автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка и исследование микроволновых аппликаторов для тепловой терапии биологических тканей

На правах рукописи

НОВРУЗОВ Илья Игоревич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВЫХ АППЛИКАТОРОВ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ТЕРАПИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Комаров Вячеслав Вячеславович

Официальные оппоненты - Мещаиов Валерий Петрович -

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, директор ООО НПП «Ника-СВЧ»

Салий Игорь Николаевич -

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Радиотехника и электродинамика» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского

Ведущая организация - Саратовский филиал Учреждения Российской

академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова

Защита состоится «18» октября 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «18» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Димитрюк

^ill—1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электромагнитное (ЭМ) излучение различных частотных диапазонов широко используется в современных медицинских технологиях. Одной из таких технологий является СВЧ-нагрев биологических тканей, получивший распространение в лечении онкологических заболеваний. Кроме того, СВЧ-энергия применяется для восстановления мышц после травм, ускорения процесса воздействия лекарственных препаратов, стерилизации инструментов и т.д.

Традиционными методами лечения опухолей считаются хирургическая операция, химиотерапия и лучевая терапия. Они имеют ряд недостатков: достаточно высокий уровень осложнений, риск ослабления иммунитета, длительный восстановительный период. Помимо традиционных подходов для лечения опухолей в последнее время получили широкое развитие новые методы лечения, такие как гипертермия и абляция.

Термином «абляция опухоли» обозначается прямое термическое или химическое воздействие на опухолевую ткань с целью ее разрушения. Наиболее распространенными технологиями термической абляции являются: ультразвуковая, радиочастотная, лазерная и микроволновая. СВЧ-абляция обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами: большая глубина проникновения, отсутствие прямого электрического контакта с биологической тканью, высокий темп нагрева, отсутствие ограничений по подводимой мощности к аппликатору, связанных с обугливанием тканей, возможность нагрева сухих тканей (обезвоженных), относительно высокие температуры абляции (выше 100°С), возможность коагуляции сосудов.

Лечебная гипертермия (JIT) - это метод лечения онкологических заболеваний, при котором тело, его участки или отдельные органы подвергаются воздействию высокой температуры (до 44-45°С), в результате чего существенно увеличивается чувствительность раковых клеток к ионизирующему облучению и ряду противоопухолевых лекарственных средств.

Методика малоинвазивного разрушения опухолей за счет локального нагрева ЭМ полем клеток до температуры их коагуляции была предложена более 50 лет назад, однако эффективные устройства, предназначенные для этих целей, появились относительно недавно. Большой вклад в развитие данного направления внесли такие ученые как: Девятков Н. Д., Синицин Н.И., Кобзев A.B., Гельвич Э. А., Мазохин В. Н., Макаров В.Н., Nikawa Y., Yang D., Vrba J., Cavagnaro M„ Ita H., Witters D.M., Kikuchi K„ Gibbs F.A., Lee F.T.

Большая часть подобных установок работает на специально выделенных для этого ISM (Industrial Scientific Mediciné) частотах: 433, 915,2450 МГц. Для подведения ЭМ излучения к пораженной ткани применяются различные микроволновые аппликаторы: контактные, интерстициальные, внутриполостные. Широкое распространение для систем контактной гипертермии получили аппликаторы на цилиндрических и прямоугольных

волноводах, а также микрополосковые и щелевые антенны. Существуют также аппликаторы сложной конфигурации, например, на основе спиральных антенн, тороидальных и эллиптических резонаторов. Многообразие подобных систем определяется различными задачами и необходимостью создания теплового поля заданной формы в биологической ткани. Для устранения локальных перегревов поверхностных слоев и фокусировки ЭМ поля при проведении ЛГ используют специальные металлические ребра, а для снижения размеров излучателей - их жидкостное заполнение.

Реализация технологий СВЧ-абляции чаще всего осуществляется с помощью интерстициальных коаксиальных антенн малого диаметра, которые помещаются внутри опухоли. Наиболее простым вариантом является монопольная антенна, представляющая собой продолжение отрезка коаксиальной линии, с излучающим внутренним проводником. Широкое распространение получили дипольные антенны, с одним или несколькими щелевыми излучающими элементами. Для минимизации отраженной волны и создания заданного распределения ЭМ поля в области взаимодействия применяются вспомогательные дроссельные элементы конструкции, что приводит к увеличению диаметра антенны. Современные технологии позволяют также разместить в коаксиальном аппликаторе термодатчик и систему охлаждения.

Основные тенденции развития современных медицинских систем микроволнового нагрева биотканей связаны с решением целого ряда взаимосвязанных задач, направленных на снижение уровней отраженной и подводимой мощностей, дальнейшее уменьшение размеров СВЧ-излучателей, особенно функционирующих на частотах 915 и 433 МГц, формирование коагуляционной зоны заданного объема.

Решение всех этих задач непосредственно связано с более детальным изучением процессов взаимодействия ЭМ волн с биологическими тканями, поиском новых конструкционных решений и оптимизацией микроволновых аппликаторов. Таким образом, разработка и модернизация устройств нагрева биологических тканей являются актуальными задачами современной медицины и СВЧ-техники. Основными инструментами исследования электромагнитных и тепловых характеристик подобных устройств являются экспериментальные измерения и компьютерное моделирование. Привлечение сразу нескольких численных методов дает возможность повысить достоверность результатов расчетов.

Целью данной диссертационной работы является создание компактных микроволновых аппликаторов для локальной гипертермии и абляции новообразований биологических тканей, обеспечивающих заданное распределение ЭМ и теплового поля в области взаимодействия, а также снижение уровней подводимой и отраженной мощностей на рабочих частотах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Проведение обзора современных проектных решений и тенденций развития излучательных СВЧ-устройств для гипертермии и абляции опухолей.

• Построение математических моделей процессов распространения и поглощения ЭМ волн в многослойных диэлектрических средах, облучаемых СВЧ-энергией с помощью волноводных и коаксиальных аппликаторов.

• Исследование электродинамических и тепловых характеристик контактного цилиндрического аппликатора с металлическими Т-ребрами и диэлектрической линзой, а также штыревого коаксиального аппликатора малого диаметра на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц.

• Изучение влияния вариаций диэлектрических свойств биотканей при высоких температурах на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального интерстициального излучателя.

• Оптимизация конструкций анализируемых микроволновых аппликаторов с целью снижения уровня отраженной мощности при минимальных массогабаритных показателях и заданном распределении температурного поля в зоне коагуляции.

Научная новизна

1. Проведен численный анализ и исследованы отражательные характеристики контактного микроволнового аппликатора на цилиндрическом волноводе с металлическими Т-ребрами, а также найдены его размеры, обеспечивающие необходимые режимы работы на заданной частоте.

2. Установлено, что для локализации ЭМ поля в подповерхностных слоях биологических тканей, облучаемых СВЧ-энергией волноводным аппликатором контактного типа, может быть использован дополнительный элемент конструкции излучателя - диэлектрическая линза, радиус кривизны которой сопоставим с рабочей длиной волны аппликатора.

3. Для снижения уровня отраженной мощности на частоте 2,45 ГГц интерстициального аппликатора предложено использовать конусообразную насадку, выполненную из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью (е' = 25), внутри которой размещается элемент излучения.

4. Проведено исследование влияния вариаций диэлектрических свойств биологических сред, с помощью математической модели, описывающей нелинейные процессы их СВЧ-нагрева, на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне штыревого коаксиального излучателя.

5. Показано, что, несмотря на более глубокое проникновение ЭМ поля в биоткань с малыми диэлектрическими потерями, зона нагрева существенно снижается, в то время как увеличение коэффициента потерь среды распространения позволяет расширить эту зону.

Практическая значимость работы

♦ Разработаны конструкции аппликаторов контактного и интерстициального типов для проведения микроволновой терапии опухолей животных и человека на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц, обеспечивающие локализованное распределение СВЧ-мощности во внутритканевых областях.

♦ Даны практические рекомендации по выбору режимов работы описанных в диссертации аппликаторов, в частности с учетом дополнительного поглощающего элемента контактных СВЧ-систем (болюса) и возможных интерстициальных инъекций солевых растворов для коаксиальных излучателей.

♦ Разработана конструкция согласующего перехода для возбуждения коаксиального аппликатора малого диаметра и найдены его электродинамические характеристики.

♦ Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе на кафедре радиотехники СГТУ при чтении курсов «Компьютерное проектирование и моделирование антенно-фидерных трактов», «Основы компьютерного проектирования радиоэлектронных систем», «Методы моделирования и оптимизации» для студентов специальностей 210601 и 210700.62.

♦ Результаты диссертации были использованы в НИОКР программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2011» (У.М.Н.И.К) по проекту «Разработка метода и оборудования для локальной гипертермии биологических тканей» (государственный контракт 9553р/14177 от 04.07.2011 года).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Для повышения точности математического моделирования процессов микроволновой абляции злокачественных новообразований необходимо учитывать нелинейную связь дифференциальных уравнений электродинамики и теплопроводности для биологических сред (in vivo), в виде интерполяционной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости биоткани от температуры, а также параметры СВЧ-источника.

