Диссертация (1137125), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Аппарат используется дляреализации микроволновой терапии в условиях физиотерапевтических кабинетовлечебных учреждений.1.4.4 Установка для микроволновой терапии Яхта – 4 (Россия)Семействоустановок«Яхта»дляэлектромагнитнойгипертермиипроизводится АО «НПП «Исток» им. Шокина» (г. Фрязино) [48]. Установка «Яхта– 4» предназначена для терапии злокачественных новообразований, котораяизбирательно усиливает противоопухолевое действие ионизирующих излучений ихимиотерапевтическихсредстввкомплексномлечениизлокачественныхопухолей (рака молочной железы, опухоли мягких тканей, гортани, шеи, прямойкишки, остеогенных опухолей, простаты и других локализаций), а также леченииаденом и простатитов.Установкавыполненаввидедвухфункциональныхпроцедурного блока и компьютера (рисунок 1.4.10).Рисунок 1.4.10 – Внешний вид установки «Яхта – 4»устройств:40В комплект поставки входят 5 наружных и 7 внутриполостныхтипоразмеров аппликаторов.
Основные параметры установки «Яхта-4» даны втаблице 1.1.Таблица 1.1Основные технические параметры установки «Яхта – 4»ПараметрыЕд. изм.ХарактеристикиМГц433,92 8,68Вт5 – 200С 0,3Количество одновременноконтролируемых температурныхточекшт.до 18Размеры наружных аппликаторовмм80х200; 150 х160; 220х300; 210х200; 210х300Диаметры внутриполостныхаппликаторовммРабочая частотаВыходная мощностьТочность измерения температурыУгол раскрыва зон нагревааппликаторовДлины зон нагрева аппликаторовПитаниеПотребляемая мощность, не болееммнаправленного18направленногоциркулярных7; 10; 15циркулярных140360направленного40 - 50циркулярных80; 150В, Гц220; 50кВт1,0Внутриполостные (ректальные) аппликаторы, основные характеристикикоторых сведены в таблицу 1.2, предназначены для электромагнитного СВЧнагрева тканей, прилегающих к области полостей (прямой кишки), до температурсвыше 41 °С с целью получения терапевтического эффекта.Ректальный аппликатор представляет собой цилиндрическую излучающуюантенну СВЧ диапазона, помещенную в профилированную оболочку изсиликоновой резины, внутри которой циркулирует дистиллированная вода,охлаждающая слизистые ткани прямой кишки (рисунки 1.4.10 – 1.4.12).Охлаждение слизистой ткани производится с целью исключения ожогов кожногопокроваинежелательныхперегревовнепосредственноприлегающихкаппликатору тканей, а также увеличения глубины прогрева.
Рекомендуемаятемпература охлаждающей жидкости 18-33 °С.41Таблица 1.2Внутриполостные аппликаторы установки «Яхта – 4»ТипаппликатораГабаритныеразмеры,Ø ммПротяженность зоны КСВН,циркулярногоне Охлаждениепрогрева, ммболее1ВØ780 ± 201,5-2ВØ7150 ± 201,5-3ВØ 1080 ± 201,5+4ВØ 10150 ± 201,5+5ВØ 1580 ± 201,5+6ВØ 15150 ± 201,5+7ВН(направленная зонаизлучения)Ø 1840 ± 51,5+Рисунок 1.4.11 – Внутриполостной неохлаждаемый аппликатор типа 1В установки«Яхта – 4»Рисунок 1.4.12 – Внутриполостной охлаждаемый аппликатор типа 5В установки«Яхта – 4»Приизменениитемпературыохлаждающейжидкостиварьируетсяподводимая к аппликатору СВЧ – мощность, которая находится в пределах 5...20042Вт.
