Simulación de rendimiento de la antena de una sonda para ablación térmica

Póngase en contacto con soporte de RemCom sobre los archivos de proyecto para este ejemplo haciendo clic aquí.

Se simula una antena de doble ranura con estrangulación desarrollada para la ablación de microondas hepática (tratamiento tumoral) en XFdtd para determinar el rendimiento de la antena y la efectividad del dispositivo para el tratamiento de tumores profundamente asentados. El estudio se basa en el artículo publicado por Bertram et. al. [1] que describió la pérdida de retorno y la distribución de SAR de la antena mientras estaba en el tejido hepático bovino. Además de repetir esos resultados, el solucionador térmico del XF se utiliza para determinar el aumento de la temperatura del tejido hepático causado por la radiación de la antena.

La antena es una sonda destinada a ser insertada en un hígado con el propósito de quemar tejido tumoral que es difícil o imposible de eliminar por otros medios. La antena consiste en una línea coaxial con dos ranuras cerca de la punta y un estrangulador de cobre que actúa como Balún. Toda la antena está cubierta por un catéter dieléctrico. La representación CAD de la antena se muestra en la figura 1, donde el catéter es semitransparente para mostrar el detalle de las partes de cobre a continuación. En la figura 2, se muestra una vista de sección transversal de la antena tal y como se define usando la cuadrícula optimizada del proyecto PrOGrid en XF.

Figura 1: se muestra la representación CAD de la antena de doble ranura ahogado. El catéter dieléctrico se muestra semitransparente para permitir la visualización de la estructura interna.

Figura 2: se muestra una vista transversal del interior de la antena con la malla FDTD mostrada. Aquí la cuadrícula es determinada por PrOGrid.

 

Los parámetros eléctricos medidos del tejido hepático se proporcionaron como dos parcelas de conductividad y permitividad de 0 a 20 GHz. Los puntos de datos discretos se digitalizaron y entraron en la función de calculadora de materiales dispersivos en el XF. Esta herramienta convierte la conductividad y la permitividad medidas a un perfil de material dispersivo para su uso en la simulación electromagnética. En la figura 3 se muestran el menú y las gráficas de los datos de entrada y el ajuste de la curva resultante para un material XF.

Figura 3: la herramienta de calculadora de materiales dispersivos se muestra con los parámetros del material dependiente de la frecuencia para el tejido hepático mostrado. La conductividad hepática y la permitividad versus la frecuencia son de entrada en la herramienta y un modelo de material dispersivo utilizable en XF se define utilizando un algoritmo de ajuste de curva.

 

Figura 3: la herramienta de calculadora de materiales dispersivos se muestra con los parámetros del material dependiente de la frecuencia para el tejido hepático mostrado. La conductividad hepática y la permitividad versus la frecuencia son de entrada en la herramienta y un modelo de material dispersivo utilizable en XF se define utilizando un algoritmo de ajuste de curva.

La antena se excita aplicando una fuente de modo TEM a través de la línea coaxial. A continuación, se coloca en el centro de un bloque de tejido hepático con los parámetros definidos por la calculadora de material dispersivo. La geometría simulada se muestra en la figura 4. Después de una simulación de banda ancha, la pérdida de retorno muestra una coincidencia aceptable en la frecuencia de diseño de 2,45 GHz como se muestra en la figura 5.

Figura 4: se muestra toda la geometría simulada, incluyendo la antena y el tejido hepático circundante.

Figura 5: la pérdida de retorno para la antena muestra un rendimiento aceptable a la frecuencia de diseño prevista de 2,45 GHz.

 

Con el diseño de la antena validado, se realiza una segunda simulación a 2,45 GHz y se calculan los datos de tasa de absorción específica (SAR) y la subida de temperatura. La SAR indica la cantidad de potencia absorbida en el tejido, en este caso para 50 W de potencia de entrada. Una parcela de la SAR en la sección transversal de la antena se muestra en la figura 6 en una escala lineal de watts/kg. Una segunda gráfica se muestra en la figura 7 para el SAR en una escala logarítmica que muestra las regiones de variación de 5 dB.

Figura 6: la tasa de absorción específica (SAR) en el tejido hepático para 50 W de potencia de entrada a la antena se muestra en una escala lineal de vatios/kg. La potencia absorbida está estrechamente ligada a las aberturas de radiación de la antena

Figura 7: la tasa de absorción específica (SAR) en el tejido hepático para 50 W de potencia de entrada a la antena se muestra en una escala logarítmica donde cada banda de color representa una caída de 5 dB.

 

La simulación térmica computa el aumento de temperatura en el tejido de la potencia absorbida e incluye los efectos de la transferencia de calor conductiva entre los materiales térmicamente conectados, la perfusión sanguínea, los procesos metabólicos y la calefacción RF general. En este ejemplo, el tejido hepático no es vivo y por lo tanto la perfusión sanguínea y los procesos metabólicos no están incluidos. El aumento de la temperatura de la fuente de 50 W se traza en la figura 8 y muestra un calentamiento intenso cerca de la punta de la sonda.

Figura 8: se muestra el aumento de la temperatura en el tejido hepático para una potencia de entrada de 50 W. El aumento de temperatura máximo aparece cerca de la punta de la antena.

 

Referencia

  1. J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, j. g. Webster, y m. a. mahvi, "diseño de antenas para la ablación hepática de microondas utilizando un modelo electromagnético axisimétrico" Ingeniería Biomédica en línea, 2006, 5:15.