2. Разработанные конструкции волноводного аппликатора контактного типа, выполненного на цилиндрическом волноводе с Т-ребрами и диаметром апертуры 92 мм, обеспечивающего гипертермию биологических тканей на глубину до 30 мм на частоте 915 МГц.

3. Результаты исследований ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального штыревого аппликатора с рабочей частотой 2,45 ГГц, обеспечивающего уровень отраженной мощности |Sn| < 0,2, предназначенного для облучения СВЧ-энергией малоразмерных опухолей (до 20 мм).

Апробация работы

Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009, Саратов, СГТУ, 2010, 2011), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010» (Саратов, СГТУ, 2010), Международной научной конференции «Saratov Fall Meeting, SFM'2008» (Саратов, СГУ, 2008), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника: приборы и устройства, технология, материалы» (Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 2007) и на научных семинарах факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. По материалам работы принято положительное решение (от 8.06.2012) о выдаче патента на изобретение «Контактный микроволновый аппликатор» (заявка № 2011122886 от 06.06.2011г.) и подана заявка на полезную модель «Коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей» № 2012109132 от 11.03.2012 г.

Достоверность результатов диссертации подтверждается корректностью формулировок задач математической физики и принятых допущений, а также соответствием значений, полученных разными численными методами, и сравнительной проверкой теоретических и экспериментальных данных.

Методы исследования

В работе были использованы: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временной области (МКРВО), метод последовательных приближений, экспериментальный метод прямого измерения коэффициента отражения СВЧ-многополюсников, методы теории диэлектрических смесей.

Публикации и вклад автора

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 статьи - в научных изданиях из перечня ВАК, а также патент на изобретение и патент на полезную модель. Большая часть исследований и расчетов проведена автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (130 наименований) и приложения. Текст диссертации изложен на 147 страницах, включающих 51 рисунок и 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, представлены теоретическая и методологическая основа диссертационного исследования, научная новизна и основные результаты, практическая значимость работы, показана апробация работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих методов теплового воздействия на биологические среды и средств их технической реализации, проанализированы тенденции дальнейшего развития систем микроволновой гипертермии и абляции.

В частности, показано, что для локальной гипертермии создано достаточно много неинвазивных систем и устройств, в том числе специальные резонаторные камеры, микрополосковые и волноводные антенные излучатели (аппликаторы) различных типов. В качестве контактных микроволновых аппликаторов (КМА) очень часто используются стандартные прямоугольные волноводы (ПрВ), основным недостатком которых является увеличение апертуры при переходе на рабочие частоты 915 и 433 МГц. Чтобы уменьшить габаритные размеры таких устройств, их приходится заполнять водой либо другими средами с высокой диэлектрической проницаемостью е'. При этом уровни отраженной мощности достаточно высоки и для ее компенсации необходимы дополнительные микроволновые элементы, такие как ферритовые циркуляторы и согласованные нагрузки.

Еще одна проблема реализации данных СВЧ-устройств связана с необходимостью фокусировки ЭМ поля в заданной области внутри биологического объекта. Для этого в КМА на ПрВ применяют тонкие металлические пластины, ориентированные в Е-плоскости и образующие линзу. При возбуждении основной волны Н|0 в ПрВ с помощью этих пластин удается сформировать максимум ЭМ поля на определенной глубине от поверхности диссипативной среды, но при этом появляются дополнительные (паразитные) зоны нагрева, контроль которых весьма затруднен.

Одним из путей решения всех этих проблем стало применение волноводов сложных сечений в качестве базовых элементов КМА. Их уникальные характеристики - высокая критическая длина волны основного типа, низкое волновое сопротивление, концентрация электрического поля в центральной части апертуры и т.д. - делают их привлекательной альтернативой стандартным волноводам. Развитие данного направления сдерживается недостаточной изученностью подобных линий передачи и сложностью их изготовления. Еще один недостаток волноводов сложных сечений - низкая пробивная мощность - не является сдерживающим фактором, так как в медицинских аппликаторах уровень рабочих мощностей обычно не превышает 200 Вт.

Для абляции атипичных биотканей в настоящее время используются как монопольные, так и дипольные излучатели в коаксиальном или интегральном исполнении. Коаксиальные дипольные аппликаторы чаще всего имеют одну или несколько щелей, для вывода СВЧ-энергии. Наиболее перспективным методом компенсации отраженной мощности для таких устройств считается применение специальных дроссельных элементов, что усложняет конструкцию. Диаметр зоны коагуляции для дипольных излучателей обычно не превышает 4 см. Для формирования более обширной зоны нагрева можно использовать несколько аппликаторов, расположенных определенным образом в опухоли и синхронизированных по фазе.

Основной проблемой применения монопольных коаксиальных аппликаторов для СВЧ-абляции является вытянутая зона коагуляции на рабочей частоте 915 МГц, что обусловлено необходимостью компенсации отраженной ЭМ волны за счет увеличения длины штыревого излучателя антенны. Такая форма области нагрева оказывается полезной только для редких случаев, встречаемых в медицинской практике.

Проведенные обзор и анализ характеристик созданных к настоящему времени контактных и интерстициальных микроволновых аппликаторов позволили определить направления дальнейших научных исследований в данной области, а также пути поиска новых конструкционных решений, нацеленных на усовершенствование подобных СВЧ-устройств.

Во второй главе формулируется связанная электродинамическая и биотепловая задача, описывающая процессы нагрева биологических тканей СВЧ-излучением. СВЧ-нагрев биологических тканей базируется на дипольной поляризации молекул, входящих в состав биоткани. Для анализа этого процесса необходимо решать связанную краевую задачу электродинамики и теплопроводности с учетом источника излучения, зависимостей диэлектрических свойств нагреваемого объекта от температуры, соответствующих краевых условий, допущений и приближений. Для описания процессов распространения и поглощения ЭМ волн в таких диссипативных средах используется неоднородное уравнение Гельмгольца с граничными условиями Неймана и Дирихле на металлических стенках, а также условиями непрерывности тангенциальных компонент поля на границах раздела сред:

где Ё - комплексные амплитуды электрического поля в заданной точке пространства: £(т)=Ле( Ё еАит); к* = ш1е0ра - волновое число свободного

V 2Ё + к20£(Т)Ё + ггас1 -Ё-г8гас1б'(Т) =

ст

Е,= 0; дЕ„/дп = 0, ё;=Ё?,

(2) (3)

пространства; )ст - плотность стороннего тока; г - время; со - круговая частота; Т - температура; е = е '-]е ''- комплексная диэлектрическая проницаемость.

Поскольку анализируется диссипативная среда, то на границах области занимаемой биотканью, задаются поглощающие граничные условия:

Ъ,Ё,=-]к0Ё,+2]к0Ч1Ё,. (4)

Чтобы учесть источник ЭМ поля, на входе аппликатора задаются параметры СВЧ-сигнала:

= М„ ехр(-ур„ш2) + ¿5'„„М„„ ехр(-у/?го2), (5)

т-1

где Мпт - собственные функции п-й моды т-го порта; Бпт - параметры матрицы рассеяния; ¡¡пт - фазовые постоянные п-й моды »»-го порта.

Возбуждение ЭМ волн в таких системах, как правило, осуществляется с помощью линий передачи в виде отрезков прямоугольных волноводов или коаксиальных линий. Решения уравнения (1), удовлетворяющие граничным условиям (2)-(4), определяют распределение электрического поля в ближней и дальней зонах излучателей. Энергия этого поля частично тратится на преобразование в тепловую энергию. Мощность потерь в диссипативной среде определяется из закона Джоуля-Ленца:

ду(г,т) = 0.5а,е0£\Г)Ё2! (6)

где б"- коэффициент потерь; г - радиус-вектор точки трехмерного пространства.

Для анализа тепловых процессов, происходящих в биологической ткани, используется биотепловое уравнение:

рб(Т)Сб(Т)^-= Л6 (Т)Ч2Т + дХг,т) + (г,т)~ рК (Т)рб (Т)УКСК(Т-Т„), (7)

где г) - удельная плотность энергии, обусловленной комплексом

биохимических и связанных с ними энергетических процессов; Ук -интенсивность кровотока (кг/с м3); С6, Ск - теплоемкость ткани и крови; Тк -температура крови вне зоны нагрева; рб, рк - плотность ткани и крови; Яе -теплопроводность ткани.

Удельная плотность энергии дт(г,т) находится на уровне 4000 + 4500 Вт/м3, что значительно уступает значениям плотности тепловыделения при СВЧ-нагреве. Интенсивность кровотока в зоне облучения может составлять: 4,2-10"7 < Ук, м3/кг-с < 1,67-Ю"5.

