Медицинская Техника / Медицинская техника №6, 2022 / с. 33-36

Медицинские антенны для микроволновой радиотермометрии биологических объектов

М.К. Седанкин, В.Ю. Леушин, С.В. Агасиева, А.Г. Гудков, С.Г. Веснин, И.О. Порохов, Е.А. Гудков, А.В. Осипова, А.Ю. Антоненкова

Аннотация

Представлены результаты аналитического обзора различных антенн, применяемых в медицине. Обсуждаются вопросы современной микроволновой радиотермометрии, связанные с разработкой новых антенн, а также возможные пути их решения. Сформулированы задачи дальнейших исследований, направленных на создание новых конструкций конформных антенн и антенных решеток, обеспечивающих существенное расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик медицинских радиотермографов. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00113, https://rscf.ru/project/22-19-00113/.

Вернуться к содержанию

Сведения об авторах

Михаил Константинович Седанкин, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, лаборатория анализа техногенных рисков, ФГБУ «ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России, доцент, кафедра биокибернетических систем и технологий, РТУ МИРЭА, ст. научный сотрудник, Центр НТИ «Фотоника», ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов»,

Виталий Юрьевич Леушин, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, Центр НТИ «Фотоника»,

Светлана Викторовна Агасиева, канд. техн. наук, доцент, кафедра нанотехнологий и микросистемной техники, ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов»,

Александр Григорьевич Гудков, д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технологии приборостроения», ФГБОУ ВО «МГТУ им. Н.Э. Баумана»,

Сергей Георгиевич Веснин, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник,

Игорь Олегович Порохов, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, Центр НТИ «Фотоника», ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов»,

Евгений Алексеевич Гудков, мл. научный сотрудник, лаборатория анализа техногенных рисков, ФГБУ «ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России,

Александра Владимировна Осипова, магистр 2-го года обучения, кафедра биокибернетических систем и технологий, РТУ МИРЭА,

Анна Юрьевна Антоненкова, ассистент, кафедра нанотехнологий и микросистемной техники, ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов», г. Москва,

e-mail: msedankin@yandex.ru

Список литературы

1. Gautherie M., Gros C.M. Breast Thermography and Cancer Risk Prediction // Cancer. 1980. Vol. 45. № 1. PP. 51-56.

2. Klemetsen ∅., Jacobsen S. Improved radiometric performance attained by an elliptical microwave antenna with suction // IEEE Trans. on Biom. Eng. 2011. Vol. 59. № 1. PP. 263-271.

3. Beaucamp-Ricard C. et al. Temperature measurement by microwave radiometry: Application to microwave sintering // IEEE Trans. on Inst. and Meas. 2009. Vol. 58. № 5. PP. 1712-1719.

4. Leushin V.Yu. et al. Possibilities of increasing the noise immunity of radiothermograph antenna applicators for brain diagnostics // Sensors and Actuators A: Physical. 2022. Vol. 337. № 16. Art. ID 113439. PP. 1-10.

5. Sedankin M.K. et al. Modeling of thermal radiation by the kidney in the microwave range // Biomedical Engineering. 2019. Vol. 53. № 1. PP. 60-65.

6. Hand J.W. et al. Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modelling // Physics in Medicine & Biology. 2001. Vol. 46. № 7. PP. 1885-1903.

7. Lee J.W. et al. Experimental investigation of the mammary gland tumor phantom for multifrequency microwave radiothermometers // Medical and Biological Engineering and Computing. 2004. Vol. 42. № 5. PP. 581-590.

8. Sedankin M.K. et al. Intracavity thermometry in medicine // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 55. № 3. PP. 224-229.

9. Tofighi M.R. Characterization of biomedical antennas for microwave heating, radiometry, and implant communication applications / WAMICON Conference Proceedings. IEEE, 18-19 Apr. 2011, Clearwater Beach, FL, USA. 2011. PP. 1-6.

10. Tofighi M.R., Pardeshi J.R. Interference enhanced biomedical antenna for combined heating and radiometry application // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. Vol. 16. PP. 1895-1898.

11. Arunachalam K. et al. Detection of vesicoureteral reflux using microwave radiometry – System characterization with tissue phantoms // IEEE Trans. on Biomed. Eng. 2011. Vol. 58. № 6. PP. 1629-1636.

12. Abufanas H. et al. New approach for design and verification of a wideband Archimedean spiral antenna for radiometric measurement in biomedical applications / German Micr. Conf., IEEE. 16-18 Mar. 2015, Nuremberg, Germany. PP. 127-130.

13. Klemetsen ∅., Jacobsen S., Birkelund Y. Radiometric temperature reading of a hot ellipsoidal object inside the oral cavity by a shielded microwave antenna put flush to the cheek // Physics in Medicine & Biology. 2012. Vol. 57. № 9. PP. 2633-2652.

14. Asimakis N.P., Karanasiou I.S., Uzunoglu N.K. Non-invasive microwave radiometric system for intracranial applications: A study using the conformal L-notch microstrip patch antenna // Progress in Elect. Res. 2011. Vol. 117. PP. 83-101.

15. Oikonomou A., Karanasiou I., Uzunoglu N. Phased-array near field radiometry for brain intracranial applications // Prog. in Electr. Res. 2010. Vol. 109. PP. 345-360.

