Розробка мініатюрні мікрохвильова радіотермографи для моніторингу внутрішньої температури головного мозку

Автор(и)

  • Mikhail Sedankin ФГБУ «ГНІІЦ РТ» МО РФ вул. Серьогіна, 5, м. Москва, Росія, 125167, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0001-9875-6313
  • Daria Chupina Московський державний технічний університет імені Н. Е. Баумана вул. 2-а Бауманська, 5, м. Москва, Росія, 105005, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0002-4678-0298
  • Sergey Vesnin ТОВ «РТМ Діагностика» вул. Велика Поштова, 55/59, м. Москва, Росія, 105082, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0003-4353-8962
  • Igor Nelin Московський авіаційний інститут Волоколамське шосе, 4, м. Москва, Росія, 125993, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0003-0469-6650
  • Victor Skuratov АТ «ВНІІРТ» вул. Велика Поштова, 22, м. Москва, Росія, 105082, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0003-1526-1505

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.134130

Ключові слова:

мікрохвильова радіотермометрія, моніторинг температури, друкована антена, медичний радіотермограф, радіояскрава температура, медична робототехніка

Анотація

Для підвищення ефективності неінвазивного моніторингу внутрішньої температури головного мозку здійснено розробку малогабаритного одноканального мікрохвильового радіотермографа, що складається з мініатюрного радіометра і радіометричного датчика на основі друкованої антени. Подібне рішення необхідно для того, щоб забезпечити лікарів системою неінвазивного бездозового моніторингу лікування та діагностики. В роботі описані математичне моделювання та експериментальна верифікація отриманих технічних рішень. Розроблено мініатюрний радіотермометрії, що є балансним модуляційним радіометром, побудованим на основі схеми R. H. Dicke з двома навантаженнями. З урахуванням вимог мініатюризації створений радіометричний датчик за допомогою чисельного моделювання. В результаті розрахунків визначено оптимальні розміри конструкції антени: загальний розмір ø30 мм, розмір підкладки з фольгованого Флан склав – ø23 мм, розмір щілини випромінювача – 16×2 мм. За даними математичного моделювання глибина виявлення теплових аномалій склала не менше 20 мм для друкованої антени, що практично не відрізняється від хвилеводної антени, яка успішно застосовується в радіотермометрії мозку.

Виконано вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі для різних точок голови людини: лобової, скроневої, тім'яної, потиличної і перехідною між потиличної і тім'яної областями голови. Проведено експериментальні дослідження радіотермографи на водному фантомі і біологічному об'єкті. Показано дуже гарний збіг між даними чисельного моделювання та фізичного експерименту КСВ в діапазоні 1.04–1.8. В результаті досліджень встановлено, що радіотермограф з друкованою щілинною антеною дозволяє здійснювати вимірювання внутрішньої температури головного мозку з прийнятною точністю (±0.2 °C). Це забезпечить контроль краніоцеребральної гіпотермії мозку у пацієнтів з інсультом і дозволить оперативно змінювати тактику проведення гіпотермії. Невеликі розміри створеної апаратури дозволять поєднувати її з іншими медичними роботизованими системами для підвищення ефективності лікування

Біографії авторів

Mikhail Sedankin, ФГБУ «ГНІІЦ РТ» МО РФ вул. Серьогіна, 5, м. Москва, Росія, 125167

Кандидат технічних наук, науковий співробітник

Відділ збору, обробки та аналізу результатів випробувань робототехнічних комплексів

Daria Chupina, Московський державний технічний університет імені Н. Е. Баумана вул. 2-а Бауманська, 5, м. Москва, Росія, 105005

Кафедра медико-технічні інформаційні технології

Sergey Vesnin, ТОВ «РТМ Діагностика» вул. Велика Поштова, 55/59, м. Москва, Росія, 105082

Кандидат технічних наук, головний конструктор

Igor Nelin, Московський авіаційний інститут Волоколамське шосе, 4, м. Москва, Росія, 125993

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра «Радіолокація, радіонавігація і бортове радіоелектронне обладнання»

