مدل سازي عددي تشخيص سرطان پستان با تصويربرداري ترموآكوستيك با استفاده از امواج مايكروويو

Numerical modeling of breast cancer diagnosis with microwave thermo-acoustic imaging

عكسبرداري ترموآكوستيك با استفاده از امواج مايكروويو يك روش عكسبرداري با پتانسيل بالا در تشخيص سرطان پستان در مراحل اوليه است. اين روش مزاياي تصويربرداري مايكروويو و سونوگرافي را با هم تركيب ميكند. در اين روش ساخت تصوير براساس امواج صوتي است كه در بافت به علت تابش پالس هاي مايكروويو بر آن توليد ميشود. با توجه به ماهيت چندفيزيكي اين پديده قابليت و امكان سنجي يك روش شبيه سازي عددي دوبعدي كه توانايي حل اين پديده را به صورت يكپارچه و پيوسته دارد، مورد بررسي قرار گرفته است. در اين شبيه سازي، يك بافت بيولوژيكي به همراه تومور داخل آن درون يك داكت مربعي (هدايتگر موج) تحت تابش امواج مايكروويو با فركانس GHz 2.45 به صورت پالسي قرار داده شده است. تغييرات دماي ايجاد شده در بافت بيولوژيكي به علت تابش امواج الكترومغناطيسي و گراديان فشار ايجاد شده متناظر اين تغييرات دما ارزيابي شده است. سپس شبيهسازيها براي قدرتهاي متفاوت امواج مايكروويو انجام شده تا ميزان مطلوب قدرت امواج براي توليد سيگنالهاي ترموآكوستيك مورد نياز عكسبرداري تعيين شود. شبيهسازيها نشان دادند كه در اثر جذب امواج توسط بافت سينه و تومور، افزايش دماي جزيي در بافت ايجاد خواهد شد. براي نمونه در نتيجه تاباندن پالس تحريك با قدرت W 1000 بهمدت μs 200 ، افزايش دمايي برابر با °C 0.004743 در مركز تومور ايجاد شده است. اين تغييرات دمايي بسيار كوچك در تومور سبب ايجاد اختلاف فشار به ميزان kPa 0.02759 در مرز تومور و بافت سينه خواهد شد. اين اختلاف فشار موجب توليد امواج صوتي خواهد شد كه با استفاده از رديفي از مبدل ها قابل شناسايي بوده و براي ساخت تصوير استفاده ميشود.

Microwave-induced thermo-acoustic imaging (TAI) is an imaging technique with a great potential in detecting breast cancer at early stages. This technique combines the advantages of both microwave and ultrasound imaging. In this technique, image construction is based on the acoustic waves which are produced in the tissue due to irradiation of microwave pulses on it. Due to multi-physics nature of this phenomenon, the capability and feasibility of a numerical simulation method which can solve this problem consistently, investigated with performing a two dimensional simulation of TAI. In this simulation, a biological tissue including a tumor is considered in a rectangular duct (waveguide) under irradiation of pulsed 2.45 GHz microwave source. The generated heat in the biological tissue due to electromagnetic waves irradiation and the corresponding pressure gradient in the tissue due to the temperature variations are evaluated. It is then studied for different power levels of microwave sources for identifying required power level for producing thermo-acoustic signals. Simulation results show a minuscule rise in temperature as a result of the absorption of pulsed microwave energy, for example, 0.004743°C temperature increment in the center of the tumor, due to excitation pulse of 1000 W, 200 μs. This small temperature variation in tumor, produce several kPa of pressure variations, 0.02759 kPa pressure difference at the interface of tumor and breast tissue. This pressure variation will produce acoustic signals, which can be detected with array of transducers and used for construction of image.