Уравнение (7) необходимо дополнить граничным условием четвертого рода, учитывающим температуру и тепловые потоки на границе раздела сред, в каждом из которых перенос теплоты описывается своим уравнением теплопроводности.

где То - начальная температура.

Таким образом, неоднородное уравнение Гельмгольца (1) с граничными условиями (2)-(4), а также биотепловое уравнение (7) с граничными условиями (8) и начальным условием (9) формируют совместную краевую электродинамическую и биотепловую задачу, которая лежит в основе описания процессов СВЧ-нагрева биологических сред.

Учитывая сложность граничных условий, для решения данной задачи потребовалось применение двух численных методов анализа: МКЭ и МКРВО, что позволило повысить достоверность компьютерного моделирования сложных электродинамических систем. При этом для одновременного решения разнотипных дифференциальных уравнений математической физики (1) и (7) с учетом вариаций диэлектрических свойств биотканей был использован алгоритм на МКЭ.

Ключевым моментом успешного решения поставленной задачи является правильная оценка диэлектрических и теплофизических свойств биологических тканей, подвергаемых воздействию СВЧ-излучения. Известно, что диэлектрические свойства биологических сред сильно зависят от влагосодержания и химических веществ, например, солей внутри ткани, а также от способа их измерения (ш vivo или in vitro). Во второй главе был проведен обзор диэлектрических и теплофизических свойств различных биотканей на ISM-частотах. В ряде случаев была выявлена достаточно сильная зависимость é от температуры, что объясняется высоким процентным содержанием воды в этих тканях.

В большинстве публикаций, посвященных математическому моделированию процессов СВЧ-нагрева биологических сред, используется упрощенный вариант связанной задачи, не учитывающий изменения диэлектрических свойств облучаемых тканей, что дает возможность, в основном, анализировать гипертермические процессы, протекающие в узком температурном интервале 37 < 1°С < 45. Более общая математическая модель, сформулированная в данной диссертационной работе, учитывающая зависимости s (Т) биологических сред, позволяет проводить анализ не только процессов гипертермии, но и СВЧ-абляции.

42

(8)

(9)

В третьей главе проведены исследования контактного СВЧ-аппликатора, представляющего собой модификацию цилиндрического волновода с двумя Т-ребрами. Конструкция аппликатора представляет собой коаксиально-волноводный переход уголкового типа с рабочей частотой 915 МГц, открытый конец которого излучает ЭМ энергию в биоткань. Выбор такой геометрии связан с тем, что применение металлических ребер позволяет снизить волновое сопротивление и диаметр апертуры аппликатора, что является одной из целевых установок проводимых исследований.

Для выбора размеров аппликатора на начальном этапе решалась задача на собственные значения, и были установлены зависимости критической длины волны основного типа от внутренних размеров устройства в двумерном приближении.

Анализ электродинамических и тепловых характеристик контактного аппликатора с прилегающей диссипативной средой, имитирующей реальную двухслойную биологическую ткань (жировую и мышечную), проводился с помощью трехмерной модели (рис.1).

Рис. 1. Модель контактного микроволнового аппликатора с прилегающей диссипативной средой

Целевая функция задачи оптимизации формулируется следующим образом:

F(V)= f ¥f fx-s.j+G(;t)->min, (10)

J max J nin

где V - вектор внутренних параметров; /тШ = 0,9 ГГц; /тах = 0,93 ГГц; Д/= 5 МГц - шаг по частотной оси; - заданное значение модуля коэффициента отражения; й(х) - штрафная функция; у/ — показатель степени.

Для геометрической модели аппликатора:

V = (о, t, d, w, /, и, L, q, £■[ 2 з, £,"2,3 ). (11)

В ходе численного моделирования для выбранной конструкции аппликатора и заданной двухслойной модели биологической ткани было получено значение модуля коэффициента отражения на частоте 915 МГц: | S11 ] = 0,22. Предложенная конструкция аппликатора позволяет сформировать узкую приповерхностную область нагрева биологической ткани. Необходимая температура гипертермии в 42°С достигается при подводимой мощности всего в 10 Вт, причем область гипертермии составляет X*Y*Z= 60*10*10 мм, на глубине 10 мм (максимальная глубина, на которой достигается температура гипертермии) при времени терапии т = 60 с.

Чтобы увеличить глубину прогревания до 15 мм, необходимо повысить уровень подводимой СВЧ-мощности до 80 Вт. При этом поверхностные ткани подвергаются существенному перегреву (более 100°С). Такая температура вызовет мгновенный некроз всех тканей.

Для устранения этого недостатка в конструкцию было предложено ввести болюс с жидкостным заполнением. Болюс помещается между биологической тканью и апертурой аппликатора, устраняя паразитный нагрев поверхностных слоев и обеспечивая дополнительное согласование системы. В данной конструкции был применен болюс с водяным заполнением, имеющий постоянную температуру 20°С. Это позволило решить проблему перегрева, однако для достижения температуры гипертермии на глубине 15 мм потребовалось увеличить входную мощность до 150 Вт.

Альтернативным способом достижения температуры гипертермии на глубине более 15 мм в биоткани является фокусировка ЭМ поля. Для этого в конструкцию аппликатора предлагается ввести специальный элемент, выполненный в виде диэлектрической линзы (рис. 2), изготовленной, к примеру, из керамики с диэлектрической проницаемостью е' = 16 (титанат магния). Размеры конструкции приведены в табл. 1.

Рис. 2. Конструкция фокусирующего элемента

Таблица 1

Геометрические размеры (мм) линзового аппликатора и прилегающей диссипативной среды

а < 2г 2Я (1 ь> / и Ь нл >ЧЛ Ч нБ Об

92 50 3,04 1 7 10 4 1.5 210 45 40 4 194 60 120

Как показали исследования, это позволяет снизить уровень отраженной мощности до |Э111=0,18 (рис. 3), при этом наблюдается эффект фокусировки ЭМ поля на некоторой глубине от поверхности биологической ткани (рис. 4).

Г, МГц

Рис. 3. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения линзового МА

ММ и 20 40 , 60 XII 10» 120 у пШх

Рис. 4. Распределение плотности СВЧ-мощности в двухслойной модели биологической ткани для линзового МА

Было установлено, что при уровне подводимой СВЧ-мощности в 30 Вт на глубине 30 мм формируется область нагрева, достаточная для гипертермии (рис. 5). Здесь: а - нагрев в течение 60 с; б - нагрев в течение 120 с; в - нагрев в течение 360 с). Для устранения перегрева верхних слоев биологической ткани и дополнительного согласования системы в конструкцию был введен болюс с жидкостным заполнением. Болюс представляет собой пластиковый контейнер, заполненный водой, расположенный между биологической тканью

и апертурой аппликатора. Для выбранной конструкции аппликатора применялся болюс с постоянной температурой 20°С. При этом уровень подводимой мощности составляет 40 Вт, а область гипертермии составляет 40x60x20 мм, на глубине 30 мм.

ММ 0 20 40 60 НО 100 120 у

ММ О 20 40 (41 КО 100 120 X

мм 0 20 ДО (« ко 10« 120 X

ММ 0 20 40 60 80 |)Ш 120 X

ММ О 20 40 (10 | К11 |0<| 1у) у

ММ 0 20 40 611 80 100

ММ (I 20 40 (41 КО |1Х1 . Ш X

мм о 2о ш 40 ^ 60 ко ш 100 |;о у

37 °С 42°С .

120 X

37°С

ММ 0 20 40 . 60 80 11К1 120 X

Рис. 5. Распределение теплового поля в двухслойной модели мышечной ткани

для линзового МА

В четвертой главе анализируется модель штыревого интерстициального СВЧ-излучателя, представляющая собой монопольную антенну малого диаметра. Наиболее часто, для дипольных излучателей, предназначенных для абляции биологических тканей, с целью уменьшения уровня отраженной мощности и создания заданной зоны коагуляции применяются дроссели. В четвертой главе диссертации предложен альтернативный метод, который может быть применен для монопольной антенны. Разработана конструкция монопольного излучателя, в состав которого включается конусообразный наконечник из керамики, с высокой диэлектрической проницаемостью е' = 25 (рис.6). Размеры устройства приведены в табл. 2.

Таблица 2

Геометрические параметры (мм) интерстициального микроволнового _ аппликатора и прилегающей диссипативной среды__

с1, Б Н Б и Ч ь ш Р Нб в6

0,8 0,5 1,5 40 0,8 0,5 6,3 9,5 0,05 0,2 58 40

В ходе численного анализа аппликатора, с привлечением целевой функции (10), удалось достичь коэффициента отражения устройства |8ц| < 0,13 (рис. 7) при минимальных размерах антенны. Верификация полученных данных проводилась путем сравнения результатов, полученных для двухмерной (аксиально-симметричной) и трехмерной численной конечно-элементной модели игольчатого аппликатора, а также с результатами, полученными МКЭ и МКРВО.

