Вплив конструкції антени на точність вимірювання внутрішньої температури тіла в мікрохвильовій радіотермометрії
Анотація
Досліджено вплив конструкції антени на точність і глибину вимірювання внутрішньої температури тіла людини у системах мікрохвильової радіотермометрії. Проведено порівняльний аналіз основних типів антен, які застосовуються у медичних радіотермометрах, зокрема – щілинних, патч, хвилеводних та рупорних. Визначено ключові параметри, що впливають на якість вимірювань: робочий частотний діапазон, глибину проникнення сигналу, просторову роздільну здатність, рівень відбиття та втрат. Запропоновано математичну модель, яка враховує фізико-технічні характеристики антен і математично описує залежність інтенсивності прийнятого сигналу від глибини, температури та коефіцієнта поглинання біологічних тканин. Модель реалізовано мовою програмування Python, що дало змогу змоделювати процес виявлення локальних термічних аномалій у біологічних тканинах за допомогою різних типів антен та оцінити їх чутливість до змін температури на різних глибинах. Додатково проведено аналіз впливу частоти та геометрії антени на стабільність результатів вимірювання, що дало змогу визначити оптимальні діапазони параметрів для медичних застосувань і підвищити достовірність отриманих результатів. Результати моделювання показали, що частоти 0,3-1 ГГц забезпечують більшу глибину зондування, проте мають нижчу просторову роздільну здатність, тоді як антени з частотою 3-6 ГГц краще підходять для поверхневих вимірювань. Рупорні антени продемонстрували найвищу ефективність для глибинних зон (до 6-7 см), хвилеводні – для середніх глибин, а патч і щілинні антени – для поверхневих або портативних застосувань. Отримані результати мають важливе практичне значення для вдосконалення конструкцій медичних радіотермометрів, раціонального вибору антени під конкретне клінічне завдання та підвищення точності неінвазивної термодіагностики. Розроблену модель можна використати для калібрування пристроїв, тестування нових моделей, створення систем ранньої діагностики захворювань і подальшої автоматизації процесів аналізу температурних аномалій у медичних інформаційно-вимірювальних системах.
Завантаження
Посилання
Abdel‐Haleem, M. R., Abouelnaga, T., Abo‐Zahhad, M., & Ahmed, S. M. (2021). Enhancing microwave breast cancer hyperthermia therapy efficiency utilizing fat grafting with horn antenna. International Journal of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering, 31(6), article ID e22651. https://doi.org/10.1002/mmce.22651
Bazyka, D. A., & Vorobyov, M. O. (2022). Radiothermometry as a dynamic method of examination of the chemoradiotherapy efficiency in patients with malignant neoplasm of the oral cavity, oral and laryngeal parts of the pharynx. Ukrainian Medical Journal, 6(152), 1–7. https://doi.org/10.32471/umj.1680-3051.152.235151
Biswas, C., Nasrin, R., & Ahmad, M. S. (2022). Numerical analogy of bioheat transfer and microwave cancer therapy for liver tissue. Heat Transfer, 1–28. https://doi.org/10.1002/htj.22597
Elsaadi, M., & Hamad, R. (2023). Breast cancer hyperthermia treatment based on slotted patch antenna at 2.45 GHz. Circuits and Systems, 14(5), 10–18. https://doi.org/10.4236/cs.2023.145002
Istituto di Fisica Applicata "Nello Carrara" (IFAC) – Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). (2021). Calculation of the dielectric properties of body tissues. Retrieved October 28, 2022. URL: https://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/htmlclie/htmlclie.php
Kim, I., Lee, D.-M., Shin, J.-W., Lee, G.-J., Kim, E.-S., & Kim, N.-Y. (2024) Radio frequency hyperthermia system for skin tightening effect by filled waveguide aperture antenna with compact metamaterials. Front. Bioeng. Biotechnol, 12, article ID 1378084. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1378084
Klemetsen, Ø. (2012). Design and evaluation of a medical microwave radiometer for observing temperature gradients subcutaneously in the human body. University of Tromsø, Tromsø, Norway. URL: https://www.researchgate.net/publication/277232511 _Design_and_Evaluation_of_a_Medical_Microwave_Radiometer_for_Observing_Temperature_Gradients_Subcutaneously_in_the_Human_Body
León, G., Herrán, L. F., Mateos, I., Villa, E., & Ruiz-Alzola, J. B. (2020). Wideband Epidermal Antenna for Medical Radiometry. Sensors, 20(7), article ID 1987. https://doi.org/10.3390/s20071987
