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Una antena estrangulada de doble ranura desarrollada para la ablación hepática por microondas (tratamiento de tumores) se simula en XFdtd para determinar el rendimiento de la antena y la eficacia del dispositivo para el tratamiento de tumores profundos. El estudio se basa en el artículo publicado por Bertram et. al. [1] en el que se describen las pérdidas de retorno y la distribución SAR de la antena mientras se encuentra en tejido hepático bovino. Además de repetir esos resultados, se utiliza el solver térmico de XF para determinar el aumento de temperatura del tejido hepático causado por la radiación de la antena.
La antena es una sonda que se introduce en el hígado para quemar tejido tumoral difícil o imposible de extirpar por otros medios. La antena consiste en una línea coaxial con dos ranuras cerca de la punta y un choke de cobre que actúa como balun. 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 situadas debajo. En la Figura 2, se muestra una vista transversal de la antena tal y como está definida utilizando PrOGrid Project Optimized Gridding en XF.
Figura 1: Se muestra la representación CAD de la antena estrangulada de doble ranura. 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 visualizada. Aquí el mallado está determinado por PrOGrid.
Los parámetros eléctricos del tejido hepático medidos se proporcionaron como dos gráficos de conductividad y permitividad de 0 a 20 GHz. Los puntos de datos discretos se digitalizaron y se introdujeron en la calculadora de materiales dispersivos de XF. Esta herramienta convierte la conductividad y la permitividad medidas en un perfil de material dispersivo para su uso en la simulación electromagnética. En la Figura 3 se muestran el menú y los gráficos de los datos de entrada y el ajuste de la curva resultante para un material XF.
Figura 3: Se muestra la herramienta Calculadora de materiales dispersivos con los parámetros del material dependiente de la frecuencia para el tejido hepático. Se introducen en la herramienta la conductividad y la permitividad del hígado en función de la frecuencia y se define un modelo de material dispersivo utilizable en XF mediante un algoritmo de ajuste de curvas.
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 materiales dispersivos. La geometría simulada se muestra en la figura 4. Tras una simulación de banda ancha, la pérdida de retorno muestra una correspondencia aceptable a la frecuencia de diseño de 2,45 GHz, como se muestra en la Figura 5.
Figura 4: Se muestra toda la geometría simulada, incluida la antena y el tejido hepático circundante.
Figura 5: La pérdida de retorno de la antena muestra un rendimiento aceptable a la frecuencia de diseño prevista de 2,45 GHz.
Una vez validado el diseño de la antena, se realiza una segunda simulación a 2,45 GHz y se calculan los datos de la tasa de absorción específica (SAR) y el aumento de temperatura. El SAR indica la cantidad de potencia absorbida en el tejido, en este caso para 50 W de potencia de entrada. En la Figura 6 se muestra un gráfico del SAR en la sección transversal de la antena en una escala lineal de vatios/kg. En la Figura 7 se muestra un segundo gráfico del SAR en una escala logarítmica con regiones de variación de 5 dB.
Figura 6: La tasa de absorción específica (SAR) en el tejido hepático para una potencia de entrada de 50 W a la antena se muestra en una escala lineal de vatios/Kg. La potencia absorbida está estrechamente ligada a las aberturas radiantes de la antena.
Figura 7: La tasa de absorción específica (SAR) en el tejido hepático para una potencia de entrada de 50 W a la antena se muestra en una escala logarítmica en la que cada banda de color representa una caída de 5 dB.
La simulación térmica calcula el aumento de temperatura en el tejido a partir de la potencia absorbida e incluye los efectos de la transferencia de calor por conducción entre materiales conectados térmicamente, la perfusión sanguínea, los procesos metabólicos y el calentamiento general por radiofrecuencia. En este ejemplo, el tejido hepático no es vivo, por lo que no se incluyen la perfusión sanguínea ni los procesos metabólicos. El aumento de temperatura de la fuente ajustada a una potencia de entrada de 50 W se representa en la figura 8 y muestra un calentamiento intenso cerca de la punta de la sonda.
Figura 8: Se muestra el aumento de temperatura en el tejido hepático para una potencia de entrada de 50 W. El aumento máximo de temperatura aparece cerca de la punta de la antena.
Referencia
J.M. Bertram, D. Yang, M.C. Converse, J.G. Webster y D.M. Mahvi, "Antenna design for microwave hepatic ablation using an axisymmetric electromagnetic model", BioMedical Engineering OnLine, 2006, 5:15.