Měření teplotních parametrů tkání a fantomů pro mikrovlnnou hypertermii

Abstract

Hlavním cílem práce bylo navrhnout a realizovat systém pro měření tepelných parametrů tkání a fantomů, které jsou využívány pro testování mikrovlnných diagnostických a terapeutických systémů. Po realizaci systému bylo potřeba provést sérii měření minimálně pěti testovaných vzorků. V přehledu současného stavu jsou stručně popsány základní informace o mikrovlnné hypertermii, fantomy a určení jejich teplotních parametrů a fyzikální děje uvnitř systému. Metody práce jsou rozděleny na dvě části, přičemž první je věnována návrhu a simulaci modelu v numerickém simulátoru COMSOL Multiphysics. Na simulaci modelu záleží realizovaný systém, jelikož jednotlivé parametry využité v simulaci by měly být podobné parametrům při realizaci. Druhá část metod je věnována realizaci systému, měření testovaných vzorků a statistickému vyhodnocení měření. Z naměřených teplot byly vypočítány hodnoty měrné tepelné kapacity c. U agarových fantomů byly vypočítány i hodnoty tepelné vodivosti λ. Po získání těchto tepelných parametrů byly porovnány s tabulkovými hodnotami tepelných parametrů, a získané teplotní průběhy byly porovnány s průběhy nasimulovanými v COMSOL Multiphysics. Prvním testovaným vzorkem byl slunečnicový olej, u kterého vyšla měrná tepelná kapacita c_olej=2670,5±242,2 (J·kg^(-1)·K^(-1)). Tento vzorek byl testován z důvodu funkčnosti realizovaného systému, jelikož u slunečnicového oleje jsou tepelné parametry tabelovány. Následně byly měřeny dva pevné agarové fantomy (čistý agarový fantom a agarový fantom s příměsí ethanolu) a dvě animální tkáně (vepřová játra a vepřové ledviny). Nejvyšší hodnota relativní chyby byla vypočtena u slunečnicového oleje, která vyšla R=45,4 (%). To mohlo být zapříčiněno delším časem měření, které trvalo 210 minut. V diskuzi a závěru jsou slovně zhodnoceny dosáhnuté výsledky.

The main objective of the work was to design and implement a system for measuring thermal parameters of tissues and phantoms used for testing microwave diagnostic and therapeutic systems. After the implementation of the system, it was necessary to perform a series of measurements of at least five test samples. In the state-of-the-art review, basic information about microwave hyperthermia, phantoms and the determination of their thermal parameters, and the physical processes within the system are briefly described. The methods of the paper are divided into two parts, the first of which is devoted to the design and simulation of the model in the COMSOL Multiphysics numerical simulator. The simulation of the model depends on the implemented system, since the individual parameters used in the simulation should be similar to the parameters in the implementation. The second part of the methods is devoted to the implementation of the system, the measurement of the test samples and the statistical evaluation of the measurements. From the measured temperatures, the specific heat capacity values c were calculated. For agar phantoms, the thermal conductivity values λ were also calculated. After obtaining these thermal parameters, they were compared with the tabulated values of thermal parameters, and the obtained temperature waveforms were compared with the waveforms simulated in COMSOL Multiphysics. The first sample tested was sunflower oil, which yielded a specific heat capacity of c_oil=2670.5±242.2 (J·kg^(-1)·K^(-1)). This sample was tested because of the functionality of the implemented system, since the thermal parameters are tabulated for sunflower oil. Subsequently, two solid agar phantoms (pure agar phantom and agar phantom with ethanol admixture) and two animal tissues (pig liver and pig kidney) were measured. The highest relative error value was calculated for sunflower oil, which came out to be R=45,4 (%). This could be due to the longer measurement time, which lasted 210 min. In the discussion and conclusion, the achieved results are verbally evaluated.