Математическое моделирование пространственного распределения радиационного поля в биоткани: определение яркостной температуры для диагностики
Автор: Поляков Максим Валентинович, Хоперсков Александр Валентинович
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Математика труды III международной конференции "Геометрический анализ и его приложения"
Статья в выпуске: 5 (36), 2016 года.
Бесплатный доступ
Обсуждаются результаты проведения имитационных экспериментов по моделированию динамики температурных и радиационных полей в биотканях молочной железы для повышения эффективности медицинской диагностики методом микроволновой радиотермометрии с использованием различных схем выбора опорных точек местоположения антенны. В основе модели лежит совместное интегрирование нестационарных уравнений переноса тепла и уравнений Максвелла. Вместо традиционно используемых моделей с однородными параметрами в многослойном приближении, в наших вычислительных моделях исходим из реалистичной геометрической структуры тканей с неоднородными характеристиками, учитывая также нитевидные соединительные ткани, долевые структуры молочной железы, выводные протоки, жировые ткани, характеризующиеся различными значениями физических параметров. Расчеты динамики внутренней температуры молочной железы, имитирующие процесс проведения диагностических измерений, когда диагностический объект находится в состоянии адаптации к температурным условиям внешней среды, дают характерное время установления квазистационарного температурного поля порядка 30 минут. Это время слабо зависит от особенностей внутренней структуры здоровой биоткани.
Численное моделирование, биологические ткани, перенос тепла, электромагнитное поле, яркостная температура, молочные железы, диагностика, онкология
Короткий адрес: https://sciup.org/14969030
IDR: 14969030 | УДК: 51.76 | DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.5.7
Mathematical modeling of radiation fields in biological tissues: the definition of the brightness temperature for the diagnosis
The article contains the results of modeling of temperature fields and radiation fields in biological tissues. Experiments aimed at improving the efficiency of medical diagnosis of cancer. Diagnosis is made by microwave radiometry. The antenna is located at various points in the measurement. Joint integration of unsteady heat transfer equations and the Maxwell equation is the basis of the model. Our computer models take into account a realistic geometric structure of the breast. The mammary gland consists of lobules, outlet streams, adipose tissue blood flow. Each biological tissue is characterized by different values of the physical parameters. The temperature is calculated in the time of adaptation modeling object to the external environment. The time for establishing a quasi-stationary temperature field is equal to 30 minutes. Time depends weakly on the internal structure of healthy tissue. This work aims to study the features of the dynamics of the temperature inside the breast on the basis of computational experiments simulating the temperature measurement process during medical diagnosis. The temperature distribution in the biological tissue is formed by complex heat transfer processes in a highly inhomogeneous medium in the presence of heat sources associated with blood flow as a result of heat generation of physiological processes. The presence of malignant tumors leads to a substantial transfer of heat within the tissue restructuring. The basis of microwave radiometry method is the measurement of the socalled brightness temperature using a special antenna that detects the electric field distribution in biological tissues. And the resulting temperature is the result of a certain averaging temperature in a certain volume. In this paper, the results of calculations of temperature are discussed for the different volume values.
Список литературы Математическое моделирование пространственного распределения радиационного поля в биоткани: определение яркостной температуры для диагностики
- Бочкарев, О.А. Регрессионная модель диагностики патологий молочных желез по данным микроволновой радиотермометрии/О.А. Бочкарев, А.В. Зенович, А.Г. Лосев//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 6 (31). -C. 72-82. - DOI: 10.15688/jvolsu1.2015.6.4
- Веснин, С.Г. Миниатюрные антенны-аппликаторы для микроволновых радиотермометров медицинского назначения/С.Г. Веснин, К.М. Седакин//Биомедицинская радиоэлектроника. -2011. -№ 10. -C. 51-356.
- Веснин, С.Г. Разработка серии антенн-аппликаторов для неинвазивного измерения температуры тканей организма человека при различных патологиях/С.Г. Веснин, К.М. Седакин//Инженерный журнал: наука и инновации. -2012. -№ 11. -C. 1-18.
- Влияние особенностей мелкомасштабной структуры молочной железы на распределение глубинной температуры при использовании радиотермометрической диагностики/А.В. Хоперсков, С.С. Храпов, В.В. Новочадов, Д.В. Бурнос//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2014. -№ 6 (25). -C. 60-68. - DOI: 10.15688/jvolsu1.2014.6.6
- Возможности полноцветной трехмерной реконструкции биологических объектов методом послойного наложения: коленный сустав крысы/А.А. Терпиловский, Х.П. Тирас, А.В. Хоперсков, В.В. Новочадов//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 11, Естественные науки. -2015. -№ 4 (14). -C. 6-14. - DOI: 10.15688/jvolsu11.2015.4.1
- Глазунов, В.А. Генетические алгоритмы определения высокоинформативных признаков заболеваний молочных желез/В.А. Глазунов, А.В. Зенович, А.Г. Лосев//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 5 (30). -C. 71-85. - DOI: 10.15688/jvolsu1.2015.5.6
- Гончарский, А.В. Задачи волновой томографии с неполным диапазоном данных/А.В. Гончарский, С.Ю. Романов, С.Ю. Сережников//Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. -2014. -Т. 15, № 2. -C. 274-285.
