אבלציה תרמית באמצעות גלי מיקרו (Microwave Ablation) הנקראת גם היפרתרמיה היא שיטת טיפול נגד הסרטן, בה הורסים את תאי גידול על ידי חימום באופן ממוקד בתוך הגוף. השיטה מאפשרת פגיעה ישירה ברקמה סרטנית ללא נזק היקפי, כלומר ללא פגיעה ברקמות בריאות בסביבה. שימוש בטיפול יכול להתבצע במקום או בנוסף לטיפולים כירורגים או לטיפולים תרופתים נוספים. היתרון העצום של השיטה הוא אי-פולשנות, המבטל סיכוני תחלואה לאחר טיפולים כירורגים הכרוכים עם טיפולי סרטן. כיום היפרתרמיה באמצעות גלי מיקרוגל יכולה להוות חלופה טובה לשיטות הנפוצות כנגד הסרטן, זאת השיטה המתפתחת וצוברת ערכה כשיטה יעילה ובטוחה. הטכנולוגיה יכולה להיות שימושית לטיפול בגידולים בכבד, כליה, ריאה, עצם, שד וטיפולים קוסמטיים.
עקרון הפעולה של השיטה הוא שהאנרגיה של גלי מיקרוגל גורמת לתנודתיות במולקולות המים ברקמה וכך גורמת לנמק קואגולטיבי אשר הורס את הגידול. אורך הגל הקצר יותר מאפשר חימום מהיר יותר של האזור ופחות מהאנרגיה מתבזבזת במעבר ברקמות בעלות צפיפות משתנה מה שמאפשר אזור אחיד יותר וגדול יותר של החימום. אבלציה באמצאות גלים אלקטרומגנטיים יכולה להתבצע באמצאות אנטנה אחת או מערך אנטנות המאפשר אלומה מכוונת לאזור המטרה. האתגר העיקרי הוא לחמם על ידי קרינה אלקטרומגנטית רק את האזור המטרה ללא חימום היכול לגרום נזק לרקמות הבריאות. לצורך השגת מטרה זאת קיימות מספר טכניקות. אחת מהטכניקות היא לעשות אופטימיזציה של פרמטרים שונים במערך כגון כמות האלמנטים, מרחק ביניהם ובכך למקד אנרגיה על ידי שליטה באמפליטודות ופאזות של המקורות. על ידי כלי חישוב כגון Python ניתן לבצע את האופטימיזציה. טכניקה נוספת מבוססת על משפט הדדיות כאשר אח, מהאנטנות ממוקמת באזור המטרה (אזור בו רוצים לכוון) ומתפקדת כמקור, סימולציה אלקטרומגנטית מחשבת את האמפליטודות ופאזות המתקבלות בשאר האנטנות והערכים אלו מגדירים למעשה את העירורים ומבטיחים מיקוד הקרינה. בעבודה זאת אנו נבדוק את הטכניקה האחרונה, נבצע סימולציות אלקטרומגנטיות ב-HFSS ANSYS במישור התדר על צורות שונות של רקמות ביולוגיות ועל המודל המדמה גוף האדם של ANSYS.
הוכחת רעיון של מיקוד האלומה באמצאות טכניקה המבוססת על משפט הדדיות התבצע בחלל החופשי עבור שני התדרים 2.5GHz ו- 10GHz. תוצאות של השדה החשמלי מוצגים באיור 1.
איור 1 – שדה חשמלי בחלל חופשי
בהתבסס על עבודות הקודמות בנושא, נבדקו פרמטרים שונים בתכנון של המערך והשפעתיהם על יעילות מיקוד האנרגיה. מודל ההתחלתי המורכב משתי שכבות: שכבה חיצונית של מים (deionized water) בעלת ו- S/m לצורך קירור המערכת ושכבה הפנימית המדמה את ממוצע של הרקמה הביולוגית בעלת ו- S/m . המערך נמצא בתוך השכבה החיצונית ואלמנט הפועל כמקור נמצא בתוך השכבה הפנימית באזור המטרה. גאומטריה של המודל מוצגת באיור 2, כאשר אלמנטי המערך הם מסוג דיפול וכמותם 18.
איור 2 – גאומטריה של המודל בעלת שתי שכבות
זרמי העירור מחושבים על ידי סימולציה אלקטרומגנטית עבור שתי תדרים שונים כאשר אזור המטרה נמצא 50 מ”מ מהמרכז. התוצאות של צפיפות ההספק ניתן לראות באיור 3.
