Numerická studie vlivu parametrů obdélníkových zdrojů elektromagnetických vln na kvalitu hypertermické léčby v oblasti pánve

Abstract

Současný celosvětový výskyt rakoviny představuje pro lidstvo velkou zdravotní hrozbu. V minulosti byla vyvinuta celá řada velmi účinných léčebných přístupů. Často však vykazují nežádoucí vedlejší účinky. Existuje tak silná motivace pro vývoj nových bezpečnějších a minimálně stejně účinných metod. Výsledky klinických a výzkumných studií naznačují, že mikrovlnná hypertermie je velmi slibnou metodou léčby rakoviny v nejčastěji postižených oblastech lidského těla, mezi nimiž je i oblast pánve. Cílem této práce je přispět k výzkumu mikrovlnné hypertermie pánevní oblasti zkoumáním vlivu parametrů zdrojů elektromagnetických vln na kvalitu léčby. V rámci této práce byla provedena příslušná numerická studie pro různé cílové lokality na zjednodušených a anatomicky realistických modelech pacientů pomocí softwaru COMSOL Multiphysics a MATLAB. Parametry jejichž vliv byl studován zahrnují pracovní frekvenci zdrojů v rozsahu 70-150 MHz, prostorové uspořádání 4-8 zdrojů v jedné a dvou rovinách kolem pacienta, podélný rozměr zdroje v rozsahu 20-40 cm a příčný v rozsahu 10-20 cm. Z provedených analýz vyplynulo, že vhodnost uspořádání systému závisí na umístění cíle. Pro hluboko a relativně hluboko uložené nádory bylo nejoptimálnější uspořádání systému to se šesti zdroji v jednom prstenci, každý o délce 40 cm a šířce 15 cm nebo 20 cm, pracující na frekvenci 70 MHz. Preferované uspořádání systému pro léčbu cílů u povrchu zahrnovalo osm zdrojů v jednom prstenci, každý o délce 40 cm a šířce 10 cm, pracujících na frekvenci 70 MHz. Výsledné nastavení systému bylo aplikováno na tři anatomicky realistické modely. Výsledky těchto studií potvrdily vhodnost vybraných kombinací parametrů pro reálné použití. Nakonec bylo provedeno srovnání výkonových charakteristik ideálních a skutečných zdrojů elektromagnetických vln s cílem ověřit platnost výsledků této práce.

The current global incidence of cancer poses a major health threat to humanity. A number of highly effective treatment approaches have been developed in the past, although they often have undesirable side effects. There is thus a strong motivation to develop new safer and at least as effective methods. The results of clinical and research studies suggest that microwave hyperthermia is a very promising method of treating cancer in the most commonly affected areas of the human body, including pelvic region. The aim of this thesis is to contribute to research on microwave hyperthermia of the pelvic region by investigating the effect of electromagnetic wave source parameters on the quality of treatment. In this thesis, a relevant numerical study was performed for different target locations on simplified and anatomically realistic patient models using COMSOL Multiphysics and MATLAB software. Parameters, the influence of which was studied include operating frequency of the sources in the range of 70-150 MHz, spatial arrangement of 4-8 sources in one and two planes around the patient, longitudinal dimension of the source in the range of 20-40 cm and transverse dimension in the range of 10-20 cm. The analyses performed showed that the suitability of the system layout depends on target location. For deep and relatively deep-seated tumours, the most optimal system arrangement was that with six sources in one ring, each 40 cm long and 15 cm or 20 cm wide, operating at 70 MHz. The preferred system layout for treating near-surface targets included eight sources in a single ring, each 40 cm long and 10 cm wide, operating at 70 MHz. The resulting system setup was applied to three anatomically realistic models. Results from these studies confirmed the suitability of selected parameter combinations for real life use. Lastly, a comparison of power characteristics of ideal and real electromagnetic wave sources was performed to validate the results of this work.