- Дьяконова, Т.А. Компьютерное моделирование динамики затопления территорий в случае чрезвычайных ситуаций с использованием технологий параллельных вычислений/Т.А. Дьяконова, А.В. Хоперсков, С.С. Храпов//Кибернетика и программирование. -2016. -№ 3. -C. 17-34.
- Евстигнеев, Н.М. Высокоскоростные параллельные алгоритмы решения задач механики сплошной среды методом сглаженных частиц/Н.М. Евстигнеев, Ф.C. Зайцев, О.И. Рябков//Доклады академии наук. -2014. -Т. 459, № 3. -C. 280-284. - DOI: 10.7868/S0869565214290040
- Ильин, В.П. Фундаментальные вопросы математического моделирования/В.П. Ильин//Вестник Российской академии наук. -2016. -Т. 86, № 4. -C. 118-286. - DOI: 10.1134/S101933161602009X
- Курушин, А.А. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio/А.А. Курушин, А.Н. Пластиков. -М.: Изд-во МЭИ, 2011. -155 c.
- Лосев, А.Г. О взаимосвязи некоторых признаков РТМ-диагностики заболеваний молочных желез/А.Г. Лосев, Е.А. Мазепа, Х.М. Сулейманова//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 4 (29). -C. 35-51.
- Моделирование взаимодействия с преградой потока несжимаемой жидкости методами VOF и SPH/С.П. Копысов, Л.Е. Тонков, А.А. Чернова, А.С. Сармакеева//Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. -2015. -Т. 25, № 3. -C. 405-420.
- Никитин, А.А. Параллельный алгоритм решения уравнения Эйконала для трехмерных задач сейсморазведки/А.А. Никитин, А.C. Сердюков, А.А. Дучков//Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. -2015. -Т. 13, № 3. -C. 19-28.
- Проблемы измерения и моделирования тепловых и радиационных полей в биотканях: анализ данных микроволновой термометрии/А.Г. Лосев, А.В. Хоперсков, А.С. Астахов, Х.М. Сулейманова//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 6 (31). -C. 98-142.
- Применение радиотермометра диагностического компьютеризированного интегральной глубинной температуры ткани для диагностики рака молочной железы/Л.М. Бурдина, В.А. Хайленко, Е.В. Кижаев, А.А. Легков, Е.Г. Пинхосевич, Ч.К. Мустафин, А.В. Вайсблат, С.Г. Веснин, Н.Н. Тихомирова. -М.: РМАПО, 1999. -35 c.
- Применение радиотермометра для диагностики рака молочной железы/Л.М. Бурдина, А.В. Вайсблат, С.Г. Веснин, М.А. Конкин, А.В. Лащенков, Н.Г. Наумкина, Н.Н. Тихомирова//Маммология. -1998. -№ 2. -C. 3-12.
- Early breast cancer detection method based on a simulation study of single-channel passive microwave radiometry imaging/S.A. Kostopoulos, A.D. Savva, P.A. Asvestas, C.D. Nikolopoulos, C.N. Capsalis, D.A. Cavouras//Journal of Physics: Conference Series. -2015. -Vol. 633. -Article ID: 012120. - DOI: 10.1088/1742-6596/633/1/012120
- El-Shenawee, M. Numerical assessment of multifrequency microwave radiometry for sensing malignant breast cancer tumors/M. El-Shenawee//Microwave and Optical Technology Letters. -2003. -№ 36 (5). -P. 394-398.
- Flexible Antenna Array for Early Breast Cancer Detection using Radiometric Technique/A. Afyf, L. Bellarbi, F. Riouch, A. Errachid, M.␣A. Sennouni//International journal of biology and biomedical engineering. -2016. -Vol. 10. -P. 10-17.
- Rodrigues, D.B. Numerical 3D modeling of heat transfer in human tissues for microwave radiometry monitoring of brown fat metabolism/D.B. Rodrigues//Progress in Biomedical Optics and Imaging -Proceedings of SPIE. -2013. - DOI: 10.1117/12.2004931
- Wieland, T. A discretization method for the solution of Maxwell’s equations for six-component fields/T. Wieland//Electronics and Communications AEEU. -1977. -Vol. 31. -№ 3. -P. 116-120.
- Yee, K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media/K.S. Yee//IEEE Transactions Antennas Propagation. -1966. -Vol. 14. -№ 4. -P. 302-307.