איור 3 – צפיפות הספק עבור שתי תדרים: 2.5GHz ו- MHz915
מאיור 3 ניתן להשיג שעבור תדר עבודה גבוהה יותר האזור המיקוד הוא מרוכז יותר. בנוסף, קיימות עוצמות הגבוהות סביב השכבה החיצונית, הדבר שיכול לגרום לפגיעה לא רצויה, אך מכייון שתפקיד של השכבה חיצונית הוא לקרר את האזור הערכים אלו הם למעשה ערכים לא אמיתים.
המודלים מורכבים יותר בנויים משכבות ביולוגיות שונת כגון: עור, שומן, שריר, עצם. שכבות אלו בעלות פרמטריים חשמלים שמשתנים עם התדירות. טבלה 1 מסכמת את הפרמטריים החשמלים של רקמות ביולוגים עבור שתי תדרים שונים.
טבלה 1 – פרמטרים חשמלים של רקמות ביולוגיות בשתי תדרים: 2.5GHz ו- MHz915
בעבודה זאת מוצגות שני מודלים מורכבים שנלקחו מהמודל השלם של גוף האדם של ANSYS. המודל הראשון הוא חלק מהרגל של גוף האדם (איור 4). המודל מתאר באופן מדויק את הגאומטריה ואת התכונות חשמליות אמיתיות. אלמנטי המערך נמצאים סביב הרגל בתוך שכבת המים.
איור 4 – מודל של הרגל האמיתי של ANSYS
התוצאות של הסימולציות ב-2.5GHz עבור שני מיקומים שונים (מיקומי גושי הסרטן) מוצגים באיור 5. כפי שניתן לראות אפשר להשיג חימום במקום מסוים ללא חימום יתר מסביב.
איור 5 –צפיפות הספק עבור שתי אזורי חימום שונים (רגל)
המודל הנוסף הוא שד האישה (איור 6) המורכב משומן השד ורקמה ביולוגית הממוצעת כאשר הבדיקות נעשו בתדר של 2.5GHz עבור שתי מקומות חימום שונים.
איור 6 –מודל של שד האישה של ANSYS
בדומה לתוצאות עבור הרגל של מודל גוף האדם ניתן להשיג שאפשר לחמם את האזור המטרה בלבד בצורה בטוחה ויעילה. איור 7 מציג את התוצאות עבור שתי המיקומים.
איור 7 – צפיפות הספק עבור שתי אזורי חימום שונים (שד האישה)
לסיכום, בעבודה זאת הוצגה טכניקה למיקוד האנרגיה אלקטרומגנטית לצורך ביצוע אבלציה התרמית המבוססת על משפט הדדיות. הבדיקות של השיטה נעשו עבור גאומטריות פשוטות יותר כגון גליל דו-שכבתי וגאומטריות יותר מורכבות כגון שד של האישה ורגל של בן אדם. תוצאות הסימולציה מראות יכולת ריכוז האנרגיה בתוך הרקמה הסרטנית בצורה יעילה, פשוטה ולא פולשנית. ההיפרתרמיה באמצעות גלי מיקרוגל בעלת סיכויים טובים להיות שיטת טיפול העתידית נגד הסרטן.
מקורות:
[1] V. Vulfin, N. Verhovski and R. Shavit, R. B. Roemer, ” Antenna Array Design for Ablation Applications”, Ann. Antenna Symposium, Tel Aviv University, Israel, 2019.
[2] R. B. Roemer, “Engineering Aspects of Hyperthermia Therapy”, Ann. Rev. Biomed. Eng., vol. 1, pp. 347–376, 1999.
[3] B. Hildebrandt, P. Wust and O. Ahlers, “The cellular and molecular basis of hyperthermia”, Critical Reviews in Oncology/Hematology, vol. 43, no. 1, pp. 33–56, 2002.
[4] P. Nguyen, A. Abbosh and S. Crozier, “3-D Focused Microwave Hyperthermia for Breast Cancer Treatment with Experimental Validation”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, No. 7, July 2017.
[5] A. Boag, Y. Leviatan and A. Boag, “Analysis and Optimization of Waveguide Multiapplicator”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 40, Issue: 9, Pages: 946 – 952, 1993.
[6] E. Lekka, K. Paschaloudis and G. Kyriacou, “Phased Array Design for near Field Focused Hyperthermia Based on Reciprocity Theorem”, International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas, Innovative Structures, and Applications (iWAT), 2017.
[7] X. He, W Geyi and S. Wang, “A Hexagonal Focused Array for Microwave Hyperthermia: Optimal Design and Experiment”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp. 56-59, May 2015.
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity LTD. לפרטים נוספים ניתן לפנות למשרדי החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 13 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים, אלקטרומגנטיות הביו-רפואית וסימולציות אלקטרומגנטיות.
