular diagnosis and therapy, 2 (4), 290–297. doi: http://doi.org/10.3978/j.issn.2223-3652.2012.10.09
Tikhomirov, V. G., Gudkov, A. G., Agasieva, S. V., Gorlacheva, E. N., Shashurin, V. D., Zybin, A. A. et. al. (2017). The sensitivity research of multiparameter biosensors based on HEMT by the mathematic modeling method. Journal of Physics: Conference Series, 917, 042016. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/4/042016
Parnes, Y. M., Tikhomirov, V. G., Petrov, V. A., Gudkov, A. G., Marzhanovskiy, I. N., Kukhareva, E. S. et. al. (2016). Evaluation of the influence mode on the CVC GaN HEMT using numerical modeling. Journal of Physics: Conference Series, 741, 012024. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012024
Aleksandr, G., Shashurin, V., Vyuginov, V., Tikhomirov, V., Vidyakin, S., Agasieva, S., Chizhikov, S. (2017). Dependence analysis of the GaN HEMT parameters for space application on the thickness AlGaN barrier layer by numerical simulation. 2017 IEEE 2nd International Conference on Opto-Electronic Information Processing (ICOIP). doi: https://doi.org/10.1109/optip.2017.8030703
Tikhomirov, V. G., Gudkov, A., Petrov, V., Agasieva, S., Zybin, A., Yankevich, V., Evseenkov, A. (2017). Simulation of electric field distribution in GaN HEMTs for the onset of structure degradation. 2017 11th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMCCompo). doi: https://doi.org/10.1109/emccompo.2017.7998094
Gudkov, A. G., Ivanov, Y. A., Meshkov, S. A., Agasieva, S. V., Petrov, V. I., Sinyakin, V. Y., Schukin, S. I. (2015). Prospects for Application of Radio-Frequency Identification Technology with Passive Tags in Invasive Biosensor Systems. Biomedical Engineering, 49 (2), 98–101. doi: https://doi.org/10.1007/s10527-015-9506-x
Gudkov, A. G. (2004). Optimal designing of microstrip discrete phase-stable attenuator with allowance for production technology. Radiotekhnika, 2, 67–72.
Vidyakin, S. I., Gudkov, A. G., Oganesyan, G. A., Petrov, V. N., Sakharov, A. V., Shabunina, E. I. et. al. (2016). Impact of nanomaterial arrangement on the reliability and the electron mobility in AlGaN/GaN HEMTs. Journal of Physics: Conference Series, 741, 012172. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012172
Emtsev, V. V., Zavarin, E. E., Oganesyan, G. A., Petrov, V. N., Sakharov, A. V., Shmidt, N. M. et. al. (2016). The relationship between the reliability of transistors with 2D AlGaN/GaN channel and organization type of nanomaterial. Technical Physics Letters, 42 (7), 701–703. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785016070075
Iudicello, S., Bardati, F. (2009). Microwave radiometry for breast cancer detection. Dottorato di ricerca in Geoinformazione, Universita'degli studi di Roma" Tor Vergata.
Stauffer, P. R., Rodriques, D. B., Salahi, S., Topsakal, E., Oliveira, T. R., Prakash, A. et. al. (2013). Stable microwave radiometry system for long term monitoring of deep tissue temperature. Energy-Based Treatment of Tissue and Assessment VII. doi: https://doi.org/10.1117/12.2003976
Momenroodaki, P., Haines, W., Popovic, Z. (2017). Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues. 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). doi: https://doi.org/10.1109/mwsym.2017.8058873
Momenroodaki, P., Haines, W., Fromandi, M., Popovic, Z. (2018). Noninvasive Internal Body Temperature Tracking With Near-Field Microwave Radiometry. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 66 (5), 2535–2545. doi: https://doi.org/10.1109/tmtt.2017.2776952
Popovic, Z., Momenroodaki, P., Scheeler, R. (2014). Toward wearable wireless thermometers for internal body temperature measurements. IEEE Communications Magazine, 52 (10), 118–125. doi: https://doi.org/10.1109/mcom.2014.6917412
Ravi, V. M., Arunachalam, K. (2019). A low noise stable radiometer front-end for passive microwave tissue thermometry. Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 33 (6), 743–758. doi: https://doi.org/10.1080/09205071.2019.1576063
Sedankin, M., Chupina, D., Vesnin, S., Nelin, I., Skuratov, V. (2018). Development of a miniature microwave radiothermograph for monitoring the internal brain temperature. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (5 (93)), 26–36. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.134130
Livanos, N.-A., Hammal, S., Nikolopoulos, C. D., Baklezos, A. T., Capsalis, C. N., Koulouras, G. E. et. al. (2018). Design and Interdisciplinary Simulations of a Hand-Held Device for Internal-Body Temperature Sensing Using Microwave Radiometry. IEEE Sensors Journal, 18 (6), 2421–2433. doi: https://doi.org/10.1109/jsen.2018.2791443
Siegman, A. E., Hagger, H. J. (1964). Microwave Solid‐state Masers. Physics Today, 17 (10), 65–66. doi: https://doi.org/10.1063/1.3051185
Osipenkov, V., Vesnin, S. G. (1994). Microwave filters of parallel-cascade structure. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 42 (7), 1360–1367. doi: https://doi.org/10.1109/22.299730
Galazis, C., Vesnin, S., Goryanin, I. (2019). Application of Artificial Intelligence in Microwave Radiometry (MWR). Proceedings of the 12th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies. doi: https://doi.org/10.5220/0007567901120122
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Sergey G. Vesnin, Mikhail Sedankin, Vitaly Leushin, Victor Skuratov, Igor Nelin, Anastasiia Konovalova
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
