Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани (стр. 4 )

Здесь k – волновое число свободного пространства, которое определяется соотношением [1]:

. (3.28)

Задача об излучении из раскрыва прямоугольного волновода не имеет в настоящее время строгого решения [1]. Косвенные данные, результаты решения для аналогичных более простых задач дают основание утверждать, что хорошую точность можно получить при решении этой задачи так называемым методом Гюйгенса – Кирхгофа, который заключается в следующем. Принимается, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным, определяемым по формулам (3.26), что отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна. При этих предположениях поле рассчитывается на основе понятия об элементе Гюйгенса.

При этих предположениях диаграммы направленности выражаются следующими функциями соответственно:

в Е – плоскости:

(3.29)

в Н – плоскости:

. (3.30)

В дипломной работе рассматривается СВЧ устройство лучевого типа, которое в качестве вводов СВЧ энергии использует антенну в виде открытого прямоугольного волновода, работающего на основном типе волны Н10.

Электродинамическими системами СВЧ устройств лучевого типа являются прямоугольные камеры. Расчет и проектирование таких устройств происходит следующим образом:

1. Расчет излучения мощности из раскрыва прямоугольного волновода на волне типа , как по узкой, так и по широкой стенке, который в первом приближении описывается уравнениями Гюйгенса – Кирхгофа.

Значение мощности электромагнитного поля, излучаемой из раскрыва волновода источника СВЧ энергии, неравномерно распределена в пространстве. Зависимость истечения мощности излучения от величины угла , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе, описывается функциями:

в Е – плоскости:

(3.31)

в Н – плоскости:

(3.32)

в плоскостях Е и Н параллельно узкой или широкой стенкам волновода. Диаграммы направленности по мощности, рассчитанные по формулам (3.31) и (3.32) для а=72 мм, b=34 мм, а также для а=90 мм, b=45 мм показаны на рис.и рис. 3.2.2

Из диаграмм видно, что источники СВЧ энергии более выгодно использовать с раскрывом волновода сечением (72х34) мм. Это существенно улучшает массогабаритные параметры СВЧ устройств лучевого типа.

Если в качестве электродинамического устройства используются резонаторные камеры больших размеров, то более 90% генерируемой СВЧ мощности может быть использовано для нагревания биологической ткани.

Поглощенная и преобразованная в тепло СВЧ мощность в диэлектрическом материале с потерями может быть рассчитана с учетом диэлектрического фактора потерь или тангенса угла диэлектрических потерь материала.

Рисунок 3.2.1. Диаграмма направленности излучения по мощности в Е - плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм.

Рисунок 3.2.2. Диаграмма направленности излучения по мощности в Н - плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм.

Если считать, что теплоемкость и масса биологической ткани остаются неизменными:

. (3.33)

Следовательно, измеренное относительное распределение температуры можно поставить в соответствие рассчитанному относительному распределению температуры, согласно распределению излучаемой СВЧ мощности .

При этом расчет распределения температуры в материале проводится с учетом уравнений Гюйгенса – Кирхгофа.

2. Расчет распределения мощности из раскрыва волновода от источника СВЧ энергии на различных расстояниях от обрабатываемого материала и построение уровней постоянной мощности при условии отсутствия теплопроводности внутри материала. На рис. 3.2.3 показаны уровни постоянной половинной мощности излучения для различных расстояний от материала до раскрыва волновода (200 мм; 300 мм; 400 мм), определены диагонали эллипсов и составлена соответствующая программа их расчета;

 

Рисунок 3.2.3. Уровни половинной мощности излучения из раскрыва волновода на различных расстояниях от обрабатываемого материала.

3. Корректировка с помощью эмпирических коэффициентов теоретически рассчитанных с использованием уравнений Гюйгенса – Кирхгофа и измеренных распределений температурного поля материала в зависимости от расстояния до обрабатываемого биологического объекта.

На рис. 3.3.4 и рис. 3.3.5 показано рассчитанное и измеренное распределение температурного поля в зависимости от угла излучения от источника СВЧ энергии, как по узкой стенке волновода, так и по широкой.

