CANCERBEHANDLING MED MIKROVÅGOR VASA UNIVERSITET TEKNISKA FAKULTETEN ELTEKNIK. Sören Nyman k83007 Henry Roslund m85742 Christian Hultholm l84318



Relevanta dokument
Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

Hur elektromagnetiska vågor uppstår. Elektromagnetiska vågor (Kap. 32) Det elektromagnetiska spektrumet

Vågrörelselära och optik

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Föreläsning 12. Tidsharmoniska fält, komplexa fält (Kap ) Plana vågor (Kap ) i Griffiths

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Övningsuppgifter/repetition inom elektromagnetism + ljus (OBS: ej fullständig)

Tentamen i El- och vågrörelselära,

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

Föreläsning , , i Griffiths Vi kommer nu till hur elektromagnetiska vågor genereras!

OBS!

LAPLACES OCH POISSONS EKVATIONER

1. Elektromagnetisk strålning

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Föreläsning 8. Ohms lag (Kap. 7.1) 7.1 i Griffiths

Poissons ekvation och potentialteori Mats Persson


Tenta svar. E(r) = E(r)ˆr. Vi tillämpar Gauss sats på de tre områdena och väljer integrationsytan S till en sfär med radie r:

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

ANDREAS REJBRAND Elektromagnetism Coulombs lag och Maxwells första ekvation

Lic Eng Lennart Hasselgren MANUAL Sida 1 (7) E:\PROJEKT\EMC\ EMC_RF-LAB\MANUAL\EMNEFI7.DOC-01/LH

OBS!

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

ANDREAS REJBRAND NV1A Fysik Elektromagnetisk strålning

KRAMERS-KRONIGS DISPERSIONSRELATIONER

Mer om EM vågors polarisation. Vad händer om man lägger ihop två vågor med horisontell och vertikal polarisation?

Det är elektromagnetiskt kraft som är av intresse här.

Statens strålskyddsinstituts författningssamling

Repetition kapitel 21

Rep. Kap. 27 som behandlade kraften på en laddningar från ett B-fält.

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter Se efter om ni har fått tillbaka dem och om de är godkända!

FÖRSVARSSTANDARD FÖRSVARETS MATERIELVERK 1 1 (11) MILJÖPROVNING AV AMMUNITION. Provning med elektromagnetisk puls, EMP ORIENTERING

Elektrodynamik. Elektrostatik. 4πε. eller. F q. ekv

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

Strålsäkerhetsmyndighetens ISSN:

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

OBS!

Vågrörelselära och optik

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Oscillerande dipol i ett inhomogent magnetfält

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Magnetfältssimulering Staffanstorps kommun

13. Plana vågors reflektion och brytning

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 24: Elektromagnetisk strålning

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Design av antennsystem för h yperterm ibeh andling av h järntum örer

u = 3 16 ǫ 0α 2 ρ 2 0k 2.

1.3 Uppkomsten av mekanisk vågrörelse

Föredrag om antennteknik på RS-03. Antenner. Lite grunder för nybörjare och andra.

fördjupning inom induktion och elektromagnetism

OBS!

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter. Räknestuga. Förra veckan kapitel 16 och 17 Böjning och interferens

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

OBS!

Två typer av strålning. Vad är strålning. Två typer av strålning. James Clerk Maxwell. Två typer av vågrörelse

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Lösningar till Tentamen i fysik B del 1 vid förutbildningar vid Malmö högskola

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

1( ), 2( ), 3( ), 4( ), 5( ), 6( ), 7( ), 8( ), 9( )

The nature and propagation of light

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

attraktiv repellerande

Elektromagnetiska falt och Maxwells ekavtioner

4. Elektromagnetisk svängningskrets

Bygg din egen GPS antenn

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

2.7 Virvelströmmar. Om ledaren är i rörelse kommer den att bromsas in, eftersom det inducerade magnetfältet och det yttre fältet är motsatt riktade.