Вода выполняет также функцию согласующей среды между излучателем инагреваемыми тканями.Рисунок 1.4.12 – Внутриполостной аппликатор с направленной зоной излучения типа7ВН установки «Яхта – 4»Оптимальная для нагрева конфигурация электромагнитного поля имаксимальный КПД излучателей этих типов подбирается их размерами и формой,а также положением точки подсоединения питающего коаксиального кабеля.Конструкции аппликаторов выполнены таким образом, что циркуляция воды непрекращается даже при сильном обжиме их оболочек. Дистиллированная водаподводится к входным штуцерам аппликатора от блока системы охлажденияпосредствомполупрозрачныхшланговизполивинилхлорида.Высокаяоднородность зоны излучения по длине аппликатора (рисунок 1.4.13) исключаетлокальные перегревы тканей тела и не допускает нежелательного перегреваздоровых тканей.Рисунок 1.4.13 – Зона излучения СВЧ электромагнитной энергии по длине аппликатора43Относительно большая глубина проникновения электромагнитной энергиина частоте 433,92 МГц является достаточной для прогрева всего объема тканей,прилегающих к стенкам полостей до температур свыше 42°С.1.5 Анализ методов расчета, проектирования и моделирования аксиальносимметричных замедляющих систем и СВЧ устройств на их основеРасчет, проектирование и компьютерное моделирование аксиальносимметричных замедляющих систем, резонаторов и СВЧ-устройств на их основеможет осуществляться различными аналитическими и численными методами [49,50].В настоящее время существует большое разнообразие аналитическихметодов расчета таких устройств.
Среди них следует выделить методфакторизации, метод задачи Римана-Гильберта, метод частичного обращенияоператораиегомодификации,методчастичныхобластей,методымногопроводных и эквивалентных линий, и многие другие [3-6, 11, 12, 14 – 17].Наиболее часто применяется метод частичных областей.
Этотметодбазируется на разделении исследуемой структуры на простые подобласти, вкаждой из которых производится решение системы уравнений Максвелла сучетом граничных условий на части поверхности подобласти. Из условийудовлетворения граничным условиям на остальной поверхности подобласти инепрерывности полей на общих границах раздела, находят неизвестныеамплитуды составляющих полей в каждой частичной подобласти и области вцелом.В зависимости от способа согласования полей на границах сред, используютмодификации метода частичных областей. К таким методам следует отнестиметод прямого сшивания полей (метод Трефтца), метод сшивания полей с учетомусловия на ребре, и методы, основанные на вариационных принципах.Методом прямого сшивания полей решение электродинамической задачидостигается за счет ее сведения к решению бесконечной системы линейныхалгебраических уравнений для пространственных гармоник в частичных44областях, с учетом граничного условия на ребре структуры, обеспечиваетсяединственность решения.Метод сшивания полей с учетом условия на ребре сводится к сшиваниюполей в частичных областях с полями, задаваемыми на границах их раздела.Единственность решения достигается при аппроксимации полей на границахчастичных областей в системе базисных функций.Применениеметодов,основанныхнавариационныхпринципах,предполагает нахождение собственных значений краевой задачи и определениестационарного значения функционала, аппроксимирующего распределение полейна границах частичных областей.
В этом случае даже грубые аппроксимациипозволяют получить искомую характеристику в виде стационарного значениянекоторого функционала. Более точные решения находятся в виде бесконечныхсистем линейных алгебраических уравнений для амплитуд аппроксимирующихполей. Учет условия на ребре в системе базисных функций позволяет определитьединственное решение.Необходимоподчеркнуть,чтовозможностьиспользованияметодовчастичных областей определяется геометрическими размерами исследуемойаксиально-симметричной электродинамической структуры, которая должна бытьразделена на частичные области, как в продольном, так и в поперечномнаправлениях.Проанализированные модификации метода частичных областей довольночасто рассматриваются как вариации метода моментов, приводящие к одной и тойже системе уравнений, если для каждой границы раздела вместо систем базисныхи весовых функций используются собственные функции одной из смежныхчастичных областей.