Victor Skuratov, АТ «ВНІІРТ» вул. Велика Поштова, 22, м. Москва, Росія, 105082

Інженер, науковий співробітник

Посилання

  1. Starodubceva, O. S., Begicheva, S. V. (2012). Analiz zabolevaemosti insul'tom s ispol'zovaniem informacionnyh tekhnologiy. Medicinskie nauki. Fundamental'nye issledovaniya, 8, 424–427.
  2. Feigin, V. L., Forouzanfar, M. H., Krishnamurthi, R., Mensah, G. A., Connor, M., Bennett, D. A. et. al. (2014). Global and regional burden of stroke during 1990–2010: findings from the Global Burden of Disease Study 2010. The Lancet, 383 (9913), 245–255. doi: 10.1016/s0140-6736(13)61953-4
  3. Gusev, E. I. (2003). Problema insul'ta v Rossii. Zhurnal nevrologii i psihiatrii, 3, 3–10.
  4. Lisickiy, V. N., Kalenova, I. E., Boyarincev, V. V., Pas'ko, V. G., Bazarova, M. B., Sharinova, I. A. (2013). Kraniocerebral'naya gipotermiya kak perspektivniy metod neyroprotekcii na dogospital'nom etape okazaniya medicinskoy pomoshchi. Kremlevskaya medicina. Klinicheskiy vestnik, 2, 197–202.
  5. Winter, L., Oberacker, E., Paul, K., Ji, Y., Oezerdem, C., Ghadjar, P. et. al. (2015). Magnetic resonance thermometry: Methodology, pitfalls and practical solutions. International Journal of Hyperthermia, 32 (1), 63–75. doi: 10.3109/02656736.2015.1108462
  6. Gensler, D., Fidler, F., Ehses, P., Warmuth, M., Reiter, T., Düring, M. et. al. (2012). MR safety: FastT1thermometry of the RF-induced heating of medical devices. Magnetic Resonance in Medicine, 68 (5), 1593–1599. doi: 10.1002/mrm.24171
  7. Craciunescu, O. I., Stauffer, P. R., Soher, B. J., Wyatt, C. R., Arabe, O., Maccarini, P. et. al. (2009). Accuracy of real time noninvasive temperature measurements using magnetic resonance thermal imaging in patients treated for high grade extremity soft tissue sarcomas. Medical Physics, 36 (11), 4848–4858. doi: 10.1118/1.3227506
  8. Barrett, A., Myers, P. (1975). Subcutaneous temperatures: a method of noninvasive sensing. Science, 190 (4215), 669–671. doi: 10.1126/science.1188361
  9. Kublanov, V. S., Borisov, V. I., Dolganov, A. Yu. (2016). Primenenie mul'tifraktal'nogo formalizma pri issledovanii roli vegetativnoy regulyacii v formirovanii sobstvennogo elektromagnitnogo izlucheniya golovnogo mozga. Medicinskaya tekhnika, 1, 21–24.
  10. Leushin, V. Yu., Gudkov, A. G., Korolev, A. V., Leushin, V. Yu., Plyushchev, V. A., Popov, V. V., Sidorov, I. A. (2014). Prognozirovanie kachestva i nadezhnosti IS SVCh na etapah razrabotki i proizvodstva. Mashinostroitel', 6, 38–46.
  11. Karathanasis, K. T., Gouzouasis, I. A., Karanasiou, I. S., Giamalaki, M. I., Stratakos, G., Uzunoglu, N. K. (2010). Noninvasive Focused Monitoring and Irradiation of Head Tissue Phantoms at Microwave Frequencies. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 14 (3), 657–663. doi: 10.1109/titb.2010.2040749
  12. Asimakis, N. P., Karanasiou, I. S., Uzunoglu, N. K. (2011). Non-invasive microwave radiometric system for intracranial applications: a study using the conformal l-notch microstrip patch antenna. Progress In Electromagnetics Research, 117, 83–101. doi: 10.2528/pier10122208
  13. Stauffer, P. R., Rodrigues, D. B., Maccarini, P. F. (2014). Utility of microwave radiometry for diagnostic and therapeutic applications of non-invasive temperature monitoring. 2014 IEEE Benjamin Franklin Symposium on Microwave and Antenna Sub-Systems for Radar, Telecommunications, and Biomedical Applications (BenMAS). doi: 10.1109/benmas.2014.7529480
  14. Cheboksarov, D. V., Butrov, A. V., Shevelev, O. A., Amcheslavskiy, V. G., Pulina, N. N., Buntina, M. A., Sokolov, I. M. (2015). Diagnosticheskie vozmozhnosti neinvazivnogo termomonitoringa golovnogo mozga. Anesteziologiya i reanimatologiya, 1, 66–69.