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

LYSEKILS KOMMUN Sammanträdesprotokoll Kommunstyrelsen

VIKTIGA TILLÄMPNINGAR AV GRUNDLÄGGANDE BEGREPP

Problem Vågrörelselära & Kvantfysik, FK november Givet:

OBS!

Gemensamt projekt: Matematik, Beräkningsvetenskap, Elektromagnetism. Inledning. Fysikalisk bakgrund

Säkerheten vid mikrovågstorkning

Föreläsning 13, SF1626 Flervariabelanalys

Räkneövning 5 hösten 2014

Bra tabell i ert formelblad

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Elektromagnetiska fält (EMF) mätare - några riktlinjer för val och användande

PHYS-A5130 Elektromagnetism period III våren Vecka 2

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

SFOR-kurs Aspenäs herrgård 6 8 april Lars Öhberg, MD, PhD Norrlands Universitetssjukhus, Umeå

OBS!

Transkript:

VASA UNIVERSITET TEKNISKA FAKULTETEN ELTEKNIK Sören Nyman k83007 Henry Roslund m85742 Christian Hultholm l84318 SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria CANCERBEHANDLING MED MIKROVÅGOR Sidantal: 11 Lämnat för bedömning: 12.12.2006 Arbetets granskare Maarit Vesapuisto

2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLEDNING 3 1. BAKGRUNDSTEORI 5 1.1. Elektromagnetism 5 1.2. Värmeöverföring 6 2. SIMULATIONSRESULTAT 8 2.1. Simulation med frekvensen 2,45 GHz 8 2.2. Simulation med frekvensen 0,1 GHz 9 2.3. Simulation med frekvensen 10 GHz 10 2.4. Simulation med frekvensen 100 GHz 11

3 INLEDNING Simulationsmodellen är ett exempel på hypertermisk onkologi. Cancern behandlas genom uppvärmning av tumörvävnaden, ofta i kombination med kemo- eller radioterapi. Ett problem som uppstår när man skall värma tumörer som befinner sig i kroppens inre, är att se till att den använda värmen inte skadar omkringliggande vävnad. Detta kräver stor precision både vad gäller temperaturkontroll och fördelning. Bland värmeteknikerna är RF- och mikrovågor två allmänna. Mikrovågskoagulation innebär att en liten mikrovågsantenn sätts in i tumören. När tumören värms uppstår ett koagulerat område, varvid cancercellerna förstörs. Syftet med simulationsmodellen är att beräkna temperaturfältet, strålningsfältet och den specifika absorptionshastigheten i levervävnad. För ändamålet används en liten koaxialantenn (se Bild 1). Temperaturfördelning beräknas med biovärme-ekvationen. Bild 1. Den använda koaxialkabeln.

4 Kabeln består av 1 mm bred ringformad snittficka på den yttre ledaren 5 mm från den kortslutna ändan. Den mest allmänna frekvensen inom behandling med mikrovågskoagulation är 2,45 GHz.

5 1. BAKGRUNDSTEORI 1.1. Elektromagnetism En elektromagnetisk våga som framskrider i en koaxialkabel karakteriserar av transversella fält. Vi utgår från tids harmoniska fält med komplexa amplituder innehållande information om stegen. C r j(ωt kz) E = er e (1) C rz j( ωt kz) H = eϕ e (2) r 2 yttre 1 C ryttre Pav = Re( E H*)2πrdr = e zπ ln( ) (3) 2 Z r rinre inre Där z är framskridningsrikting och r, φ och z cylinderkoordinater är centrerade på koaxialkabelns axel. P av är genomsnittliga effektflödet med avseende på tiden i kabeln, Z är vågimpedansen i kabelns dielektriska del och r inre och r yttre är den dielektriska delens inre och yttre radier. Vinkelfrekvensen betecknas ω. Framskridnings konstanten k är beroende av våglängden λ enligt följande 2π k =. (4) λ I vävnaden har det elektriska fältet också en ändlig komponent, medan det magnetiska fältets riktning är helt azimutal. Sålunda kan man skapa en modell för antennen genom att använda en axelsymmetrisk transversell magnetisk formulering och på så vis blir vågekvationen skalär i H φ. jσ (( ε ) ωε 0 1 2 Hϕ ) µ r k0 Hϕ = 0. (5)