0,35

— 0,2 -

0,15

0,25

0,1 -

0,3

мышечная

0,05 -

ткань

0 -I-Т-I-I-,-Т-7-

2,00 2,15 2.30 2,45 2,60 2,75 2,90 Г, ГГц

Рис. 7. Модуль коэффициента отражения интерстициального МА

С помощью трехмерной модели аппликатора были определены значения температуры в области взаимодействия. Результаты моделирования демонстрируют, что при использовании интерстициального игольчатого аппликатора в мышечной ткани при подводимой мощности 15 Вт можно создать зону коагуляции ХхУхг = 15><15х25 мм, в течение 360 с. На рис.8 приведено распределение плотности СВЧ-мощности в биоткани. На рис. 9 приведены тепловые поля: а — нагрев в течение 60 с; б — нагрев в течение 180 с; в — нагрев в течение 360 с.

г

шах

*

J llllll

Рис. 8. Распределение плотности СВЧ-мощности в биоткани

■iiiii

Рис. 9. Распределение теплового поля в биоткани

Поскольку предложенная конструкция аппликатора имеет волновое сопротивление около 35 Ом, для согласования устройства со стандартными коаксиальными линиями передачи, имеющими волновое сопротивление 50 Ом, в четвертой главе была предложена конструкция коаксиального перехода. Анализ двухмерной и трехмерной численных моделей данного устройства показывает уровень отраженной мощности

Глубина проникновения ЭМ поля в биологическую ткань, согласно (12), зависит от рабочей частоты устройства и комплексной диэлектрической проницаемости среды:

Чтобы увеличить глубину проникновения поля в диссипативной среде, чаще всего снижают рабочую частоту излучателя. В данной диссертационной работе предложен другой подход: целенаправленное изменение комплексной диэлектрической проницаемости среды. Для изменения диэлектрических свойств биологической ткани можно вводить в нее различные жидкие вещества. С целью проверки этого подхода был проведен анализ двух жидких сред: растительного масла и водного раствора соли (ЫаС1), введенных в мышечную ткань. Исследования показали, что повышение коэффициента потерь ведет к незначительному увеличению уровня отраженной мощности, в то время как снижение относительной диэлектрической проницаемости среды существенно увеличивает это значение.

При анализе систем, ориентированных на высокотемпературный нагрев биологических сред, для повышения точности результатов их математического моделирования необходимо решать нелинейную связанную электродинамическую и биотепловую задачу, учитывающую вариации свойств биологических тканей от температуры. В четвертой главе диссертационной работы была решена такая задача для трехмерной численной модели интерстициального игольчатого аппликатора. Результаты показали, что точность расчетов теплового поля повышается, особенно в ближней к аппликатору зоне. Погрешность вычисления температур может составлять 20-30%, что может оказать существенное влияние на результат.

В приложении приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе. Для подтверждения результатов численного моделирования были проведены

^и! <0,14.

(12)

измерения коэффициента отражения монопольной антенны, помещенной в диссипативную среду. Эксперимент проводился на специально собранной установке, включающей СВЧ-генератор, аппликатор, измерительную аппаратуру и соединительные элементы (рис. 10). Для измерений был использован генератор сигнала в диапазоне частот 2-4 ГГц с уровнем выходной мощности 20 мВт. В качестве жидкого диэлектрика использовались водные солевые растворы, с концентрацией 0^5%.

Рис. 10. Конструкция экспериментальной установки

Значения коэффициента потерь диссипативной среды определялись путем динамического измерения электропроводности среды. Для оценки систематической и случайной погрешностей производилось 5 измерений, для каждого значения солености воды. Результаты, полученные для 2%-ного водного солевого раствора, приведены на рис. 11.

Г ГГц

Рис. 11. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения для монопольной антенны, помещенной в 2%-ный водный солевой раствор

Заключение и основные выводы по работе

1. Построена математическая модель, описывающая процессы высокотемпературного нагрева биологических тканей СВЧ-излучением, учитывающая параметры источника ЭМ колебаний и изменения комплексной диэлектрической проницаемости области взаимодействия.

2. Предложены конструкции волноводного и коаксиального СВЧ-аппликаторов для локальной гипертермии и абляции опухолей.

3. Проведено исследование процессов распространения и поглощения ЭМ волн в слоистых биологических средах, облучаемых линзовым волноводным аппликатором контактного типа на частоте 915 МГц, предназначенным для гипертермии поверхностных новообразований.

4. Установлено, что для локализации ЭМ поля внутри атипичной биоткани малого объема квазисферической формы может быть успешно использован штыревой коаксиальный излучатель диаметром менее 2 мм, снабженный дополнительным элементом в виде конусообразной насадки, выполненной из керамики с диэлектрической проницаемостью е' = 25.

5. Проведена оптимизация геометрических размеров предложенных в работе аппликаторов контактного и интерстициального типов, а также элементов их возбуждения, что позволило обеспечить минимум отраженной мощности на уровне |8ц| < 0,2 и заданное распределение ЭМ поля в разных биологических средах (печень, мышечная ткань и др.).

6. Обнаружен эффект фокусировки ЭМ поля на глубине до 30 мм от поверхности внутри двухслойной области на частоте 915 МГц, возникающий при использовании диэлектрической линзы на открытом конце волноводного аппликатора сложной формы.

7. С помощью математического моделирования доказано, что глубина проникновения ЭМ поля в биоткани является хоть и важным, но второстепенным фактором, оказывающим влияние на эффективность взаимодействия СВЧ-излучения в биоткани. В то же время, превалирующим фактором здесь является коэффициент диэлектрических потерь, для увеличения которого могут быть использованы солевые растворы биосовместимых жидкостей, что позволяет увеличить зону абляции.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Новрузов И.И. Анализ электромагнитных и тепловых полей интерстициального микроволнового аппликатора / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 4. С. 57-62.

2. Новрузов И.И. Разработка и анализ микроволнового аппликатора для фокусировки электромагнитного поля в тканях человека / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 2 (57). Вып. 1. С. 27-34.

3. Новрузов И.И. Исследование электромагнитных и тепловых полей в ближней зоне контактного волноводного аппликатора/ И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2011. № 4 (20). С. 151-158.

4. Новрузов И.И. Управление тепловыми источниками в ближней зоне коаксиальной штыревой антенны для СВЧ гипертермии биологических тканей / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Антенны. 2011. № 11 (174). С. 1013.

В других изданиях:

5. Новрузов И.И. Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводами сложных сечений / И.И. Новрузов, И.И. Салимов, А.А. Семенов // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С.181-187.

6. Новрузов И.И. Методика разработки компьютерных моделей микроволновых устройств сложной конфигурации / И.И. Новрузов, В.В. Комаров // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 263-268.

7. Novruzov I.I. Approximate analytical modes for calculation of cutoff wavelengths of some high order modes of complex cross section shaped waveguides / I.I. Novruzov, V.V. Komarov, A.G. Savina // Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: сб. науч. тр. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 231-239.

8. Новрузов И.И. Оптимизация коаксиально-волноводных переходов ISM диапазона частот / И.И. Новрузов, В.В. Комаров, А.Г. Савина// Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Псков, 2009. С. 227-228.

9. Новрузов И.И. Микроволновая гипертермия биологических тканей: физические аспекты и техническая реализация / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 192196.

10. Новрузов И.И. Математическое моделирование медицинских аппликаторов для локальной СВЧ-гипертермии / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 119-120.

11. Novruzov I.I Coupled electromagnetic-bioheat problem for microwave hyperthermia and ablation therapy modeling / I.I. Novruzov, V.V. Komarov// Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: сб. науч. тр. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. С.20-27.

12. Новрузов И.И. Волноводный аппликатор для локального нагрева биологических тканей СВЧ-излучением / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С.199-202.

Патенты:

13. Патент на изобретение. Заявка 2011122886 RU МПК: A61N 5/02 Контактный микроволновый аппликатор / Комаров В.В., Новрузов И.И. Решение о выдаче патента от 8.06.2012.

14. Патент на полезную модель. Заявка 2012109132 RU МПК: A61N 5/02 Коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей / Комаров В.В., Новрузов И.И., Скрипкин А.А. Решение о выдаче патента от 11.09.2012.

Подписано в печать 17.09.2012 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 22

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

1 2- 1 97 0 2

2012281102

2012281102

Введение.

Глава 1. Медицинские СВЧ-технологии и аппаратные средства для терапии злокачественных новообразований.

1.1. СВЧ-гипертермия.

1.2. СВЧ-абляция.

1.3. Технические средства реализации терапевтических СВЧ-технологий.

1.3.1. Системы для контактной

СВЧ-гипертермии.

1.3.2. Аппликаторы для контактной локальной гипертермии.

1.3.3. Системы и аппликаторы для

СВЧ-абляции.

1.4. Выводы.

Глава 2. Математическое моделирование процессов распространения и поглощения электромагнитных волн СВЧ-диапазона в биологических средах.

2.1. Математические модели процессов СВЧ-нагрева.

2.2. Связанная задача электродинамики и теплопроводности для биологических сред.

