Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,757

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ

Курушин А.А. 1
1 Московский энергетический институт (НУ)

Под редакцией докт. физ.-мат. наук В.А. Пермякова.

Моделирование биологических объектов и расчет распределения температуры под воздействием СВЧ мощности – важная задача, стоящая как перед медициной, так и перед разработчиками современных медицинских приборов. Книга предназначена для получения начальных сведений и методах расчета установившейся и динамически изменяемой температуры в радиоструктурах и биологических объектах с помощью современного программного обеспечения – программы CST MWS, разработанной компанией Computer Simulation Technology, и программы COMSOL Multiphysics, разработанной компанией COMSOL. Рассматриваемые задачи выбраны из области радиотехники и медицины и предназначены для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению 210400 – «Радиотехника» и инженерно-технических работников, желающих расширить свои знания в современном программном обеспечении.

Учебное пособие написано на основании многолетнего опыта преподавания к.т.н., доцента А. Курушина на кафедре антенных устройств и распространения радиоволн МЭИ. Им были написаны более 10 учебных пособий и монографий, посвященным различным аспектам проектирования СВЧ устройств. Рецензентами данного учебного пособия выступили видные ученые, специалисты в радиотехнической области докт. техн. наук. профессор Б.Л. Коган, канд. техн. наук Е.И. Лаврецкий и канд. техн. наук А.Н. Грибанов. Редактирование выполнил профессор, докт. физ.-мат. наук В.А. Пермяков.

Книга состоит из Введения, 18 глав, Заключения и списка литературы. Оно включает большое количество иллюстраций. При этом электронная версия книги включает цветные иллюстрации, что помогает студентам и научным работникам в освоении сложной дисциплины, обучение которой основано в последние годы на применении коммерческих программ.

В книге впервые в России ставится задача совместного моделирования антенн-аппликаторов и биологических объектов: головы человека различной степени сложности, полной модели человека, находящегося в электромагнитном поле. Первые три главы посвящены обзору литературы (более 200 источников). Главы 4–5 посвящена теоретическим аспектам распространения тепла в биологических объекта и численным расчетам на программах CST Studio Suite и COMSOL Multiphysics, с помощью которых выполняется расчет теплового поля. Главы 6–13 описывают ряд актуальных практических задач анализа теплового распределения в различных объектах, включая расчет удельной мощности поглощения и увеличение температуры в голове пользователя сотового телефона. В Главе 14 книги приводится также метод расчета динамического изменения температуры во времени.

Главы 15–18 посвящены описанию программы COMSOL Multiphysics, которая в настоящее время занимает важную роль в системе подготовки в Европейских университета. Подробное описание составления задачи и анализа решения позволит освоить эту мощную программу электродинамического и мультифизического моделирования. Рассмотрены задачи моделирования процесса СВЧ терапии и терапии раковой опухоли.

Мультифизический подход к решению любых технических задач означает, что в одном процессе выясняются все технические характеристики, которые являются первостепенно важными при решении задач, в которых устройства обработки соизмеримы по размерам с длиной световой волны. Это и температура, и температурное расширение, и потоки элементарных частиц, и явления пробоя генерации холодной плазмы и прочие физические явления. Алгоритм решения задач с физическим содержанием сводится к точному моделированию физических процессов, таких как распространение электромагнитных волн, тепловые явления, движение частиц. Он включает в себя оптимизацию процесса проектирования, выработку соотношения между аналитическими и численными методами при решении актуальных задач, стоящих как перед организаторами научной работы, так и перед исполнителями – от научных сотрудников до инженеров.

Перед исследователями и разработчиками медицинской аппаратуры стоят важные задачи, связанные с биологией, медициной и электромагнетизмом. Предстоит этап освоения и понимания медицинских приборов нового поколения. Моделирование позволяет оценить и предсказать влияние экранов, внешних полей, погрешности установки мощности и напряжений, статистические характеристики модели и параметров фрагментов модели, в пределах которого выполняется анализ. Кроме этого важным остается радиолокационное наблюдение и просмотр области операционного действия. Кроме этого современная медицина нуждается в специфических, встроенных в биоорганизмы персональных системах радиосвязи и сохранения информации, управления и контроля работы систем жизнедеятельности, системах сигнализации и предотвращения коллизий, медицинские устройства, вживляемые радиолокаторы, сенсоры, и дефибрилляторы, аппликаторы для гипертермии и другие минимально агрессивные терапевтические операции.

Проектирование медицинского оборудования такого назначения остро ставит задачу описания, выбора и подтверждения достоверности как модели биологической среды, так и приборов СВЧ. Это первый важный вопрос, решаемый в процессе проектирования. Наличие современных пакетов проектирования, анализа и синтеза СВЧ устройств еще не гарантирует достоверности модели. Умение построить адекватную реальной задаче модель является крайне важным для разработчика, и её рекомендуется развивать эмпирическим путем посредством самостоятельных исследований.

Второй важный аспект проектирования – это всё более разнообразные и обобщенные показатели качества, которыми оценивается устройство.

Корректное моделирование радиотехнических объектов сводится как к выбору методов расчета характеристик (анализ), так к выбору и реализации методов решения обратной задачи (синтез). Последняя представляет собой, по сути, задачу параметрического синтеза, то есть оптимизацию параметров структуры выбранной конструкции.

В условиях высокого темпа производства современный исследователь, работающий на стыке медицины, биологии и радиотехники, перед которым ставится задача проектирования части или всего медицинского прибора, должен однозначно получить ответ: какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности. Другими словами, какое программное обеспечение предпочесть для решения поставленной задачи. Опытного высококвалифицированного специалиста отличает знание ответа на эти вопросы.

С появлением разнообразных программ электродинамического моделирования (HFSS, FEKO, CST, COMSOL) изменилось отношение к аналоговым расчетам. Ведь для реальных комплексных СВЧ устройств достаточно сложно получить аналитическое решение задачи, а зачастую это просто не представляется возможным. Однако всё это не должно изменить отношения к обязательному знанию радиотехники, в частности – электродинамики, антенн и устройств СВЧ и смежных с ними дисциплин.

Современная реальность проектирования такова, что часто может возникать необходимость считать задачу на нескольких программах (с использованием различных методов расчета), и только в случае получения близких результатов считать, что задача решена правильно, а модель построена верно.

Надеемся, что учебное пособие поможет студентам, инженерам и научным работникам приступить к освоению новых инструментов проектирования медицинских СВЧ устройств, используя хорошо зарекомендовавшие себя коммерческие программы решения электродинамических задач.


Библиографическая ссылка

Курушин А.А. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 6-1. – С. 159-161;
URL: http://www.expeducation.ru/ru/article/view?id=10206 (дата обращения: 16.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074