Evaluación térmica de un conjunto de antena microcoaxial para tratar tumores óseos: diseño, modelado FEM paramétrico y evaluación en fantasma multicapa y tejido porcino
Autores: Ramírez-Guzmán, Texar Javier; Trujillo-Romero, Citlalli Jessica; Martínez-Valdez, Raquel; Leija-Salas, Lorenzo; Vera-Hernández, Arturo; Rico-Martínez, Genaro; Ortega-Palacios, Rocío; Gutiérrez-Martínez, Josefina
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Evaluación térmica de un conjunto de antena microcoaxial para tratar tumores óseos: diseño, modelado FEM paramétrico y evaluación en fantasma multicapa y tejido porcino
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Cáncer
Hueso
Antenas
Tratamiento
Temperatura
Ablación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 44
Citaciones: Sin citaciones
El cáncer de hueso es raro en adultos, las personas más afectadas por esta enfermedad son jóvenes y niños. Los tratamientos comunes para el cáncer de hueso son la cirugía, la quimioterapia y las terapias dirigidas; sin embargo, todos ellos tienen efectos secundarios que disminuyen la calidad de vida del paciente. La termoterapia es uno de los tratamientos más prometedores para el cáncer de hueso; su principal objetivo es aumentar la temperatura del tumor para matar las células cancerosas. Aunque algunas antenas micro-coaxiales se han utilizado para tratar tumores óseos, la mayoría de ellas están diseñadas para tratar tejido blando. Por lo tanto, el propósito de este trabajo es analizar el comportamiento térmico de cuatro antenas micro-coaxiales específicamente diseñadas para generar ablación térmica en tejido óseo para tratar tumores óseos, a 2.45 GHz. Las antenas propuestas fueron el monopolo de punta de metal (MTM), el monopolo de punta de metal estrangulado (CMTM), la doble ranura (DS) y la doble ranura estrangulada (CDS). El diseño y la optimización de las antenas mediante el Método de Elementos Finitos (FEM) permiten predecir las dimensiones óptimas de la antena y su rendimiento cuando están en contacto con los tejidos biológicos afectados (hueso, músculo y grasa). En el modelo FEM, se seleccionó una máxima transmisión de potencia como el principal parámetro para elegir el diseño óptimo de la antena, es decir, un valor de Relación de Onda Estacionaria (SWR) alrededor de 1.2-1.5. Las cuatro antenas optimizadas fueron construidas y evaluadas experimentalmente. La evaluación se llevó a cabo en fantomas multicapa (grasa, músculo, cortical y hueso esponjoso) y tejido porcino en diferentes profundidades de inserción de las antenas. Para evaluar completamente el rendimiento de las antenas, se analizaron la relación de onda estacionaria (SWR), la pérdida de potencia, los perfiles de temperatura y las distribuciones térmicas. En la experimentación, las cuatro antenas pudieron alcanzar temperaturas de ablación (>60 gradosC) y la máxima SWR alcanzada fue de 1.7; las antenas MTM (pérdida de potencia alrededor del 16%) y CDS (pérdida de potencia alrededor del 6.4%) presentaron los valores más bajos de SWR dependiendo de la profundidad de inserción de la antena, ya sea en un fantoma de tejido multicapa o en tejido. Estas antenas propuestas permiten obtener temperaturas de ablación con una potencia de entrada de 5 W después de 5 minutos de tratamiento; estos valores son más bajos que los reportados en la literatura.
Descripción
El cáncer de hueso es raro en adultos, las personas más afectadas por esta enfermedad son jóvenes y niños. Los tratamientos comunes para el cáncer de hueso son la cirugía, la quimioterapia y las terapias dirigidas; sin embargo, todos ellos tienen efectos secundarios que disminuyen la calidad de vida del paciente. La termoterapia es uno de los tratamientos más prometedores para el cáncer de hueso; su principal objetivo es aumentar la temperatura del tumor para matar las células cancerosas. Aunque algunas antenas micro-coaxiales se han utilizado para tratar tumores óseos, la mayoría de ellas están diseñadas para tratar tejido blando. Por lo tanto, el propósito de este trabajo es analizar el comportamiento térmico de cuatro antenas micro-coaxiales específicamente diseñadas para generar ablación térmica en tejido óseo para tratar tumores óseos, a 2.45 GHz. Las antenas propuestas fueron el monopolo de punta de metal (MTM), el monopolo de punta de metal estrangulado (CMTM), la doble ranura (DS) y la doble ranura estrangulada (CDS). El diseño y la optimización de las antenas mediante el Método de Elementos Finitos (FEM) permiten predecir las dimensiones óptimas de la antena y su rendimiento cuando están en contacto con los tejidos biológicos afectados (hueso, músculo y grasa). En el modelo FEM, se seleccionó una máxima transmisión de potencia como el principal parámetro para elegir el diseño óptimo de la antena, es decir, un valor de Relación de Onda Estacionaria (SWR) alrededor de 1.2-1.5. Las cuatro antenas optimizadas fueron construidas y evaluadas experimentalmente. La evaluación se llevó a cabo en fantomas multicapa (grasa, músculo, cortical y hueso esponjoso) y tejido porcino en diferentes profundidades de inserción de las antenas. Para evaluar completamente el rendimiento de las antenas, se analizaron la relación de onda estacionaria (SWR), la pérdida de potencia, los perfiles de temperatura y las distribuciones térmicas. En la experimentación, las cuatro antenas pudieron alcanzar temperaturas de ablación (>60 gradosC) y la máxima SWR alcanzada fue de 1.7; las antenas MTM (pérdida de potencia alrededor del 16%) y CDS (pérdida de potencia alrededor del 6.4%) presentaron los valores más bajos de SWR dependiendo de la profundidad de inserción de la antena, ya sea en un fantoma de tejido multicapa o en tejido. Estas antenas propuestas permiten obtener temperaturas de ablación con una potencia de entrada de 5 W después de 5 minutos de tratamiento; estos valores son más bajos que los reportados en la literatura.