2.3. Теплофизические и диэлектрические параметры биологических тканей.

2.4. Выбор методов и алгоритмизация решения поставленной задачи.

2.5. Выводы.

Глава 3. Электродинамические и тепловые характеристики модификаций контактного микроволнового аппликатора.

3.1. Выбор конфигурации апертуры и определение геометрических размеров.

3.2. Контактный микроволновый аппликатор с фокусирующим элементом.

3.3. Выводы.

Глава 4. Повышение эффективности интерстициального высокотемпературного СВЧ-нагрева биологических тканей.

4.1. Модель штыревого интерстициального СВЧ-излучателя.

4.2. Исследование электромагнитных и тепловых полей в ближней зоне интерстициального аппликатора.

4.3. Управление тепловыми источниками в области взаимодействия СВЧ-излучения с биотканями.

4.4. Влияние вариаций диэлектрических свойств биотканей на электродинамические и тепловые характеристики СВЧ-аппликатора.

4.5. Выводы.

Актуальность темы. Электромагнитное (ЭМ) излучение различных частотных диапазонов широко используется в современных медицинских технологиях. Одной из таких технологий является СВЧ-нагрев биологических тканей, получивший распространение в лечении онкологических заболеваний. Кроме того, СВЧ-энергия применяется для восстановления мышц после травм, ускорения процесса воздействия лекарственных препаратов, стерилизации инструментов и т.д.

Традиционными методами лечения опухолей считаются хирургическая операция, химиотерапия и лучевая терапия. Они имеют ряд недостатков: достаточно высокий уровень осложнений, риск ослабления иммунитета, длительный восстановительный период. Помимо традиционных подходов для лечения опухолей в последнее время получили широкое развитие новые методы лечения, такие как гипертермия и абляция.

Термином «абляция опухоли» обозначается прямое термическое или химическое воздействие на опухолевую ткань с целью ее разрушения. Наиболее распространенными технологиями термической абляции являются: ультразвуковая, радиочастотная, лазерная и микроволновая. СВЧ-абляция обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами: большая глубина проникновения, отсутствие прямого электрического контакта с биологической тканью, высокий темп нагрева, отсутствие ограничений по подводимой мощности к аппликатору, связанных с обугливанием тканей, возможность нагрева сухих тканей (обезвоженных), относительно высокие температуры абляции (выше 100°С), возможность коагуляции сосудов.

Лечебная гипертермия (ЛГ) - это метод лечения онкологических заболеваний, при котором тело, его участки или отдельные органы подвергаются воздействию высокой температуры (до 44-45°С), в результате чего существенно увеличивается чувствительность раковых клеток к ионизирующему облучению и ряду противоопухолевых лекарственных средств.

Методика малоинвазивного разрушения опухолей за счет локального нагрева ЭМ полем клеток до температуры их коагуляции была предложена более 50 лет назад, однако эффективные устройства, предназначенные для этих целей, появились относительно недавно. Большой вклад в развитие данного направления внесли такие ученые как: Девятков И. Д., Сипицин Н.И., Кобзев A.B. Гсльвич Э. А., Мазохин В. Н., Макаров В.Н., Nikawa Y., Yang D., Vrba J., Cavagnaro M., Ita H., Witters D.M., Kikuchi K., Gibbs F.A., Lee F.T.

Большая часть подобных установок работает на специально выделенных для этого ISM {Industrial Scientific Mediciné) частотах: 433, 915, 2450 МГц. Для подведения ЭМ излучения к пораженной ткани применяются различные микроволновые аппликаторы: контактные, интерстициальные, внутриполостные. Широкое распространение для систем контактной гипертермии получили аппликаторы на цилиндрических и прямоугольных волноводах, а также микрополосковые и щелевые антенны. Существуют также аппликаторы сложной конфигурации, например, на основе спиральных антенн, тороидальных и эллиптических резонаторов. Многообразие подобных систем определяется различными задачами и необходимостью создания теплового поля заданной формы в биологической ткани. Для устранения локальных перегревов поверхностных слоев и фокусировки ЭМ поля при проведении JTT используют специальные металлические ребра, а для снижения размеров излучателей - их жидкостное заполнение.

Реализация технологий СВЧ-абляции чаще всего осуществляется с помощью интерстициальных коаксиальных антенн малого диаметра, которые помещаются внутри опухоли. Наиболее простым вариантом является монопольная антенна, представляющая собой продолжение отрезка коаксиальной линии, с излучающим внутренним проводником. Широкое распространение получили дипольные антенны, с одним или несколькими щелевыми излучающими элементами. Для минимизации отраженной волны и создания заданного распределения ЭМ поля в области взаимодействия применяются вспомогательные дроссельные элементы конструкции, что приводит к увеличению диаметра антенны. Современные технологии позволяют также разместить в коаксиальном аппликаторе термодатчик и систему охлаждения.

Основные тенденции развития современных медицинских систем микроволнового нагрева биотканей связаны с решением целого ряда взаимосвязанных задач, направленных на снижение уровней отраженной и подводимой мощностей, дальнейшее уменьшение размеров СВЧ-излучателей, особенно функционирующих на частотах 915 и 433 МГц, формирование коагуляционной зоны заданного объема.

Решение всех этих задач непосредственно связано с более детальным изучением процессов взаимодействия ЭМ волн с биологическими тканями, поиском новых конструкционных решений и оптимизацией микроволновых аппликаторов. Таким образом, разработка и модернизация устройств нагрева биологических тканей являются актуальными задачами современной медицины и СВЧ-техники. Основными инструментами исследования электромагнитных и тепловых характеристик подобных устройств являются экспериментальные измерения и компьютерное моделирование. Привлечение сразу нескольких численных методов дает возможность повысить достоверность результатов расчетов.

Целью данной диссертационной работы является создание компактных микроволновых аппликаторов для локальной гипертермии и абляции атипичных новообразований биологических тканей, обеспечивающих заданное распределение ЭМ и теплового поля в области взаимодействия, а также снижение уровней подводимой и отраженной мощностей на рабочих частотах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проведение обзора современных проектных решений и тенденций развития излучательных СВЧ-устройств для гипертермии и абляции опухолевых новообразований.

2. Построение математических моделей процессов распространения и поглощения ЭМ волн в многослойных диэлектрических средах, облучаемых СВЧ-энергией с помощью волноводных и коаксиальных аппликаторов.

3. Исследование электродинамических и тепловых характеристик контактного цилиндрического аппликатора с металлическими Т-ребрами и диэлектрической линзой, а также штыревого коаксиального аппликатора малого диаметра на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц.

4. Изучение влияния вариаций диэлектрических свойств биотканей при высоких температурах на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального интерстициального излучателя.

5. Оптимизация конструкций анализируемых микроволновых аппликаторов с целью снижения уровня отраженной мощности при минимальных массогабаритных показателях и заданном распределении температурного поля в зоне коагуляции.

Научная новизна

1. Проведен численный анализ и исследованы отражательные характеристики контактного микроволнового аппликатора на цилиндрическом волноводе с металлическими Т-ребрами, а также найдены его размеры, обеспечивающие необходимые режимы работы на заданной частоте.

2. Установлено, что для локализации ЭМ поля в подповерхностных слоях биологических тканей, облучаемых СВЧ-энергией волноводным аппликатором контактного типа, может быть использован дополнительный элемент конструкции излучателя - диэлектрическая линза, радиус кривизны которой сопоставим с рабочей длиной волны аппликатора.

3. Для снижения уровня отраженной мощности на частоте 2,45 ГГц иитерстициального аппликатора предложено использовать конусообразную насадку, выполненную из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью (е' = 25), внутри которой размещается элемент излучения.

4. Проведено исследование влияния вариаций диэлектрических свойств биологических сред, с помощью математической модели, описывающей нелинейные процессы их СВЧ-нагрева, на распределение ЭМ и тепловых полей в ближней зоне штыревого коаксиального излучателя.

5. Показано, что, несмотря на более глубокое проникновение ЭМ поля в биоткань с малыми диэлектрическими потерями, зона нагрева существенно снижается, в то время как увеличение коэффициента потерь среды распространения позволяет расширить эту зону.

Практическая значимость работы

1. Разработаны конструкции аппликаторов контактного и иитерстициального типов для проведения микроволновой терапии опухолевых новообразований животных и человека на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц, обеспечивающие локализованное распределение СВЧ-мощности во внутритканевых областях.

2. Даны практические рекомендации по выбору режимов работы описанных в диссертационной работе аппликаторов, в частности с учетом дополнительного поглощающего элемента контактных СВЧ-систем (болюса) и возможных интерстициальных инъекций солевых растворов для коаксиальных излучателей.

3. Разработана конструкция согласующего перехода для возбуждения коаксиального аппликатора малого диаметра и найдены его электродинамические характеристики.

4. Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе на кафедре радиотехники СГТУ при чтении курсов «Компьютерное проектирование и моделирование антенпо-фидерных трактов», «Основы компьютерного проектирования радиоэлектронных систем», «Методы моделирования и оптимизации» для студентов специальностей 210601 и 210700.62.

5. Результаты диссертации были использованы в НИОКР программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2011» (У.М.Н.И.К) по проекту «Разработка метода и оборудования для локальной гипертермии биологических тканей» (Гос. контракт 9553р/14177 от 04.07.2011 г.).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Для повышения точности математического моделирования процессов микроволновой абляции злокачественных новообразований, необходимо учитывать нелинейную связь дифференциальных уравнений электродинамики и теплопроводности для биологических сред (in vivo), в виде интерполяционной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости биоткани от температуры, а также параметры СВЧ-источника.

2. Разработанные конструкции волноводного аппликатора контактного типа, выполненного на цилиндрическом волноводе с Т-ребрами и диаметром апертуры 92 мм, обеспечивающего гипертермию биологических тканей на глубину до 30 мм на частоте 915 МГц.

3. Результаты исследований ЭМ и тепловых полей в ближней зоне коаксиального штыревого аппликатора с рабочей частотой 2,45 ГГц, обеспечивающего уровень отраженной мощности |Sn| < 0,2, предназначенного для облучения СВЧ-энергией малоразмерных опухолевых новообразований (до 20 мм).

Апробация работы

Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009, Саратов, СГТУ, 2010, 2011), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010» (Саратов, СГТУ, 2010), Международной научной конференции «Saratov Fall Meeting, SFM'2008» (Саратов, СГУ, 2008), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника: приборы и устройства, технология, материалы» (Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 2007) и на научных семинарах факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. По материалам работы принято положительное решение (от 8.06.2012) о выдаче патента на изобретение «Контактный микроволновый аппликатор» (заявка № 2011122886 от 06.06.2011г.) и подана заявка на полезную модель «Коаксиальный излучатель для микроволновой терапии биологических тканей» №2012109132 от 11.03.2012 г.

Достоверность результатов диссертации подтверждается корректностью формулировок задач математической физики и принятых допущений, а также соответствием данных, полученных разными численными методами, и сравнительной проверкой теоретических и экспериментальных данных.

Методы исследования

В работе использованы: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временной области (МКРВО), метод последовательных приближений, экспериментальный метод прямого измерения коэффициента отражения СВЧ-многополюсников, методы теории диэлектрических смесей.

Публикации и вклад автора

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 статьи - в научных изданиях из перечня ВАК, а также 1 патент на изобретение. Большая часть исследований и расчетов проведена автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы (130 наименований) и трех приложений. Текст диссертации изложен на 147 страницах, включающих 51 рисунок и 23 таблицы.

Результаты исследования показали, что для более точного моделирования ЭМ и тепловых полей для устройств, предназначенных для высокотемпературного нагрева биоткани, необходимо создавать новые математические модели, учитывающие зависимости электродинамических и теплофизических свойств биоткани от ее температуры. Точность моделирования может повыситься на 15-20%. Такие модели могут стать основой для новых высокоточных систем СВЧ-абляции. Результаты последней главы являются доказательством первого-третьего положений, выносимых на защиту.

Заключение и основные выводы по работе

1. Построена математическая модель, описывающая процессы высокотемпературного нагрева биологических тканей СВЧ-излучением, учитывающая параметры источника ЭМ колебаний и изменения комплексной диэлектрической проницаемости области взаимодействия.

2. Предложены конструкции волноводного и коаксиального СВЧ-аппликаторов для локальной гипертермии и абляции опухолей.

3. Проведено исследование процессов распространения и поглощения ЭМ волн в слоистых биологических средах, облучаемых линзовым волноводным аппликатором контактного типа на частоте 915 МГц, предназначенным для гипертермии поверхностных новообразований.

4. Установлено, что для локализации ЭМ поля внутри атипичной биоткани малого объема квазисферической формы может быть успешно использован штыревой коаксиальный излучатель диаметром менее 2 мм, снабженный дополнительным элементом в виде конусообразной насадки, выполненной из керамики с диэлектрической проницаемостью е' = 25.

5. Проведена оптимизация геометрических размеров предложенных в работе аппликаторов контактного и интерстициального типов, а также элементов их возбуждения, что позволило обеспечить минимум отраженной мощности на уровне |8ц| < 0,2 и заданное распределение ЭМ поля в разных биологических средах (печень, мышечная ткань и др.).

6. Обнаружен эффект фокусировки ЭМ поля на глубине до 30 мм от поверхности внутри двухслойной области на частоте 915 МГц, возникающий при использовании диэлектрической линзы на открытом конце волноводного аппликатора сложной формы.

7. С помощью математического моделирования доказано, что глубина проникновения ЭМ поля в биоткани является хоть и важным, но второстепенным фактором, оказывающим влияние на эффективность взаимодействия СВЧ-излучения в биоткани. В то же время, превалирующим фактором здесь является коэффициент диэлектрических потерь, для увеличения которого могут быть использованы солевые растворы биосовместимых жидкостей, что позволяет увеличить зону абляции.

Таким образом, в диссертации решена задача разработки и исследования микроволновых аппликаторов для локального нагрева биологических тканей.

1. Чиссов В. И. Современное состояние онкологии и перспективы ее развития // Российский онкологический журнал. 1999. № 4. С.50 54.

2. Bansal R. Battling cancer: the latest on microwave hyperthermia // IEEE Microwave Magazine. 2005. V. 6. № 3. P. 32 34.

3. Ichinoseki N., Katamoto S. Effects of microwave hyperthermia at two different frequencies (434 and 2450 MHz) on human muscle temperature // Journal of Sports Science and Medicine. 2008. № 7. P. 191-193.

4. Sekins К. M., Lehmann J. F., Esselman P. Local muscle blood flow and temperature responses to 915MHz diathermy as simultaneously measured and numerically predicted // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 1984. № 6. P. 1 7.

5. Van der Zee J., Vujaskovic Z., Kondo M. The Kadota Fund International Forum 2004 clinical group consensus // International Journal of Hyperthermia. 2008. №24. P. 111-122.

6. Jones E. A Randomized Trial of Hyperthermia and Radiation for Superficial Tumors //Journal of Clinical Oncology. 2005. V. 23. № 13. P. 3079-3085.

7. Van Rhoon G. С. A 433 MHz Lucite Cone waveguide applicator for superficial hyperthermia // International Journal of Hyperthermia. 1998. № 14. P. 13 27.

8. Karanasiou I.S., Karathanasis K.T. Development and laboratory testing of noninvasive intracranial focused hyperthermia system // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique. 2008. V. 56. № 9. P. 2160-2171.

9. Maruoka S. Focusing applicator for microwave heating // Proceedings of the 1st Global Congress on Microwave Energy Applications. 2008. Otsu. Japan. P. 795 -798.

10. П.Давидович M.B. Нагрев биологических тканей аппликатором типа открытый конец волновода // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. № 1. С. 51 55.

11. Nikawa Y., Kikuchi М., Mori S. Development and testing of a 2450-MHz lens applicator for localized microwave hyperthermia // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1985. V. 33. № 11. P. 1212-1216.

12. Веснин А.Г., Семенов И.И. Атлас лучевой диагностики опухолей опорно-двигательного аппарата: 4.2: Опухоли мягких тканей. СПб.: Невский диалект. 128 е., 2003.

13. Внутриполостной аппликатор для электромагнитной термотерапии и гипертермии: пат. 2090221 Рос. Федерация. № 93045356/14; заявл. 16.09.93 ; опубл. 20.09.97.

14. Buakaew С. Finite element analysis of microwave coagulation therapy // The 3rd International Symposium on Biomedical Engineering. 2008. Bangkok. Thailand. P. 447-450.

15. Ярмоненко С.П Терморадиотерапия рака: состояние, проблемы, перспективы //Медицинская радиология. 1987. №1. С. 35 40.

16. Назаренко Г.И., Хитрова А. Н. Инновационный метод ультразвуковой абляции опухолей человека (обзор литературы и собственные наблюдения) //Ультразвуковая и функциональная диагностика. 2008. №4. С. 53-75.

17. Официальный сайт компании AngioDynamics (Rita Medical) : http://www.angiodynamics.com / (дата обращения 01.10.2011).

18. Официальный сайт компании China Medical Technologies URL: http://www.chinameditech.com/eng/global/home.htm/ (дата обращения 01.10.2011).

19. Официальный сайт компании EDAP TMS URL: http://www.edap-tms.com/ (дата обращения 01.10.2011).

20. Jersenius U. New techniques in liver surgery. Monografy. Stockholm. Sweden. 2006.

21. Simon C.F. Microwave Ablation: Principles and Applications // RadioGraphics. 2005. V. 25. P. 69 83.

22. Liver cancer: Increased microwave delivery to ablation zone with cooled-shaft antenna: Experimental and clinical studies / /М. Kuang, M.D. Lu, X.Y. Xie et al. // Radiology. 2007. № 242. P. 914-924.

