אלקטרומגנטיות ברפואה

כיום השימוש בשדות אלקטרומגנטיים נעשה יותר ויותר ביישומים מתקדמים ברפואה, לדוגמא דימות תהודה מגנטית (MRI), שתלים וטיפול היפרתרמיה (hyperthermia). עם התקדמות טכנולוגית, המכשירים הופכים להיות יותר מורכבים וכלי סימולציה הכרחיים יותר בשלב תכנון המוצר. ע”י שימוש בכלי סימולציה, המתכנן יכול לחקור את תיפקודו של מכשיר, כולל סיכונים בריאותיים ללא הפגיעה במטופל.

הסימולציה הראשונה היא דימות תהודה מגנטית שהיא סוג של סריקה לא-פולשנית המשמשת להמחשת איברים פנימיים בגוף ללא חשיפה לקרינה מייננת, למטרות אבחון רפואי, חקר המוח, פסיכיאטריה, מחקר ביולוגי ועוד.

בשיטה זו משתמשים בשילוב של קרינת רדיו ושדה מגנטי חזק (גבוה מ- 1) כדי להשפיע על הספין של הפרוטונים באטומי המימן שנמצאים במולקולות המים שבגוף. שינוי תכונות הספין תלוי ברקמה בה הוא נמצא (למשל החומר הלבן או החומר האפור שבמוח) וכך, בעזרת מדידת שינוי הספין, ניתן לקבל הפרדה ברורה בין הרקמות השונות. הבדיקה יעילה בעיקר לדימות מערכת העצבים המרכזית. בתמונת MRI רואים רק רקמות רכות: לא רואים עצמות אלא רק את מח העצם.

בתהליך התכנון של מערכת MRI פתוחה (איור 1), למשל, סלילי RF, מודל גוף האדם והחלל הגדול של חדר הבדיקות צריכים להיות כלולים בכל מודל של סימולציה אלקטרומגנטית כדי לחשב בצורה מדוייקת את השדה. התכנון נעשה על ידי שימוש בכלי סימולציה HFSS של חברת ANSYS בשיטת האלמנטים הסופיים (Finite Element Method), כאשר החלוקה של Mesh היא לפי טטראדרים. כמו כן השתמשנו במודל של גוף האדם מפורט הכולל איברים פנימיים, עצמות, שרירים וכו’. התכונות של החומרים הדיאלקטרים הינם תלויים בתדר.

תכנון של סלילי RF דורש אופטימיזציה לצורך קבלת תמונה באיכות מתאימה. הסלילים נדרשים להיות בתדר התהודה של  42.6 עבור מערכת  1 ולייצר שדה מגנטי מסתובב חזק וחלק באיזור הרצוי, אבל למזער רכיבי שדה הלא רצויים. אם השדה משתנה מאוד, חלקים מסוימים של התמונה יופיעו עם חשיפת יתר, ואילו אזורים אחרים יישארו כהים מדי, כאשר שניהם מזיקים לקונטרסט. ברגע שעומדים במפרט הקשור לאיכות התמונה, המתכנן צריך לוודא כי תקנות הבטיחות של

(Specific Absorption Rate) מתקיימות. כאשר ישנה חריגה בערכים של SAR בחלקים כלשהם בגוף, החולה יכול לחוות אי נוחות ועלול להיגרם נזק לרקמות.

תוצאות סימולציה עבור MRI הפתוח מצביעות על נקודות חמות מתחת לבתי השחי, מה שמתאים לתוצאות של ניסויים מעשיים. כמו כן ניתוח על ידי הסימולציה מצביע גם על נקודות חמות ברגליים, למרות שהם לא נמצאים ישירות מתחת לסלילים במודל. בהינתן פרמטרי התדר והחומר של הגוף, האורך הגל הצפוי בגוף הוא קצת פחות מ-1 מטר ותופעות הנ”ל אכן אפשריות. מפני שהעירורים אינם סימטריים, לכן ה-SAR מתקבל לא סימטרי. ניתן לבצע סימולציה על ידי הזזת הגוף באופן אוטומטי באמצעות הסורק.

יישום רפואי נוסף הוא שתלים אלחוטיים. שתלים הדורשים אספקת חשמל חוטית יכולים להיות לא נוחים עבור המטופל. ספקי כוח אלחוטיים בתדרים נמוכים דורשים משדר גדול הגורם לצמצום חופש של המטופל. פתרונות אלחוטיים המשתמשים בתדרים גבוהים יותר יכולים לספק נוחות וחופש. אתגר נוסף בתכנון הוא להעביר הספק מירבי לשתל כאשר עומדים בתקינה של קרינה ו-SAR.