Lyu, C., Li, W., Li, S., Mao, Y., & Yang, B. (2023). Design of ultra-wideband phased array applicator for breast cancer hyperthermia therapy. Sensors, 23(3), article ID 1051. https://doi.org/10.3390/s23031051
Ma, M.-L., Zhao, D., Hu, Z.-J., Wang, Y., Liang, F., & Wang, B.-Z. (2024). Increasing Microwave Penetration Depth in the Human Body by a Complex Impedance Match of Skin Interface with a Two-Layered Medium. Electronics, 13(19), article ID 3915. https://doi.org/10.3390/electronics13193915
Maisakovskyi, R. I. (2025). Radiotermometer antena.py [Computer software]. GitHub. URL: https://github.com/qroma/radiotermometer/blob/main/radiotermometer%20antena.py
Maisakovskyi, R. I., & Stepanyak, M. V. (2024). Analysis of non-invasive methods for measurement of internal human body temperature. Scientific bulletin of UNFU, 34(5), 100–118. https://doi.org/10.36930/40340515
Maisakovskyi, R. I., & Stepanyak, M. V. (2024). Methods of non-invasive measurement of internal body temperature. Information-Measuring Technologies IVT-2024: Abstracts of the 2nd International Scientific and Practical Conference, November 13–14, 2024, Lviv (pp. 180–181). [In Ukrainian]. URL: https://eu-conf.com/en/events/the-most-difficult-problems-of-youth-and-ways-to-solve-them
Maisakovskyi, R. I., & Stepanyak, M. V. (2025). Mathematical modeling of the process of measuring human internal body temperature using a radiothermometer. Scientific Bulletin of UNFU, 35(2), 140–145. https://doi.org/10.36930/40350216
Maisakovskyi, R. I., & Stepanyak, M. V. (2025). Mathematical modeling of core body temperature measurement. Abstracts of III International Scientific and Practical Conference. Krakow, Poland, 254–258. URL: https://eu-conf.com/en/events/the-most-difficult-problems-of-youth-and-ways-to-solve-them
Ortega-Palacios, R., Trujillo-Romero, C. J., Cepeda-Rubio, M. F. J., Leija, L., & Vera Hernández, A. (2020). Heat transfer study in breast tumor phantom during microwave ablation: Modeling and experimental results for three different antennas. Electronics, 9(3), article ID 535. https://doi.org/10.3390/electronics9030535
Pashchenko, H. A., & Tereshchenko, M. F. (2024). Modeling the impact of laser irradiation on temperature changes in biological tissues. Bulletin of Kyiv Polytechnic Institute. Series Instrument Making, 67(1), 96–102. https://doi.org/10.20535/1970.67(1).2024.306876
Rajput, J. L., Nandgaonkar, A. B., Nalbalwar, S. L., Wagh, A. E., Munde, M. M., & Huilgol, N. G. (2021). Teeth shaped microstrip antenna for breast hyperthermia. 2021 IEEE 4th International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON), 1–6. https://doi.org/10.1109/GUCON50781.2021.9573629
Ravi, V. M., Akki, R. S., Sugumar, S., Venkata, K. C., & Arunachalam, K. (2019, March 9–15). Design and evaluation of medical microwave radiometer for measuring tissue temperature. In Proceedings of the URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (URSI AP-RASC) (pp. 1–3). IEEE. https://doi.org/10.23919/URSIAP-RASC.2019.8738630
Saravanan, S., Haimavathi, K. U., & Aafizaa, K. (2025). Biomedical Antenna Design: Micro strip Patch Antennas for Wearable and Implantable Healthcare Applications-A Review. Biomedical Materials & Devices. https://doi.org/10.1007/s44174-025-00299-0
Sun, G., Liu, J., Ma, J., Zhang, K., Sun, Z., Wu, Q., Wang, H., & Liu, Y. (2021). Design and implementation of multiband noncontact temperature-measuring microwave radiometer. Micromachines, 12(10), article ID 1202. https://doi.org/10.3390/mi12101202
Tian, H., ZhuGe, X., Hu, A., Dou, Q., & Miao, J. (2023). A novel noncontact Ku-band microwave radiometer for human body temperature measurements. Progress in Electromagnetics Research, 178, 13–36. https://doi.org/10.2528/PIER23042501
Trujillo-Romero, C. J., Leija-Salas, L., Vera-Hernández, A., Rico-Martínez, G., & Gutiérrez-Martínez, J. (2021). Double slot antenna for microwave thermal ablation to treat bone tumors: Modeling and experimental evaluation. Electronics, 10(7), article ID 761. https://doi.org/10.3390/electronics10070761
Villa, E., Aja, B., de la Fuente, L., Artal, E., Arteaga-Marrero, N., Ramos, G., & Ruiz-Alzola, J. (2023). Multifrequency Microwave Radiometry for Characterizing the Internal Temperature of Biological Tissues. Biosensors, 13(1), article ID 25. https://doi.org/10.3390/bios13010025
Vorlíček, J., Vrbová, B., & Vrba, J. (2011). Prospective applications of microwaves in medicine. In H. Gali-Muhtasib (Ed.). Advances in cancer therapy (pp. 507–532). InTech. https://doi.org/10.5772/22939
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
