Влияние теплофизических параметров антенн-аппликаторов на результаты измерения температуры биологических тканей методом микроволновой радиотермометрии

Проблема. При измерении температуры биологических тканей методом микроволновой радиотермометрии (МР) антеннааппликатор радиотермометра находится в непосредственном контакте с кожей пациента. Начальная температура антенны часто близка к температуре окружающей среды. При проведении измерений происходит охлаждение антенной биологической ткани, расположенной вблизи злокачественной опухоли, и искажение реального распределение температур в биологических тканях¸ что уменьшает достоверность диагностики патологических изменений биологических тканей. Цель. Оценить влияние конструктивных и теплофизических параметров антенны-аппликатора на результаты измерения температур внутренних биологических тканей методом микроволновой радиотермометрии. Результаты. В результате численного решения уравнений Максвелла уравнения тепломассопереноса для модели молочной железы в виде многослойной структуры с учётом кровотока и тепловыделения злокачественной опухоли рассчитаны радиояркостные температуры внутренних тканей и температуры кожи молочной железы при наличии опухоли и при отсутствии опухоли. Проведена оценка влияния антенны на результаты измерения температуры биологических тканей для 6 различных антенн, имеющих различные геометрические размеры и выполненных из разных материалов. Практическая значимость. Проведенные исследования показали, что наибольшее влияние на измеряемую температур оказывает антенны, выполненные из материалов, обладающих высокой теплопроводностью (22ХС и PDMS) и имеющие большую высоту (40 мм). Показано, что для антенны из материала 22ХС с размерами ø30×40 мм снижение температуры кожи составляет 3.7-4.1 ºС, а снижение радиояркостной температуры составляет 1.9-2 ºС. Рекомендовано использование таких антенн в медицинской практике только при наличии системы автоподогрева антенны до температуры исследуемых биологических тканей. Для печатных и конформных текстильных антенн влияние антенны на результаты измерения температур биологических тканей значительно меньше. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании широкого класса антенн-аппликаторов, применяемых в микроволновой радиотермометрии.

Problem: When measuring the temperature of biological tissues by microwave radiometry, the antenna-applicator of the microwave radiometer is in direct contact with the patient's skin. The initial temperature of the antenna is often close to the ambient temperature. During measurements, the biological tissue located near the malignant tumor is cooled by the antenna and the real temperature distribution in biological tissues is distorted which reduces the reliability of the diagnosis of pathological changes in biological tissues. Purpose: The purpose of this work is to evaluate the influence of the design and thermophysical parameters of the applicator antenna on the results of measuring the temperatures of internal biological tissues by microwave radiometry. Results: As a result of numerical solution of Maxwell's equations, the heat and mass transfer equations for a breast model in the form of a multilayer structure, taking into account blood flow and heat release of a malignant tumor, brightness temperatures of internal tissues and skin temperatures of the breast in the presence of a tumor and in the absence of a tumor are calculated. The influence of the antenna on the results of measuring the temperature of biological tissues was evaluated for 6 different antennas having different geometric dimensions and made of different materials. Practical significance: The conducted researches have shown that antennas made of materials with high thermal conductivity (22XC and PDMS) and having a large height (40 mm) have the greatest influence on the measured temperature. It is shown that for an antenna made of material 22 XC with dimensions ø30 x 40mm, the decrease in skin temperature is 3.7 - 4.1 ºС, and the decrease in radio brightness temperature is 1.9 - 2 ºС. The use of such antennas in medical practice is recommended only if there is a system for automatically heating the antenna to the temperature of the researching biological tissues. The influence of the antenna on the results of measuring the temperatures of biological tissues is much less for printed and conformal textile antennas. Scope of the results: The obtained research results can be used in the design of a wide class of applicator antennas used in microwave radiometry.