23. Ryan T.P., Clegg P. Novel microwave applicators for thermal therapy, ablation, and hemostasis. // Ryan T.P., editor. Thermal treatment of tissue: Energy delivery and assessment. 2009. V. 7181. P. 1-15.

24. Microwave ablation: Results with a 2.45GHz applicator in ex-vivo bovine and in-vivo porcine liver / A. Hines-Peralta, N. Pirani N., P. Clegg et al.// Radiology. 2006. V. 239. P. 94-102.

25. Microwave ablation of lung malignancies: Effectiveness, CT findings and safety in 50 patients / F.J. Wolf, D.J. Grand, J.T. Machan et al. // Radiology. 2008. V. 247. P. 871-879.

26. Microwave coagulation therapy for hepatic tumors: Review of the literature and critical analysis / C. Boutros, P. Somasundar, S. Garrean et al.// Surgical Oncology. 2010. V. 19. P. 22-32.

27. Brace C.L. Microwave Ablation with a Single Small-Gauge Triaxial Antenna In Vivo Porcine Liver Model // Radiology. 2007. V. 242. № 2. P. 435 440.

28. Bertram J.M., Yang D., Converse M.C. Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model // BioMedical Engineering Online. 2006. V. 5. № 15. P. 1 9.

29. Haemmerich D. Multiple applicator approaches for radiofrequency and microwave ablation // International Journal of Hyperthermia. 2005. .№ 21. P. 93 -106.

30. Brace C.L. Microwave Ablation With a Triaxial Antenna: Results in ex vivo Bovine Liver // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. V. 53. № 1. P. 215-220.

31. Yang D. Measurement and Analysis of Tissue Temperature During Microwave Liver Ablation // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2007. V. 54. № l.P. 150- 155.

32. Wolf F. J. Thermal Ablation Clinical Applications, Safety and Efficacy // Medicine & Health. 2009. V. 92. № 12. P. 407 411.

33. Nielsen O.S., Munro A.J., Tannock I.F. Bone metastases: pathophysiology and management policy // Journal of Clinical Oncology. 1991. V. 9. № 3. P. 509-524.

34. Simon C.F., Dupuy D.E., Mayo-Smith W.W. Microwave Ablation: Principles and Applications // RadioGraphics. 2005. № 25. P. 69-83.

35. Новрузов И.И., Комаров В.В. Микроволновая гипертермия биологических тканей: физические аспекты и техническая реализация / И.И. Новрузов, В.В. Комаров// Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 192196.

36. Официальный сайт компании Pavonigroup URL:http://www.pavonigroup.com/default.do (дата обращения 01.10.2011).

37. Minato Medical, Microtizer MT-SDi, Diathermy Unit, Physical Therapy -manufacturer specifications URL: http://www.medwow.com/med/diathermy-unit-physical-therapy/minato-medical/microtizer-mt-sdi/21221.model-spec (дата обращения 01.10.2011).

38. BSD Medical Corporation | Hyperthermia (Heat) Therapy Cancer Treatment . Salt Lake City, Utah URL: http://www.bsdmc.com/productsbsd500.php (дата обращения 01.10.2011).

39. Johnson J.E., Neuman D.G., Maccarini P.F. Evaluation of a dual-arm Archimedean spiral array for microwave hyperthermia // International Journal of Hyperthermia. 2006. V. 22. № 6. P. 475 490.

40. Установка для локальной СВЧ-гипертермии злокачественных новообразований с системой автоматической стабилизации температуры в зоне облучения «Яхта-3» URL: http://www.hyperthermia.ru (дата обращения 01.10.2011).

41. Гаврил ов М. «ЯХТА» Корабль надежды // Изобретатель и рационализатор. 2008. № 12. С. 14-15.

42. Излучатель СВЧ-энергии для нагрева тканей тела человека: пат. 2324509 Рос. Федерация. № 2006120271/14; заявл. 09.06.06 ; опубл. 27.12.07.

43. Гельвич Э.А., Мазохин В.Н. Современное состояние и перспективы применения электромагнитной гипертермии в медицинской практике // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. № 11. С. 29 36.

44. Lagendijk J. W. A New Coaxial ТЕМ Radiofrequency Microwave Applicator for Non-Invasive Deep-Body Hyperthermia // Journal of microwave Power. 1983. V. 18. №4. P. 367-375.

45. Излучатель для аппарата микроволновой терапии: пат. 1223923 СССР. № 3618661/22-14; заявл. 11.07.83 ; опубл. 15.04.86.

46. Kantor G. The performance of a new 915-MHz direct contact applicator with reduced leakage // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1983. V. 18. № 2. P. 133 142.

47. Nikawa Y.s Heating system with a lens applicator for 430 MHz microwave hyperthermia // International Journal of Hyperthermia. 1990. V. 6. № 3. P. 671 -684.

48. Gupta R.C., Singh S.P. Development and analysis of a microwave direct contact water-loaded box-horn applicator for therapeutic heating of bio-medium // Progress In Electromagnetics Research. 2006. V. 62. P. 217 235.

49. Togni P., Vrba J., Vannucci L. System to Study the Effects of Microwave Hyperthermia on In-vivo Melanoma Model // Proceedings of the 38th European Microwave Conference. 2008. Amsterdam. The Netherlands. P. 1273 1276.

50. Transparent electromagnetic applicator and hyperthermia treatment method : пат. 7769468 USA. № 11/367,076; заявл. 03.03.2006.

51. Официальный сайт компании Mermaid Medical URL: http://www.mermaidmedical.dk (дата обращения 01.10.2011).

52. Bartoletti R., Cai T. In vivo microwave-induced porcine kidney thermoablation: results and perspectives from a pilot study of a new probe // BJU International. 2010. V. 106. № 11. P. 1817-1821.

53. Brace C.L. Analysis and experimental validation of a triaxial antenna for microwave tumor ablation // IEEE MTTS International Microwave Symp. 2004. V.3.P. 1437-1440.

54. Schramm W. Contribution of Direct Heating, Thermal Conduction and Perfusion During Radiofrequency and Microwave Ablation // The Open Biomedical Engineering Journal. 2007. V. 1. P. 47 52.

55. Cavagnaro M., Amabile С., Bernardi P. Design and realization of a new type of interstitial antenna for ablation therapies // Proceedings of the 39th European Microwave Conference. 2009. Rome. Italy. P. 878 881.

56. Савви С. А., Силин A.O., Иванова Ю.В. Разработка излучателя и обоснование оптимальных режимов СВЧ-терапии в комплексном лечении послеожоговых стриктур пищевода // Украинский журнал хирургии. 2009. №4. С. 121-124.

57. Всемирная Организация Здравоохранения: Воздействие радиочастотных полей на здоровье (Информационный листок 183) URL: http://www.who.int/docstore/peh-emf/publications/actspress/rfact/rfs 183 .htm (дата обращения 01.10.2011).

58. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 1983. 140 С.

59. Jolly P. Non-linear field solutions of one-dimensional microwave heating // Journal Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1990. V. 25. № 1. P. 3 -15.

60. Коломейцев B.A. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дис. д-ра техн. наук. Саратов, 1999. 439 с.

61. Kolomeytsev V.A., Yakovlev V.V. Self-conjugated problem of microwave heating for waveguide structures contained thermoparametric media // Proceedings of the 5th Conference on Microwave and HF Heating. 1995. Cambridge. UK. P. 221 224.

62. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1992.416 с.

63. Ayappa K.G., Davis E.A., Gordon J. Analysis of microwave heating of materials with temperature-dependent properties // AIChE Journal. 1991. V. 37. № 3. P. 313-322.

64. Гагарина Л.Г. Модель процесса управления микроволновым нагревом // Известия вузов. Электроника. 2003. № 5. С. 94 95.

65. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь. 2000, 536 с.

66. Yao Bi J.L. Vector absorbing boundary conditions for nodal or mixed finite elements //IEEE Transactions on Magnetics. 1996. V. 32. № 2. P. 848 853.

67. Изюмова Т. И., Свиридов В. Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. М.: Энергия, 1975. 112 с.

68. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высшая школа, 1990. 335 с.

69. Анфиногентов В.И. Математические модели СВЧ-нагрева диэлектриков конечной толщины // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006. Т. 9. № 1. С. 78 83.

70. Soriano V., Devece С., De los Reyes E. A finite element and finite difference formulation for microwave heating laminar material // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1998. V. 33. № 2. P. 67 76.

71. Dibben D.C., Metaxas A.C. Finite element time domain analysis of multimode applicators using edge elements // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1994. V. 29. № 4. P. 242 251.

72. Experimental validation of a combined electromagnetic and thermal FDTD model of a microwave heating process / L. Ma, D.L. Paul, N. Pothecary et al. //

73. EE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1995. V. 43. №. 11. P. 2565 -2572.

74. Flockhart C., Trenkic V., Christopoulos C. The simulation of coupled electromagnetic and thermal problem in microwave heating // Proceedings of the 2nd Conference on Computation in Electromagnetics. 1994. Nottingham. UK. P. 267-270.