Рисунок 3.2.4. Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по узкой стенке волновода.

Рисунок 3.2.5. Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по широкой стенке волновода.

Расхождение рассчитанных и измеренных характеристик можно связать эмпирическими коэффициентами и . Эти коэффициенты зависят от расстояния до поверхности диэлектрического материала и от величины угла , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе:

. (3.34)

. (3.35)

Таким образом, разработана модель расчета лучевого СВЧ устройства с раскрывом прямоугольного волновода в качестве излучающей антенны, работающего на основном типе волны .

Модель основана на том, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным; отсутствуют токи, затекающие на наружную поверхность волновода; отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна и справедливости уравнений Гюйгенса – Кирхгофа

Разработан метод расчета лучевых СВЧ устройств, который основан на использовании эмпирических корректирующих коэффициентов, зависящих от расстояния между раскрывом волновода источника СВЧ энергии и обрабатываемым материалом и угла направления распространения энергии в волноводе в уравнениях Гюйгенса – Кирхгофа.

Проведены экспериментальные исследования распределения температурного поля в лучевых конструкциях устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между рассчитанными и экспериментальными значениями температурного поля не превышает 10%.

3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии

На кафедре: “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” МИЭМ НИУ ВШЭ проводятся экспериментальный работы, как по созданию компактных источников микроволновой энергии на частоте 2450 МГц, а также экспериментальные работы по исследованию распределения температуры в многослойных биологических структурах, имитирующих тело человека.

На рис. 3.3.1 представлен источник микроволновой энергии, разработанный на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина – 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника микроволновой энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения микроволновой мощности из волновода, что в свою очередь сильно влияет на выбор и габариты электродинамической системы.

Рисунок 3.3.1. Источник микроволновой энергии, мощностью 0,6 кВт.

Дальнейшее развитие в этой области связано, как с уменьшением массы и габаритных размеров источника микроволновой энергии, так и с увеличением КПД источника за счет использования инверторной схемы питания.

В МИЭМ НИУ ВШЭ, на кафедре: ”Радиоэлектроники и телекоммуникаций” разработан источник микроволновой энергии со встроенным блоком питания на основе инверторной схемы, представленный на рис. 3.3.2. Габариты источника: длина – 200 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм и весом 5,0 кг. Именно эти источники микроволновой энергии обладают максимальным КПД (до 67%) и позволяют плавно изменять уровень выходной мощности.

Рисунок 3.3.2. Источник микроволновой энергии с инверторной схемой управления, мощностью – 0,8 кВт.

На рис. 3.3.3 представлен инверторный блок питания источника микроволновой энергии.

Рисунок 3.3.3. Инверторный блок питания источника микроволновой энергии.

Разработанная конструкция источников микроволновой энергии является наиболее перспективной с точки зрения использования в установках микроволнового нагрева. Как показывают экспериментальные исследования, время наработки таких источников микроволновой энергии на порядок превышают заявленные цифры производителем микроволновых печей, за счет лучшего охлаждения и выбора режимов работы.

3.4 Экспериментальные исследования

Рассмотрим воздействие микроволнового излучения на однородную биологическую ткань в виде опухоли, которая расположена внутри однородной биологической среды, представляющей мягкую мышечную ткань. Учитывая, что частота колебаний электромагнитного поля является величиной постоянной, введем следующее обозначение:

(3.36)

В этом случае значение удельной мощности потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде опухоли имеет вид:

, (3.37)

а значение удельной мощности потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде мягких мышечных тканей имеет вид:

, (3.38)

где - мощность, выделяемая на единицу объема опухоли;

- мощность, выделяемая на единицу объема окружающей среды;

- мнимые составляющие диэлектрической проницаемости клетки и среды;

- амплитуды напряженности электрического поля в клетке и среде.

Учитывая граничные условия на границе опухоли и окружающей среды:

, (3.39)

где - действительные составляющие комплексной диэлектрической проницаемости опухоли и окружающей ее среды в виде мягких тканей.