Тем самым точность решения, скорость сходимости и времясчета определяются выбором системы базисных функций.Кзначительнымтрудностямполучениястрогогорешенияэлектродинамической задачи приводят сложность формулировки граничныхзадач, необходимость учета конечных размеров, формы и толщины проводниковаксиально-симметричных замедляющих структур, а также сдвига фазы на период45системы.
В связи с этим более эффективно применение приближенноаналитическихметодоврасчета,предполагающихзаменуреальнойэлектродинамической системы эквивалентной схемой или длинной линией. Приэтом нужная точность расчета достигается возможностью учета дисперсионныхсвойств эквивалентных погонных параметров индуктивности и емкости.Численные методы расчета и компьютерного моделирования аксиальносимметричных замедляющих систем и СВЧ устройств на их основе, также как ианалитические, основаны на решении системы уравнений Максвелла с учетомграничных условий. К ним относятся: метод конечных разностей, метод конечныхэлементов, метод моментов, метод матриц линии передачи и другие.
Часть из нихоснована на декомпозиционном подходе анализа структуры: метод минимальныхавтономных блоков, метод импедансных аналогов электромагнитного поля идругие [51-54].Методконечныхэлементов(FiniteElementMethod,FEM)имеетвариационные особенности в алгоритме [53, 55-57]. В этом методе вместочастных дифференциальных уравнений с граничными условиями, системувариационных выражений составляют функционалы, относящихся к каждой измалых областей или объемов, подразделяющих область, представляющуюинтерес. Из-за такой дискретизации не всякие ограничения могут быть положенына форму структуры. Одна из проблем метода – существование паразитных нулей.На основе метода конечных элементов разработана программа Ansoft HFSS,позволяющая моделировать устройство в трехмерном представлении [58 - 61].При этом все анализируемое пространство разбивается на конечные элементы всоответствии с ожидаемой скоростью изменения электромагнитных полей.
Далееформируется набор неизвестных значений полей на гранях конечных элементов исоставляется система уравнений, которая решается в частотной области. HFSSявляется универсальной программой, поддерживающей программные средстваAutoCAD, что позволяет ускорить подготовку конструкторской документации наспроектированное устройство. К общим недостаткам этой программы следуетотнести некоторую идеализированность получаемых диаграмм интенсивности46полей, что является следствием задания бесконечной «земляной платы».
Поэтомудля решения более узкоспециализированных задач можно воспользоватьсяпрограммой FIDELITY, основанной на методе конечных элементов во временнойобласти FDTD (Finite Difference Time Domain) [56, 57]. Эта программа используетпрямое интегрирование уравнений Максвелла во временной области, используяимпедансные эквиваленты электромагнитного поля. Для исследуемой структурырассчитывается переходной процесс при подаче на вход импульса Гаусса, послесходимости которого выполняется обратное преобразование Фурье и получаетсячастотная характеристика, позволяющая учесть затухание в конструкционныхэлементах и корпусе исследуемой системы.Программный пакет CST Microwave Studio [62-63], который в последниегоды завоевал большую популярность, также основан на методе FDTD.
Кдостоинствам этой программы следует отнести возможность выбора сеткиразбиения. Гексагональная сетка в определенных задачах в значительной меременее чувствительна к плотности разбиения, чем тетраэдральная. Это позволяетполучать оценочные результаты неплохой точности. Для ввода условийсимметрии моделируемой структуры ее не нужно «разрезать» (что необходимо вHFSS), требуется лишь задать эти условия в нужных плоскостях. Граничныеусловия на гранях бокса пространства задачи также просто задаются в диалоге.При этом для расчета задач с излучением во внешнее пространство нетнеобходимости чертить воздушный бокс вокруг моделируемой структуры,поскольку соответствующие прослойки воздуха автоматически добавятся кструктуре при выборе соответствующих граничных условий. Отсутствиенеобходимости вычитания металлических частей модели из диэлектрическихтакже упрощает решение задачи вследствие доминирующего положения первыхнад вторыми.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