75. Рогов И.А., Некрутман C.B. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1986. 351 с.

76. Бердоносов С.С., Бердоносов Д.Г., Знаменская И.В. Микроволновое излучение в химической практике // Химическая технология. 2000. № 3. С. 2-8.

77. Huang К.М., Lin Z., Yang X.Q. Numerical simulation of microwave heating on chemical reaction in dilute solution // Progress in Electromagnetics Research Online. 2004. №. 49. P. 273-289.

78. Ratanadecho P., Aoki K., Akahori M. The characteristics of microwave melting of frozen packed beds using a rectangular waveguide // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 2002. V. 50. №. 6. P. 1495 1502.

79. Haala J., Wiesbeck W. Modeling microwave and hybrid heating processes including heat radiation effects // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 2002. V 50. №. 5. P. 1346 1354.

80. Electromagnetic-thermal field coupling in microwave heating applications / M. Pauli, T. Kayser, G. Adamiuk, W. Wiesbeck // Proceedings of the 11th International Conference on Microwave and HF Heating. 2007. Oradea. Romania. P. 37-40.

81. Pennes H. H. Analysis of tissue and arterial blood temperature in the resting human forearm // Journal of Applied Physiology. 1948. V. 1. P. 93 122.

82. Electromagnetic and thermal simulations of 3D human head model under RF radiation by using the FDTD and FD approaches /Y. Lu, J. Ying, Т.К. Tan, K.

83. Arichandran // IEEE Transactions on Magnetics. 1996. V. 32. № 3. P. 1653 -1656.

84. Control of heating pattern for interstitial microwave hyperthermia by a coaxial-dipole antenna aiming at treatment of brain tumor / S. Kikuchi, K. Saito, M. Takahashi, K. Ito // Electronics and Communications in Japan. 2007. V. 90. № 12. P. 31 -38.

85. Novruzov I.I., Komarov V.V. Coupled electromagnetic-bioheat problem for microwave hyperthermia and ablation therapy modeling // Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: сб. науч. тр. Саратов: Саратовского ун-та, 2011. С.20-27.

86. IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE Std C95.1, 1999 Edition. 1999.

87. Луканин B.H., Шатров М.Г., Камфер Г.М. Теплотехника, под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 2002. 671 с.

88. Stuchly М.А. Dielectric properties of biological substances tabulated // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1980. V.15. № l.P. 19-26.

89. Иресман Л.С. Действие микроволн на живые организмы и биологические структуры // Успехи физических наук. 1965. Т. 86. № 2. С. 263 302.

90. Rogers J.A. et al. Dielectric properties of normal and tumor mouse tissue between 50 MHz and 10 GHz. // British Jr. of Radiology. 1983. V. 56. P. 335338.

91. Gabriel C., Gabriel S. Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies URL: http://niremf.ifac.cnr.it/docs/DIELECTRIC/home.html (дата обращения 01.10.2011)

92. Stuchly M.A. Dielectric properties of biological substances tabulated // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1980. V.15. №1. P. 19-26.

93. Rugh J.P, Bharathan D. Predicting Human Thermal Comfort in Automobiles // Presented at the Vehicle Thermal Management Systems Conference and Exhibition. 2005. Toronto. Canada. P. 135-142.

94. Schroeder M.J. An Analysis on the Role of Water Content and State on Effective Permittivity Using Mixing Formulas // Jornal of Biomechanics, Biomedical and Biophysical Engineering. 2008. V. 2. № 1. P. 175-210.

95. Bingu G., Abraham S.J., Lonappan A. Detection of dielectric contrast of breast tissues using confocal microwave technique // Microwave and Optical Technology Letters. 2006. V. 48. № 6. P. 1187- 1190.

96. Faktorova D. Complex Permittivity of Biological Materials Measurement at Microwave Frequencies // Measurement science review. 2004. V. 7. № 2. P. 12 -15.

97. Komarov V.V., Tang J. Dielectric permittivity and loss factor of tap water at 915MHz // Microwave and optical technology letters. 2004. V. 42. № 5. P. 419 -420.

98. Волков A.M., Жарский И.М. Большой химический справочник. Минск.: Современная школа, 2005. 608 с.

99. Гинзбург А.С., Громов М.А., Кроссовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник. М.: Агропромиздат, 1990. 286 с.

100. Sekkak А. 3D FEM magneto-thermal analysis in microwave ovens // IEEE Transactions on Magnetics. 1994. V. 30. № 5. P. 3347 3350.

101. Ma L., Paul D.L. Experimental validation of a combined electromagnetic and thermal FDTD model of a microwave heating process // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1995. V. 43. P. 2565 2570.

102. Chan T.V.C. 3-DimensionaI numerical modeling of an industrial radio frequency heating system using finite elements // Int. J. Microwave Power and Electromagnetic Energy. 2004. V. 39. № 2. P. 81 105.

103. Heidemann M. Calculation of electromagnetically and thermally coupled fields in real soil decontamination // Proceedings of the 15th Int. Wroclaw Symposium on EMC. 2000. Poland. P. 289-293.

104. Kopyt P. FDTD modeling and experimental verification of electromagnetic power dissipated in domestic microwave ovens // Journal of Telecommunications and Information Technology. 2003. № 1. P. 59 65.

105. Electromagnetic design of a microwave applicator for industrial rice desinfection processes // Proceedings of the 7th Int. Conf on Microwave and HF Heating. Valencia. Spain. 1999. P. 477-480.

106. Santos Т., Costa L.C. 3D Electromagnetic Field Simulation in Microwave Ovens: A Tool to Control Thermal Runaway// COMSOL Conference. 2010. Paris. France. P. 1210-1215.

107. Yakovlev V.V. Comparative analysis of contemporary EM software for microwave power industry // Microwaves: Theory and Applications in Material Processing V. Ceramic Transactions. 2000. V. 111. P. 551 558.

108. Nehrbass J. W. Optimal finite-difference sub-gridding techniques applied to the Helmholtz equation // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2000. MTT-48. P. 976-984.

109. Новрузов И.И., Комаров B.B. Математическое моделирование медицинских аппликаторов для локальной СВЧ-гипертермии // Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, СГТУ. 2010. С. 119-120.

110. Новрузов И.И., Комаров В.В. Методика разработки компьютерных моделей микроволновых устройств сложной конфигурации // Радиотехника и связь: сб. научи, тр. Саратов. СГТУ. 2008. с. 263-268.

111. Новрузов И.И., Комаров В.В. Исследование электромагнитных и тепловых полей в ближней зоне контактного волноводного аппликатора // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2011. №4 (20). С. 151-158.

112. Qiu D., Klymyshyn D.M., Pramanick P. Ridged waveguide structures with improved fundamental mode cutoff wavelength and bandwidth characteristics // International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Design. 2002. V. 12. №2. P. 190-197.

113. Новрузов И.И., Комаров B.B., Савина А.Г Оптимизация коаксиально-волноводных переходов ISM диапазона частот // Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Псков, 2009. С. 227-228.

114. Hardie D., Sangster A.J., Cronin N.J. Coupled field analysis of heat flow in the near field of a microwave applicator for tumor ablation // Electromagnetic Biology and Medicine. 2006. V. 25. P. 29-43.

115. Новрузов И.И., Комаров В.В Волноводный аппликатор для локального нагрева биологических тканей СВЧ-излучением // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С.199-202.

116. Новрузов И.И., Комаров В.В. Разработка и анализ микроволнового аппликатора для фокусировки электромагнитного поля в тканях человека // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №2(57). Вып. 1.С. 27-34.

117. Патент на изобретение. Заявка 2011122886 RU МПК: A61N 5/02 Контактный микроволновый аппликатор / Комаров В.В., Новрузов И.И. Решение о выдаче патента от 8.06.2012.

118. Новрузов И.И., Комаров В.В. Анализ электромагнитных и тепловых полей интерстициального микроволнового аппликатора // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 4. С. 57 62.

119. Coaxial Antenna With Miniaturized Choke for Minimally Invasive Interstitial Heating / I. Longo, G.B. Gentili, M. Cerretelli, N. Tosoratti // IEEE Transactions on biomedical engineering. 2003. V. 50, № 1. P. 82 88.

120. Hurter W., Reinbold F., Lorentz W.J. A dipole antenna for interstitial microwave hyperthermia // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1991. V. 39. № 6. P. 1048 1054.

121. Новрузов И.И., Комаров В.В. Управление тепловыми источниками в ближней зоне коаксиальной штыревой антенны для СВЧ гипертермии биологических тканей // Антенны. 2011. № 11 (174). С. 10-13.

122. Ryan Т.Р., Turner P.F., Hamilton В. Interstitial microwave transition from hyperthermia to ablation: historical perspectives and current trends in thermal therapy // International journal of Hyperthermia. 2010. V. 26. № 5. P. 415 433.