Elektricky malá anténa pro hypertermii hlavy a krku

Abstract

Mikrovlnné antény jsou efektivním a rozvíjejícím se nástrojem v oblasti hypertermie. V numerickém simulátoru lze antény navrhnout a následně postavit a otestovat. Cílem této práce bylo navrhnout elektricky malou anténu s ověřením její funkčnosti, postavit ji a změřit vhodné parametry dle směrnice Quality assurance guidelines. Výsledky měření porovnat se simulacemi a ověřit simulacemi funkčnost víceanténového uspořádání. Za pomoci softwaru COMSOL Multiphysics byla navržena metamateriálová anténa a ověřena její funkčnost. Anténa byla následně pomocí reálných materiálů a součástek sestavena spolu s vodím bolem a fantomem svalové tkáně. Celá aparatura byla otestována a naměřené výsledky byly analyzovány a porovnány s numerickými simulacemi. Z navržené antény bylo vytvořeno čtyř-anténové uspořádání, jehož funkčnost byla ověřena simulacemi. Anténa o rozměrech 4,44×4,44 cm byla funkční z hlediska symetričnosti simulované specifické míry absorpce (SAR) a homogenních vektorů el. pole včetně usměrnění vektorů proudové hustoty jednotlivých airbridgů. Vodní bolus a fantom byly realizovány dle směrnice. Postavená a změřená anténa dosahovala při frekvenci 434 MHz odrazového parametru S11 = -23 dB, efektivní velikosti pole (EFS) = 72 % a teplotní efektivní velikosti pole (TEFS) = 72 %. Měření se v analyzovaných parametrech liší od simulací maximálně o 7,6 %. Simulované čtyř-anténové uspořádání mělo vyšší intenzitu el. pole vlivem sčítání vln jednotlivých antén a symetrické rozložení SAR. Cíl projektu byl splněn navržením elektricky malé a funkční metamateriálové antény, jejím postavením spolu s potřebnou aparaturou, otestováním na vybrané parametry ze směrnice a jejich porovnáním se simulacemi. Dále byla potvrzena možnost použití této antény ve víceanténovém uspořádání.

Microwave antennas are an effective and emerging tool in the field of hyperthermia. In a numerical simulator, antennas can be designed and then built and tested. The aim of this work was to design an electrically small antenna with verification of its functionality, build it and measure the appropriate parameters according to "Quality assurance guidelines". To compare the measurement results with simulations and to verify the functionality of the multi-antenna array by simulations. Using COMSOL Multiphysics software, the metamaterial antenna was designed, and its functionality was verified. The antenna was then assembled using real materials and components along with a water bolus and muscle phantom. The whole equipment was tested, and the measured results were analyzed and compared with numerical simulations. A four-antenna array was created from the designed antenna and its functionality was verified by simulations. The 4,44×4,44 cm antenna was functional in terms of symmetry of the simulated specific absorption rate (SAR) and homogeneous electric field vectors, including the orientation of the current density vectors of individual airbridges. The water bolus and phantom were built according to the guideline. The built and measured antenna achieved a reflection parameter S11 = -23 dB, effective field size (EFS) = 72 % and thermal effective field size (TEFS) = 72 % at 434 MHz. The measurements differed from the simulations by a maximum of 7,6 % in the analyzed parameters. The simulated four-antenna array had a higher electric field strength due to the wave summation of the individual antennas and a symmetric SAR distribution. The objective of the project was met by designing an electrically small and functional metamaterial antenna, building it together with the necessary apparatus, testing it for selected parameters from the guidelines and comparing them with the simulations. Furthermore, the possibility of using this antenna in a multi-antenna array was confirmed