Тогда:

, (3.40)

где - температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей.

В работе [3] приведены ссылки на результаты исследований зарубежных специалистов, а также научных публикаций, в которых утверждается, что многие виды опухолевых тканей содержат значительно больше воды, чем нормальные виды биологических тканей того же типа.

Таким образом, доброкачественные и злокачественные опухоли имеют диэлектрические параметры близкие к обычной воде. Вода обладает более высоким значением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости (фактора потерь) по сравнению с окружающими их здоровыми биологическими тканями того же типа. Следовательно, клетки опухоли, согласно выражению (7) поглощают значительно больше энергии микроволнового излучения, чем здоровые ткани, и значение температуры в опухолях значительно выше, чем в окружающих здоровых биологических тканях. Если температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей больше единицы (), то в научных публикациях это свойство получило название “избирательности микроволнового нагрева” [4].

В настоящей дипломной работе приведены результаты экспериментальных исследований распределения температуры в многослойных биологических мягких тканях с различными электрофизическими параметрами. Температура мягких биологических тканей изменяется в результате воздействия на эти ткани микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны , на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

В качестве модели, имитирующей тело человека, использована многослойная структура биологических тканей животных (кожа - жировая ткань, мышечная ткань, между слоями которой имеется слой воды, параметры которой характеризуют опухоль). Между слоями биологических тканей расположен радиопрозрачный материал – пленка из фторопласта, для того, чтобы не учитывать теплопроводность между различными слоями биологических тканей.

Энергия микроволнового излучения подводится к многослойной структуре биологических тканей с помощью антенны в виде раскрыва волноводного излучателя, поперечные размеры которого 72 мм х 34 мм, расположенного на определенном расстоянии от её поверхности.

Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника микроволнового излучения , удовлетворяющему условию , времени облучения и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани .

На рис. 3.4.1 показана фотография микроволновой установки лучевого типа. После облучения многослойного материала из биологических тканей, источник микроволновой энергии отключался, и в центре каждого слоя измерялось значение температуры с использованием термометра (термопара) с точность С.

На рис. 3.4.2 показано фото многослойных биологических тканей, которые подвергались воздействию микроволнового излучения.

Результаты экспериментальных исследований распределения температуры в различных слоях биологических тканей представлены в таблице 3.4.1, в таблице 3.4.2 и таблице 3.4.3. В таблицах отражена последовательность расположения слоев биологических тканей, а также значения их толщин. Помещая слой воды (контейнер из радиопрозрачного материала, диаметром 50 мм и толщиной 15 мм имитирующий опухолевую ткань, на различные расстояния от поверхности многослойной биологической структуры видно, что работает принцип избирательности нагрева и значение температуры слоя воды выше, чем значение температуры окружающих тканей.

Рисунок 3.4.1. фотография СВЧ установки лучевого типа для проведения экспериментальных исследований по воздействию микроволнового излучения на многослойные биологические ткани

Рисунок 3.4.2. Фото многослойных биологических тканей, которые подвергались воздействию микроволнового излучения.

На рис. 3.4.3 показана емкость с водой, имитирующая опухоль.

Рисунок 3.4.3. фото емкости с водой, которая имитирует опухоль

В первом эксперименте (таблица 3.4.1), слой воды отсутствовал, во втором эксперимента (таблица 3.4.2) слой воды располагался на расстоянии 40 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и температура слоя имела значение 45С, а в третьем эксперименте (таблица 3.4.3) слой воды располагался на расстоянии 25 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и значение температуры слоя составляло 48С.

Таблица 3.4.1. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	41
4	Мышечная ткань	15	23	38
5	Мышечная ткань	15	23	35
6	Мышечная ткань	15	23	32

Таблица 3.4.2. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	41
4	Мышечная ткань	15	23	37
5	Вода	15	23	45
6	Мышечная ткань	15	23	31

Таблица 3.4.3. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	42
4	Вода	15	23	48
5	Мышечная ткань	15	23	32
6	Мышечная ткань	15	23	29

Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной структуре биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях.