Planning system for the thermoradiotherapy procedure
Hyperthermia is a method of treatment of oncological diseases by means of increasing tumor’s temperature up to
 40…43°C. Hyperthermia isn’t applied alone but usually like adjunct to the established treatment methods such as
 radiation and chemotherapy. High temperature of tumor cells...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80287 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Planning system for the thermoradiotherapy procedure / A.M. Fadeev, S.M. Polozov, A.E. Aksentyev, O.L. Verjbitskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 211-213. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860244044791152640 |
|---|---|
| author | Fadeev, A.M. Polozov, S.M. Aksentyev, A.E. Verjbitskiy, O.L. |
| author_facet | Fadeev, A.M. Polozov, S.M. Aksentyev, A.E. Verjbitskiy, O.L. |
| citation_txt | Planning system for the thermoradiotherapy procedure / A.M. Fadeev, S.M. Polozov, A.E. Aksentyev, O.L. Verjbitskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 211-213. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Hyperthermia is a method of treatment of oncological diseases by means of increasing tumor’s temperature up to
40…43°C. Hyperthermia isn’t applied alone but usually like adjunct to the established treatment methods such as
radiation and chemotherapy. High temperature of tumor cells makes its more sensitive to the radiation and to the
anticancer drugs. Creating of high level temperature distribution in the tumor site by the phased array of applicators
was proposed. Varying phases and amplitudes of each dipole provides focusing electromagnetic energy in the deep
situated tumors. It is very important to save healthy tissues from overheating. Prediction and control of temperature
distribution inside the patient body is a significant part of the treatment process. The planning system for the thermoradiotherapy
procedure is under development. Numerical simulation methods of the E-field and temperatures
distributions produced by the phased array are described. These simulation techniques use a finite-element method.
Resulting distributions of E-field and temperature are also presented.
Гипертермия – это метод лечения онкологических заболеваний путем повышения температуры опухоли до 40…43°C. Гипертермия обычно не применяется отдельно, но используется как дополнение к установленным методам лечения, таким как лучевая и химиотерапия. Повышенная температура опухолевых клеток делает их более восприимчивыми к облучению и химиопрепаратам. Для создания повышенного уровня температур в опухоли предложено использовать независимо фазируемый массив излучателей. Варьирование фаз и амплитуд волн от каждого из излучателей обеспечивает фокусировку электромагнитной энергии в глубоко расположенной опухоли. При этом очень важно предотвратить перегрев здоровых тканей. Прогнозирование и контроль распределения температуры внутри облучаемого тела является значимой частью процесса лечения. Разрабатывается система планирования для процедуры терморадиотерапии. Описываются методы математического моделирования распределения электрических полей и температуры внутри тела, производимые фазированным массивом. Эти техники основаны на методе конечных элементов. Также представлены результирующие распределения электрических полей и температур.
Гіпертермія – це метод лікування онкологічних захворювань шляхом підвищення температури пухлини до 40…43°C. Гіпертермія зазвичай не застосовується окремо, але використовується як доповнення до встановлених методів лікування, таких як променева і хіміотерапія. Підвищена температура пухлинних клітин робить їх сприйнятливішими до опромінення і хіміопрепаратів. Для створення підвищеного рівня температур у пухлині запропоновано використовувати незалежно фазований масив випромінювачів. Варіювання фаз і амплітуд хвиль від кожного з випромінювачів забезпечує фокусування електромагнітної енергії в глибоко розташованій пухлині. При цьому дуже важливо запобігти перегріванню здорових тканин. Прогнозування і контроль розподілу температури всередині опромінюваного тіла є значущою частиною процесу лікування. Розробляється система планування для процедури терморадіотерапії. Описуються методи математичного моделювання розподілу електричних полів і температури всередині тіла, вироблені фазованим масивом. Ці техніки базуються на методі кінцевих елементів. Також представлено результуючі розподіли електричних полів і температур.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:34:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 211
PLANNING SYSTEM FOR THE THERMORADIOTHERAPY
PROCEDURE
A.M. Fadeev, S.M. Polozov, A.E. Aksentyev, O.L. Verjbitskiy
National Research Nuclear University - Moscow Engineering Physics Institute, Moscow, Russia
E-mail: SMPolozov@mephi.ru
Hyperthermia is a method of treatment of oncological diseases by means of increasing tumor’s temperature up to
40…43°C. Hyperthermia isn’t applied alone but usually like adjunct to the established treatment methods such as
radiation and chemotherapy. High temperature of tumor cells makes its more sensitive to the radiation and to the
anticancer drugs. Creating of high level temperature distribution in the tumor site by the phased array of applicators
was proposed. Varying phases and amplitudes of each dipole provides focusing electromagnetic energy in the deep
situated tumors. It is very important to save healthy tissues from overheating. Prediction and control of temperature
distribution inside the patient body is a significant part of the treatment process. The planning system for the ther-
moradiotherapy procedure is under development. Numerical simulation methods of the E-field and temperatures
distributions produced by the phased array are described. These simulation techniques use a finite-element method.
Resulting distributions of E-field and temperature are also presented.
PACS: 87.56.-v
INTRODUCTION
Hyperthermia is an adjunctive method of treatment
of oncological diseases by means of increasing tumor’s
temperature up to 40…43°C. Under this conditions tu-
mor cells can be damaged and, moreover, efficiency of
radiation and chemotherapy can be improved. But it is
very important to save healthy tissues from heat des-
tined for the tumor.
Treatments by means of radio frequency (RF) radia-
tion are difficult challenge because RF energy is rapidly
absorbed by human tissue. Therefore, treatment of tu-
mors situated deeper than a few centimeters with a sin-
gle applicator is not effective. Alternative decision is a
using of several applicators positioned around the pa-
tient body in a configuration which allows obtaining
constructive interference of the RF patterns. This con-
ception was presented earlier in [1]. Suggested device
consists of eight dipoles evenly spaced around a 60 cm
annular space. Each dipole is powered and controlled by
its own amplifier and phase shifter consequently. All
dipole applicators are driven by the same frequency but,
thus, each can have separate amplitude and phase val-
ues. This ability permits to steer maximum of the ab-
sorption power in the tumor site.
The operating frequency of dipoles can vary in the
range of 80 to 150 MHz. Amplitude and phase varia-
tions together with frequency variation present a wide
range degree of freedom in selecting of the treatment
mode. Amplitude and phase values are made by intui-
tion. The main rule of focusing strategy is that the max-
imum of the absorption power is shifted form the de-
layed dipole applicator. But it is very hard, and hence
longstanding, to find the optimal values of amplitudes
and phases guided by only this rule, especially for real
time treatment. Moreover human body consists of huge
amount of different tissues with its own dielectric prop-
erties and densities and each patient has its own anatom-
ic peculiarity. That’s why development of planning sys-
tem for the hyperthermia procedure is very important
for saving healthy tissues surrounding tumor from over-
heating.
1. ANALYTICAL METHOD
The problem of temperature prediction consists of
two tasks: first, predict the rate of heat deposition in the
various tissues; and second, predict the resultant tem-
peratures. The latter problem is described by a role of
blood circulation and thermal conductivity of tissues in
the temperature regulation. But the main goal is to pre-
sent the electric field distribution in the studied volume,
which later will be used for temperature calculation with
the same element grid. Since the power deposition per
unit volume of tissue is given by (without blood flow
and thermal conductivity):
2
2
SAR
σ
ρ
=
E
, (1)
where E is the rms electric field, σ is a tissue conductiv-
ity and ρ is tissue density, the main goal is to complete
the electric field distribution.
In this paper the general Galerkin formulation for
the electric field is used.
In general case we should to solve Maxwell’s equa-
tions:
iωµ∇ =E H , (2)
ciωε∇ = −H E , (3)
where E and H are the time-variant complex amplitude
of the electric and magnetic field correspondingly; µ is
the magnetic permeability; c iε ε σ µ= + is the com-
plex permittivity; σ is the electric conductivity; ε is the
permittivity; ω is the radiant frequency. As known µ is
constant in tissue, but ε and σ vary with both frequency
and tissue type. Therefore after isolating E the result is:
( ) 2 0k∇ ∇ − =E E , (4)
where 2 2k iω µε ωµσ= + is the complex wavenumber.
Since the object of study is the human body, it was
decided that the Finite Element Method [2] was to be
implemented. The principal idea of the method is the
subdivision of the whole domain into a composite of
simpler parts. Several advantages prompted the use of
this method of which the ease of representation of com-
plex geometry and greater flexibility in regard to the use
of discontinuous coefficients in the equation, as com-
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 212
pared to Finite Difference schemes, play the major role,
with the latter being of even greater consequence than
the former due to the nature of the problem.
Approximate solution is based on the weak form of (4):
( ) 2 0i ikϕ ϕ〈 ∇ ∇ 〉 − 〈 〉 = E E , (5)
where indicates integration over the volume and ϕi
is any scalar function. In this implementation of the
method, however, the same weighing functions that are
utilized for the field expansion on the elements of the
mesh – so-called form function – are used. The first
term in (5) may be integrated by parts:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) .
i i i
i ids
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ
〈 ∇ ∇ 〉 = 〈∇ ∇ 〉 − 〈∇ ∇ 〉 =
= ∇ − 〈∇ ∇ 〉∫
E E E
n E E
(6)
And thus the weak form is presented by:
( ) ( )2
i i ik i dsϕ ϕ ωµ ϕ∇ − = ×∫E E H n . (7)
Note that H was reintroduced purposefully for ap-
plying boundary conditions where E is not specified and
computing n×H on the boundaries where E is specified.
The unknown E should be expanded to complete the
numerical discretization as follow:
1
N
i ii
ϕ
=
= ∑E E , (8)
where ϕi is the real-valued weighting functions. This
Galerkin approximation is then implemented on conven-
tional linear, hexahedral finite elements, where ϕi and
E are continuous with piecewise continuous first deriva-
tives.
The linear hexahedral element was chosen as an ini-
tial approach due to the fact that this type of element
allows for non-constant gradients of the unknown quan-
tity, hence making the mesh more sensitive to change.
2. SIMULATION RESULTS
In this study following model was used for simula-
tions. Cylinder dielectric tank filled by deionized water
is surrounded by just a pair of dipoles. Two dipoles are
enough to demonstrate the ability of interference. Con-
ductivity of deionized water is very low (6·10-7 S/m),
thus it is expected that the absorbed power will be close
to zero. What’s why cylinder filled with conductive
water (0.5 S/m) is situated in the center of the tank. Di-
poles separate from water by thin dielectric layer (con-
ductivity 0.02 S/m). The overall view of studying model
is presented in Fig. 1.
This model is performed by CST Microwave Studio.
Moreover, simulation results will be compared with
CST results. In these simulations thermal conductivity
was ignored, thus it is can be expected abrupt change of
the absorbed power level in deionized water and dielec-
tric tank interface and deionized and conductive water
interface. Here conductive water is an equivalent of hu-
man tissue, for instance, muscle which has similar dielec-
tric properties such as conductivity and permittivity.
Electric field distribution with equal phases along
the line connected two dipoles is presented in Fig. 2.
This line is sighed on the top of the figure. And corre-
sponding SAR distribution along the line is depicted in
Fig. 3. Cylinder with conductive water starts at 90 and
ends at 190 mm.
Fig. 1. Overall view of studying model
Fig. 2. Electric field distribution along the line
Fig. 3. SAR distribution along the line
Here black line is for CST simulation and red line is
for numerical simulation with using Galerkin approxi-
mation.
Electric field has maximums values near the dipoles
and they are situated in the dielectric tank. SAR distri-
bution has the same maximums. Because of non-zero
conductivity of dielectric tank it can be damaged, but in
these calculations thermal conductivity is ignored. Thus,
in this case the power absorption will be decreased.
Maximum of absorbed power in the center is a result
of the summation of the absorbed power from each of
two dipoles. Zero absorbed power in other region
caused by low conductivity of deionized water. In the
presence of thermal conductivity in simulating SAR
distribution would be smoothed and high absorbed
power values near the dipole region would be de-
creased. These figures show ability of deep heating.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 213
SAR distribution with phase delay at the left dipole
is shown in Fig. 4. Phase shift is 45 degrees.
Fig. 4. SAR distribution along the line with the phase
delay at the left dipole
According to the rule described in the first section
the maximum of absorbed power should be shifter from
delayed dipole, i.e. from center toward the right dipole.
This behavior is depicted in the figure.
CONCLUSIONS
Hyperthermia is a promising adjunctive method of
the treatment of oncological disease. Heating tumors by
RF fields can be effective in case of multiple applicators
using, where desirable absorbed power distribution is
reached by amplitudes and phases varying of each di-
pole. Thus, it is very important to choose the most suit-
able values for the most effective treatment and for sav-
ing healthy tissues from overheating.
For these purposes planning system is under devel-
oping. Numerical method, which permits to produce
electric field distribution, is presented. Simulation re-
sults were compared with CST Microwave Studiore-
sults. It is shown that deep heating of biological tissues
is possible and also it is possible to move peak of ab-
sorbed power.
REFERENCES
1. A.M. Fadeev, S.M. Polozov, V.N. Belyaev, et al. RF
Power and Control Systems for Phased Dipoles Ar-
ray System for Hyperthermia // Proc. of RUPAC
2012, p. 524-525.
2. Larry J. Segerlind. Applied Finite Element Analysis,
2nd Edition. New York, 1984.
Article received 02.09.2013
СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕДУРЫ ТЕРМОРАДИОТЕРАПИИ
А.М. Фадеев, С.М. Полозов, А.Е. Аксентьев, О.Л. Вержбицкий
Гипертермия – это метод лечения онкологических заболеваний путем повышения температуры опухоли
до 40…43°C. Гипертермия обычно не применяется отдельно, но используется как дополнение к установлен-
ным методам лечения, таким как лучевая и химиотерапия. Повышенная температура опухолевых клеток
делает их более восприимчивыми к облучению и химиопрепаратам. Для создания повышенного уровня тем-
ператур в опухоли предложено использовать независимо фазируемый массив излучателей. Варьирование
фаз и амплитуд волн от каждого из излучателей обеспечивает фокусировку электромагнитной энергии в
глубоко расположенной опухоли. При этом очень важно предотвратить перегрев здоровых тканей. Прогно-
зирование и контроль распределения температуры внутри облучаемого тела является значимой частью про-
цесса лечения. Разрабатывается система планирования для процедуры терморадиотерапии. Описываются
методы математического моделирования распределения электрических полей и температуры внутри тела,
производимые фазированным массивом. Эти техники основаны на методе конечных элементов. Также пред-
ставлены результирующие распределения электрических полей и температур.
СИСТЕМА ПЛАНУВАННЯ ДЛЯ ПРОЦЕДУРИ ТЕРМОРАДІОТЕРАПІЇ
А.М. Фадеєв, С.М. Полозов, А.Е. Аксентьєв, О.Л. Вержбицький
Гіпертермія – це метод лікування онкологічних захворювань шляхом підвищення температури пухлини
до 40…43°C. Гіпертермія зазвичай не застосовується окремо, але використовується як доповнення до вста-
новлених методів лікування, таких як променева і хіміотерапія. Підвищена температура пухлинних клітин
робить їх сприйнятливішими до опромінення і хіміопрепаратів. Для створення підвищеного рівня темпера-
тур у пухлині запропоновано використовувати незалежно фазований масив випромінювачів. Варіювання фаз
і амплітуд хвиль від кожного з випромінювачів забезпечує фокусування електромагнітної енергії в глибоко
розташованій пухлині. При цьому дуже важливо запобігти перегріванню здорових тканин. Прогнозування і
контроль розподілу температури всередині опромінюваного тіла є значущою частиною процесу лікування.
Розробляється система планування для процедури терморадіотерапії. Описуються методи математичного
моделювання розподілу електричних полів і температури всередині тіла, вироблені фазованим масивом. Ці
техніки базуються на методі кінцевих елементів. Також представлено результуючі розподіли електричних
полів і температур.
Introduction
1. analytical Method
2. simulation results
conclusionS
references
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80287 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:34:02Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Fadeev, A.M. Polozov, S.M. Aksentyev, A.E. Verjbitskiy, O.L. 2015-04-14T16:01:27Z 2015-04-14T16:01:27Z 2014 Planning system for the thermoradiotherapy procedure / A.M. Fadeev, S.M. Polozov, A.E. Aksentyev, O.L. Verjbitskiy // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 211-213. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 87.56.-v https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80287 Hyperthermia is a method of treatment of oncological diseases by means of increasing tumor’s temperature up to
 40…43°C. Hyperthermia isn’t applied alone but usually like adjunct to the established treatment methods such as
 radiation and chemotherapy. High temperature of tumor cells makes its more sensitive to the radiation and to the
 anticancer drugs. Creating of high level temperature distribution in the tumor site by the phased array of applicators
 was proposed. Varying phases and amplitudes of each dipole provides focusing electromagnetic energy in the deep
 situated tumors. It is very important to save healthy tissues from overheating. Prediction and control of temperature
 distribution inside the patient body is a significant part of the treatment process. The planning system for the thermoradiotherapy
 procedure is under development. Numerical simulation methods of the E-field and temperatures
 distributions produced by the phased array are described. These simulation techniques use a finite-element method.
 Resulting distributions of E-field and temperature are also presented. Гипертермия – это метод лечения онкологических заболеваний путем повышения температуры опухоли до 40…43°C. Гипертермия обычно не применяется отдельно, но используется как дополнение к установленным методам лечения, таким как лучевая и химиотерапия. Повышенная температура опухолевых клеток делает их более восприимчивыми к облучению и химиопрепаратам. Для создания повышенного уровня температур в опухоли предложено использовать независимо фазируемый массив излучателей. Варьирование фаз и амплитуд волн от каждого из излучателей обеспечивает фокусировку электромагнитной энергии в глубоко расположенной опухоли. При этом очень важно предотвратить перегрев здоровых тканей. Прогнозирование и контроль распределения температуры внутри облучаемого тела является значимой частью процесса лечения. Разрабатывается система планирования для процедуры терморадиотерапии. Описываются методы математического моделирования распределения электрических полей и температуры внутри тела, производимые фазированным массивом. Эти техники основаны на методе конечных элементов. Также представлены результирующие распределения электрических полей и температур. Гіпертермія – це метод лікування онкологічних захворювань шляхом підвищення температури пухлини до 40…43°C. Гіпертермія зазвичай не застосовується окремо, але використовується як доповнення до встановлених методів лікування, таких як променева і хіміотерапія. Підвищена температура пухлинних клітин робить їх сприйнятливішими до опромінення і хіміопрепаратів. Для створення підвищеного рівня температур у пухлині запропоновано використовувати незалежно фазований масив випромінювачів. Варіювання фаз і амплітуд хвиль від кожного з випромінювачів забезпечує фокусування електромагнітної енергії в глибоко розташованій пухлині. При цьому дуже важливо запобігти перегріванню здорових тканин. Прогнозування і контроль розподілу температури всередині опромінюваного тіла є значущою частиною процесу лікування. Розробляється система планування для процедури терморадіотерапії. Описуються методи математичного моделювання розподілу електричних полів і температури всередині тіла, вироблені фазованим масивом. Ці техніки базуються на методі кінцевих елементів. Також представлено результуючі розподіли електричних полів і температур. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ускорителей в радиационных технологиях Planning system for the thermoradiotherapy procedure Система планирования для процедуры терморадиотерапии Система планування для процедури терморадіотерапії Article published earlier |
| spellingShingle | Planning system for the thermoradiotherapy procedure Fadeev, A.M. Polozov, S.M. Aksentyev, A.E. Verjbitskiy, O.L. Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| title | Planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| title_alt | Система планирования для процедуры терморадиотерапии Система планування для процедури терморадіотерапії |
| title_full | Planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| title_fullStr | Planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| title_full_unstemmed | Planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| title_short | Planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| title_sort | planning system for the thermoradiotherapy procedure |
| topic | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| topic_facet | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80287 |
| work_keys_str_mv | AT fadeevam planningsystemforthethermoradiotherapyprocedure AT polozovsm planningsystemforthethermoradiotherapyprocedure AT aksentyevae planningsystemforthethermoradiotherapyprocedure AT verjbitskiyol planningsystemforthethermoradiotherapyprocedure AT fadeevam sistemaplanirovaniâdlâprocedurytermoradioterapii AT polozovsm sistemaplanirovaniâdlâprocedurytermoradioterapii AT aksentyevae sistemaplanirovaniâdlâprocedurytermoradioterapii AT verjbitskiyol sistemaplanirovaniâdlâprocedurytermoradioterapii AT fadeevam sistemaplanuvannâdlâproceduritermoradíoterapíí AT polozovsm sistemaplanuvannâdlâproceduritermoradíoterapíí AT aksentyevae sistemaplanuvannâdlâproceduritermoradíoterapíí AT verjbitskiyol sistemaplanuvannâdlâproceduritermoradíoterapíí |