16. Sedankin M. et al. Development and optimization of an ultra wideband miniature medical antenna for radiometric multi- channel multi-frequency thermal monitoring // Eureka: Physics and Engineering. 2020. № 6. PP. 71-81.

17. Livanos N.A. et al. Design and interdisciplinary simulations of a hand-held device for internal-body temperature sensing using microwave radiometry // IEEE Sensors Journal. 2018. Vol. 18. № 6. PP. 2421-2433.

18. Momenroodaki P. et al. Noninvasive internal body temperature tracking with near-field microwave radiometry // IEEE Trans. on Micr. Theory and Techniques. 2017. Vol. 66. № 5. PP. 2535-2545.

19. Momenroodaki P., Haines W., Popovic Z. Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues / IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). 4-9 June 2017, Honololu, HI, USA. 2017. PP. 1387-1390.

20. Rodrigues D.B., Stauffer P.R., Maccarini P.F. Monitoring brown fat metabolic activity using microwave radiometry: antenna design and frequency selection / IEEE Benjamin Franklin Symposium on Microwave and Antenna Sub-systems for Radar, Telecommunications, and Biomedical Applications (BenMAS). 26-26 Sept. 2014, Philadelphia, PA, USA. PP. 1-3.

21. Leon G. et al. Wideband epidermal antenna for medical radiometry // Sensors. 2020. Vol. 20. № 7. PP. 1-10.

22. Groumpas E. et al. Sensing local temperature and conductivity changes in a brain phantom using near-field microwave radiometry / International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas, Innovative Structures, and Applications (iWAT). IEEE, 2017. 1-3 March 2017, Athens, Greece. PP. 293-295.

23. Ullah H. et al. A wearable radiometric antenna for non-invasive brain temperature monitoring / 18th Inter. Symp. on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, IEEE. 19-22 Aug. 2018, Waterloo, ON, Canada. PP. 1-2.

24. Sedankin M.K. et al. Microwave radiometry of the pelvic organs // Biomedical Engineering. 2019. Vol. 53. № 4. PP. 288-292.

25. Ram P. et al. Design and testing of graphene-based screen printed antenna on flexible substrates for wireless energy harvesting applications // IETE Journal of Research. 2021. Published online. PP. 1-12 / https://doi.org/10.1080/ 03772063.2021.1934127.

26. Elakkiya A. et al. An ultrathin microwave metamaterial absorber for C, X, and Ku band applications // J. of Elect. Materials. 2021. Vol. 50. № 12. PP. 7275-7282.

27. Sabban A. New compact wearable metamaterials circular patch antennas for IoT, medical and 5G applications // Applied System Inn. 2020. Vol. 3. № 4. PP. 1-24.

28. Bal K., Kothari V.K. Measurement of dielectric properties of textile materials and their applications // Indian J. Fibre. Text. 2009. Vol. 34. PP. 191-199.

29. Morton W.E., Hearle W.S. Physical properties of textile fibres / 4th ed. – Cambridge. UK: Woodhead Publishing, 2008. 775 p.

30. Sankaralingam S., Bhaskar G. Determination of dielectric constant of fabric materials and their use as substrates for design and development of antennas for wearable applications // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2010. Vol. 59. PP. 3122-3130.

31. Shi J. et al. Smart textile-integrated microelectronic systems for wearable applications // Advanced Materials. 2019. Vol. 32. № 5. Art. ID 1901958. PP. 1-37.

32. Hertleer C. et al. Influence of relative humidity on textile antenna performance // Text. Res. J. 2009. Vol. 80. PP. 177-183.

33. Zhu S., Langley R. Dual-band wearable antennas over EBG substrate // Electr. Lett. 2007. Vol. 43. PP. 141-142.

34. Matthews J.C.G., Pettitt G. Development of flexible, wearable antennas / Proceedings of EuCAP 2009: 3rd European Conference on Antennas and Propagation, Berlin, Germany, 23-27 March 2009. PP. 273-277.

35. Scarpello M.L. Stability and efficiency of screen-printed wearable and washable antennas // IEEE Anten. Wireless Propag. Lett. 2012. Vol. 11. PP. 838-841.

36. Kuang Y. et al. Design and electromagnetic properties of a conformal ultra wideband antenna integrated in three- dimensional woven fabrics // Polymers. 2018. Vol. 10. № 8. P. 861.

37. Salvado R. et al. Textile materials for the design of wearable antennas: A survey // Sensors. 2012. № 12. PP. 15841-15857.

38. Deaett M.A., Weedon W.H. Method for constructing antennas from textile fabrics and components / Patent US 2005235482. Pub. Date: 27.11.2005.

39. Babar A.A. et al. Performance of high-permittivity ceramic- polymer composite as a substrate for UHF RFID tag antennas // International Journal of Antennas and Propagation. 2012. Vol. 2012. Art. ID 905409. PP. 1-8.

40. Locher I. et al. Design and characterization of purely textile patch antennas // IEEE Trans. Adv. Pack. 2006. Vol. 29. PP. 777-788.

41. Sedankin M.K. et al. Development of patch textile antenna for medical robots / International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE, 27-28 Sept. 2018, Saratov, Russia. PP. 413-420.