נתייחס ליישום נוסף בתחום הרפואי. דוגמא נוספת הינה סימולציה של התקן המבוסס מערך אנטנות בתחום RF עבור טיפול סרטן על ידי היפרתרמיה. בהיפרתרמיה, גידול סרטני מחומם ע”י שידור אות RF ונמצא בטמפרטורה גבוהה למשך זמן, כגון 15 עד 60 דקות. טיפול זה מחליש את הגידול ומסייע להפוך את הטיפולים האחרים ליעילים יותר. האתגר הוא לרכז את האנרגיה בנקודה החמה בגידול תוך פגיעה מינימאלית ברקמה בריאה.

ההתקן מורכב ממספר אנטנות דיפול מודפסות על פני משטח של מעטפת פלסטיק גלילית אשר מורכבת סביב רגלו של המטופל, קרוב למיקום של הגידול במקרה הזה. תדר עבודה הנבחר הינו  138, שזאת הפשרה בין גודל נקודת החום לעומק החדירה. תדר גבוה יותר יכול לספק נקודה חמה ממוקדת יותר, אבל אז יהיה קשה יותר לחדור לעומק הרקמה. בתהליך משולב קירור מים המונע את חימום העור במהלך ההליך. האובייקט של גידול סרטני שהתקבל לאחר בדיקת MRI לחולה מסויים, הוכנס לסימולציה לתוך הרגל של מודל גוף האדם.

העולם שאנו חיים בו, הסביבה שבה בדיקות חייבות להתבצע, מיסודו כוללים תופעות פיזיקאליות מרובות. אפקטים תרמיים, שלמות מבנית וקרינה אלקטרומגנטית יכולים להשפיע על ביצועים של מוצרים ותהליכים. אם ננסה לבודד את הכוחות המרובים במערכת, לא נוכל לקבל חיזוי מדויק של התנהגות המערכת, לכן חשוב שנבצע סימולציה שהיא מולטי פיסיקלית.

על ידי שימוש בסימולציה אלקטרומגנטית נעשתה האופטימיזציה למקד את הנקודה החמה בגידול. לאחר מכן, המידע לגבי הפסדים בכל טטראדר מועבר באופן אוטומטי לכלי סימולציה תרמי, אשר מחשב את התפלגות טמפרטורה כפונקציה של זמן, תוך לקיחה בחשבון מאפייניים התרמיים של החומר.

בעזרת שימוש בכלי סימולציה ניתן לתכנן את המכשיר הרפואי ובנוסף לבדוק את השפעתו על גוף האדם.

תנאי הפעלה נכונים המתגלים באמצעות כלי הסימולציה משחררים את החולה מפרוצדורות פולשניות. על מנת לייעל תנאים עבור מגוון רחב של חולים בסביבת בית החולים, מהנדסים חייבים לשפר את השיטות להעברת נתוני סריקת MRI למודלים של גוף אדם המותאמים אישית לצורך ביצוע סימולציות.

סימולציות אלקטרומגנטית ותרמיות מובנות היטב ומשמשות באופן קבוע לתכנון של ציוד רפואי. פריצת הדרך הבאה צפויה כאשר יכולים להיות מודלים של גוף האדם המותאמים אישית והרופאים יוכלו להשתמש בכלי סימולציה לתכנון הטיפול הרפואי.

מקורות:

[1] Erdmann, B; Lang, J; and Seebass, M., “Optimization of Temperature Distributions for Regional Hyperthermia Based on a Nonlinear Heat Transfer Model”, Ann. N. Y. Acad. Sci., Vol. 858, September 11, 1998, pp. 36-46.

[2] Iero, D.A.M. ; Crocco, L. ; Isernia, T., “Thermal and Microwave Constrained Focusing for Patient-Specific Breast Cancer Hyperthermia: A Robustness Assessment”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 62 , Issue: 2, 2014 , pp. 814 – 821.

[3] M. Vogel, ANSYS Advantage Volume III, Issue 1, 2009

הכתבה באדיבות ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית.

המחברים מבקשים להודות ל-Philips Healthcare בהולנד עבור עבודתה בנושא MRI ולאוניברסיטת Duke בארצות הברית עבור עבודתה בנושא היפרתרמיה.

על המחברים:

מר שי סייפן אלטמן בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת בן גוריון. עם ניסיון של מעל 15 שנים בפיתוח. מתמחה בסימולציות אלקטרומגנטיות. מהנדס אפליקציות בחברת אנסיס.

מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. ניסיון של מעל 10 שנים בפיתוח בתחום מיקרוגלים, אנטנות וסימולציות אלקטרומגנטיות, כולל בתחום הביו-רפואי. מהנדס אפליקציות בחברת אנסיס.

מר מריוס רוסו בעל תואר שלישי בהנדסת חשמל מאוניברסיטת פוליטכניקה בבוכרסט, רומניה (2003) ותואר Licentiate of Technology מאוניברסיטה טכנולוגית בהלסינקי, פינלנד (2001). לדר’ רוסו ניסיון מעל 20 שנה בתכנון וסימולציות בתחום האלקטרומגנטיות. מנהל מוצר מוביל בחברת אנסיס.