  15. Vesnin, S. G., Sedankin, M. K., Pashkova, N. A. (2015). Matematicheskoe modelirovanie sobstvennogo izlucheniya golovnogo mozga cheloveka v mikrovolnovom diapazone. Biomedicinskaya radioelektronika, 3, 17–32.
  16. Sedankin, M. K. (2013). Antenny-applikatory dlya radiotermometricheskogo issledovaniya teplovyh poley vnutrennih tkaney biologicheskogo ob'ekta. Moscow, 247.
  17. Lee, J.-W., Kim, K.-S., Lee, S.-M., Eom, S.-J., Troitsky, R. V. (2002). A novel design of thermal anomaly for mammary gland tumor phantom for microwave radiometer. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 49 (7), 694–699. doi: 10.1109/tbme.2002.1010853
  18. Bardati, F., Iudicello, S. (2008). Modeling the Visibility of Breast Malignancy by a Microwave Radiometer. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (1), 214–221. doi: 10.1109/tbme.2007.899354
  19. Beaucamp-Ricard, C., Dubois, L., Vaucher, S., Cresson, P.-Y., Lasri, T., Pribetich, J. (2009). Temperature Measurement by Microwave Radiometry: Application to Microwave Sintering. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58 (5), 1712–1719. doi: 10.1109/tim.2008.2009189
  20. Jacobsen, S., Rolfsnes, H. O., Stauffer, P. R. (2005). Characteristics of Microstrip Muscle-Loaded Single-Arm Archimedean Spiral Antennas as Investigated by FDTD Numerical Computations. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 52 (2), 321–330. doi: 10.1109/tbme.2004.840502
  21. Sedankin, M. K., Novov, A. A., Abidulin, E. R. (2017). Trekhkanal'naya mikrovolnovaya antenna dlya urologii. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya «Informatika i tekhnologii. Innovacionnye tekhnologii v promyshlennosti i informatike». Moscow, 289–291.
  22. Klemetsen, O., Birkelund, Y., Maccarini, P. F., Stauffer, P., Jacobsen, S. K. (2010). Design of small-sized and low-cost front end to medical microwave radiometer. Prog Electromagn Res Symp., 932–936.
  23. Dicke, R. H. (1946). The Measurement of Thermal Radiation at Microwave Frequencies. Review of Scientific Instruments, 17 (7), 268–275. doi: 10.1063/1.1770483
  24. Vaysblat, A. V. (2001). Medicinskiy radiotermometr. Biomedicinskie tekhnologii i radioelektronika, 8, 3–9.
  25. Zakirov, A., Belousov, S., Valuev, I., Levchenko, V., Perepelkina, A., Zempo, Y. (2017). Using memory-efficient algorithm for large-scale time-domain modeling of surface plasmon polaritons propagation in organic light emitting diodes. Journal of Physics: Conference Series, 905, 012030. doi: 10.1088/1742-6596/905/1/012030
  26. Valuev, I., Deinega, A., Knizhnik, A., Potapkin, B. (2007). Creating Numerically Efficient FDTD Simulations Using Generic C++ Programming. Lecture Notes in Computer Science, 213–226. doi: 10.1007/978-3-540-74484-9_19
  27. Valuev, I., Belousov, S., Bogdanova, M., Kotov, O., Lozovik, Y. (2016). FDTD subcell graphene model beyond the thin-film approximation. Applied Physics A, 123 (1). doi: 10.1007/s00339-016-0635-1

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-06-18

Як цитувати

Sedankin, M., Chupina, D., Vesnin, S., Nelin, I., & Skuratov, V. (2018). Розробка мініатюрні мікрохвильова радіотермографи для моніторингу внутрішньої температури головного мозку. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(5 (93), 26–36. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.134130

Номер

Том 3 № 5 (93) (2018): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Mikhail Sedankin, Daria Chupina, Sergey Vesnin, Igor Nelin, Victor Skuratov

Creative Commons License

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.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.