عنوان

آنتن‌‌‌‌های کانفرمال و کاربرد آنها در درمان سلول‌های سرطانی به روش هایپرترمیا

پ۲۷۵۰۲

per

آنتن‌‌‌‌های کانفرمال و کاربرد آنها در درمان سلول‌های سرطانی به روش هایپرترمیا

زهرا همتی

مهندسی برق و کامپیوتر

۱۴۰۱

۹۷ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

برق گرایش مخابرات

۱۴۰۱/۰۶/۳۰

چکیده: امروزه به دلیل افزایش ابتلا به سرطان، روش‌های متعدد درمانی مورد توجه قرار گرفته است. به دلیل قابلیت انتقال توان الکترومغناطیسی آنتن‌ها، از آن‌ها جهت درمان سرطان استفاده می‌شود که این روش هایپرترمیا نام دارد. به همین منظور، در این پایان‌نامه یک آنتن شکافی در فرکانس 2.45 GHz برای درمان سرطان سینه به روش غیرتهاجمی طراحی و به منظور افزایش پهنای باند و عدم تاثیرپذیری عملکرد آنتن در مقابل تغییر بافت درمانی، با خط مایکرواستریپ چنگالی‌شکل تغذیه شده است. همچنین برای جلوگیری از تشعشعات پشتی آنتن که برای کاربر مضر است، از یک لایه نئوپرن برای جذب امواج به همراه یک صفحه رفلکتور نیمکروی برای انعکاس امواج به سمت بافت تحت درمان استفاده شده است. این آنتن متشکل از یک آنتن شکافی و دو پچ مستطیلی است که نسبت به آنتن‌های قبلی ابعاد آن کاهش یافته و در نتیجه امکان استفاده از تعداد المان‌های بیشتری در آرایه برای افزایش نفوذپذیری وجود دارد. با آرایه نمودن این المان و ایجاد اختلاف فاز بین المانها، تمرکز توان به سمت تومور هدایت و نیز عمق نفوذ SAR نسبت به حالت تک المانی افزایش داده شده است. همچنین با طراحی آنتن به‌صورت کانفرمال و امکان منطبق نمودن آن روی بافت، میزان انتقال انرژی به داخل بافت افزایش یافته و با استفاده از کیسه آب خنک کننده از آسیب دیدن بافت سالم نیز تا حد امکان جلوگیری شده است. با استفاده از نرم‌افزار CST Microwave Studio 2021 شبیه‌سازی دقیق ساختار روی بافت سینه انجام شده و طبق نتایج بدست آمده ابعاد آنتن تک المانی 18 mm×12 mm با عمق نفوذ SAR، 17.8 mm و اندازه میدان موثر 91.72 mm^2 می‌باشد. میزان عمق نفوذ SAR با افزایش تعداد المان‌ها به طور قابل توجهی بیشتر شده و برای آرایه‌های خطیِ 3، 5 و 7 المانی به ترتیب 31.93 mm، 37.17 mm و 42.92 mm با اندازه میدان موثر 240.0 mm^2، 376.64 mm^2 و546.4 mm^2 بدست آمده است. طبق نتایج تحلیل دمایی، با ماکزیمم توان ورودی 4.5 W برای هر المان آرایه، دمای تومور در عمق 9 mm از سطح آنتن برای آنتن آرایه 1، 3، 5 و 7 المانی به ترتیب تا 39.25 °C،41.6 °C، 42.75 °C و 43.9 °C افزایش می‌یابد. در آنتن تک المانی برای افزایش دمای تومور تا 43 °C به طور تقریبی به ماکزیمم توان ورودی 12 W نیاز داریم که این توان موجب آسیب بیشتر به بافت سالم اطراف تومور می‌شود؛ به همین دلیل برای بالا بردن دمای تومور تا 43 °C با تغییرات نسبتا یکنواخت دما در محل تومور، کمترین آسیب به بافت سالم و نیز امکان تغییر محل تمرکز توان با تغییر محل تومور، از آنتن آرایه‌ای استفاده شده است.

Abstract: Nowadays, due to the increase in cancer, many treatment methods are being considered. Due to the ability of electromagnetic antennas to transmit power, they are used to treat cancer, which is called hyperthermia. For this purpose, in this thesis, a 2.45 GHz slot antenna is designed for breast cancer treatment in a non-invasive way, and it is fed with a fork-shaped microstrip feed line in order to increase the bandwidth and not affect the antenna's performance against the change of tissue therapy. In order to prevent the back radiation of the antenna, which is harmful to the operator, a neoprene layer has been used to absorb the waves along with a spherical reflector plate to reflect the waves towards the treated tissue. This antenna consists of a slot and two rectangular patches, whose dimensions are reduced compared to previous antennas, and as a result, it is possible to use more elements in the array. By arranging this element and creating a phase difference between the elements, the power concentration is directed towards the tumor and the depth of penetration has been increased compared to the single element mode. Also, with the conformal design of the antenna and the possibility of bending it to the tissue, the amount of energy transfer into the tissue has increased and by using the cooling water bolus, damage to the healthy tissue has been prevented as much as possible. Using CST Microwave Studio 2021 software, a detailed simulation of the structure on the breast tissue has been done and according to the results, the dimensions of the single-element antenna are 18 mm  12 mm with a penetration depth of 17.8 mm and an effective field size of 91.72 mm^2. The penetration depth of the antenna increases significantly with increasing the number of elements, and for the linear arrays of 3, 5 and 7 elements, it is 31.93 mm, 37.17 mm and 42.92 mm, respectively, with an effective size of 240.0 mm^2, 376.64 mm^2 and 546.4 mm^2. According to the results of the thermal simulations, with an input power of 4.5 W for each antenna element, at the depth of 9 mm from the surface of the antenna, the tumor temperature reaches to 39.25 °C, 41.6 °C, 42.75 °C and 43.9 °C for the arrays of 1, 3, 5 and 7 elements, respectively. In the single-element antenna, we need approximately 12 W of input power to increase the temperature of the tumor to the required 43°C, which causes more damage to the normal tissues near tumors; thus, antenna arrays are designed to raise the temperature of the tumor to 43°C with almost uniform variation of the temperature in the tumor region and less damage to the normal tissues. Array antennas also provide the ability of beam steering for off-center tumors

Conformal Antennas and Their Application in Treatment of Cancerous Cells Using Hyperthermi

همتی‏،

زهرا ‏

تهيه کننده

کاظمی،‏

‏رباب

استاد راهنما

‏تبریز