6 Gränsegenskaperna för metalliska ytor är n E = 0. (6) En modell för matningspunkten skapas genom portgräns villkor med en kraft på 10 W. Det essentiella förstagradiga lågreflekterande gränskonditionen med inkommande fält H ϕ 0. n ε E µ H = 2 µ H (7) ϕ ϕ 0 0 där Pav Z πr ln( ryttre / rinre ) H = ϕ (8) 0 r Med en inkommande effekt på P av, subtraherat från det genomsnittliga effektflödet med avseende på tiden. Antennen strålar in i vävnaden där en dämpad våg framskrider. Emedan det endast är möjligt att diskretisera ett begränsat område, avgränsas en distans från antennen genom att använda en liknande absorberande gränskondition utan laddning. Denna gränskondition används för alla yttre gränser. Applicera en symmetrisk gränskondition för gränserna så att r = 0. E = 0 (9) r r E z = 0 (10) 1.2. Värmeöverföring Det stationära värmeöverföringsproblemet beskrivs med biovärme-ekvationen:

7 ( k T ) = ρ C ω ( T T ) + Q + Q (11) b b b b met ext Där k är leverns värme konduktivitet, ρ b är blodets densitet, C b är blodets specifika värme, ω b är blodets flödeshastighet. Q met är ämnesomsättningens värmekälla och Q ext är yttre värmekälla. Den här modellen beaktar inte värmen från metabolismen. Den yttre värmekällan är lika stort som den resistiva värmen som magnetfältet skapat. 1 * Qext = Re ( σ j ωε ) 2 E E (12) Utgå från att blodets flödeshastighet är ω b = 0,0036 s -1 och att blodet far in i levern med kroppstemperaturen T b = 37+273 K och värms upp till temperaturen T. Blodets värmekapacitet är C b = 3639 J/kg/K. I en mer realistisk modell kan man låta ω b vara en funtion av temperaturen. Åtminstone för yttre lemmar som armar och ben är det klart att temperaturökningen ökar på blod flödet. Värmeflödesproblemet görs endast modell av för levern. Där området är avgränsat används isolering, vilket är: n T = 0 (13)

8 2. SIMULATIONSRESULTAT 2.1. Simulation med frekvensen 2,45 GHz Bild 2. Värmedensitetens fördelning i tumören. Bild 3. Temperaturfördelning i tumören.

9 Vi ser att frekvensen 2,45 GHz ger upphov till en mycket effektiv uppvärmning av tumören. Därför är den också den mest använda frekvensen inom koagulationsbehandling med mikrovågor. 2.2. Simulation med frekvensen 0,1 GHz Bild 4. Värmedensitetens fördelning i tumören. Bild 5. Temperaturfördelning i tumören.

10 En minskning av frekvensen från 2,4 GHz till 0,1 GHz bidrar till en kraftig reducering av värmeutvecklingen. 2.3. Simulation med frekvensen 10 GHz Bild 6. Värmedensitetens fördelning i tumören. Bild 7. Temperaturfördelning i tumören. Trots ökad frekvens är värmeutvecklingen mindre vid 10 GHz än 2,45 GHz.

11 2.4. Simulation med frekvensen 100 GHz Bild 8. Värmedensitetens fördelning i tumören. Bild 9. Temperaturfördelning i tumören. Vid simulering med den i praktiken knappast tillämpbara frekvensen 100 GHz får vi häpnandsväckande resultat. Värmedensiteten antar en kristalliknande struktur, vilket beror på att den extremt höga frekvensen får blodet att koagulera. I verkligheten skulle dock en dylik temperaturstegring orsaka svåra skador i människokroppen.