DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39313-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667603
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Saman Rajebi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات الموجات فوق الصوتية والحرارة المفرطة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لعلاج فرط الحرارة، وهي تقنية أورام ناشئة تستخدم التسخين المنضبط (40-45 درجة مئوية) لتعزيز فعالية الإشعاع أو العلاج الكيميائي مع حماية الأنسجة السليمة. يقدم الدراسة مجموعة هوائيات ميكروستريب دائرية قطبية مكونة من 16 عنصرًا تعمل بتردد 2.45 جيجاهرتز، مصممة لتحسين دقة وسلامة علاجات فرط الحرارة الكهرومغناطيسية. يتم تحقيق تحديد الهدف من خلال التجميع القائم على الصور، ويتم استخدام طريقة تعتمد على تحسين سرب الجسيمات (PSO) لتحسين أوزان مُشكّل الشعاع، مما يضمن أقصى قدر من الطاقة المودعة في موقع الورم.
لمعالجة تحدي التسخين السطحي، يتم تنفيذ تقنية تعتمد على مصفوفة جاكوبين الفضاء الصفري (NSJ) لقمع النقاط الساخنة بعد تحديد الهدف وتحسين الطاقة. يعمل هذا النظام التكيفي في الوقت القريب من الحقيقي، محققًا زمن تحديث مغلق أقل من 1.5 ثانية. تؤكد نتائج المحاكاة، باستخدام محلل كهرومغناطيسي كامل الموجات بالتزامن مع نموذج حيوي للحرارة، التركيز الفعال للطاقة، وتقليل تسرب الطاقة، وزيادة السلامة الحرارية. تدعم التحقق التجريبي باستخدام نماذج وهمية النتائج، مما يظهر تسخينًا موحدًا وإدارة فعالة لزيادات درجة الحرارة غير المستهدفة. بشكل عام، يمثل النظام المقترح نهجًا هجينًا ذكيًا يعزز بشكل كبير فعالية العلاج ويظهر وعدًا للتطوير المستقبلي كنموذج تكيفي تم التحقق منه من خلال الدراسات التجريبية.
الطرق
تتكون المنهجية الموضحة في هذا البحث من أربع خطوات رئيسية تهدف إلى تحسين تركيز الطاقة لعلاجات فرط الحرارة. في البداية، يتم استخدام نهج هندسي لتحديد منطقة الاهتمام من خلال التجميع الدائري، الذي يولد نقاط بؤرية لتركيز الطاقة. بعد ذلك، يتم استخدام خوارزميات تحسين متقدمة، مثل تحسين سرب الجسيمات (PSO)، لتحديد مراحل الهوائي التي تعظم قوة الإشارة عند النقطة البؤرية مع تقليلها في مواقع أخرى داخل جسم الإنسان. تتضمن الخطوة الثالثة تطبيق طريقة NSJ للتخفيف من التسخين السطحي وتقليل خطر حروق الجلد. أخيرًا، تفحص الدراسة العوامل المتعلقة بالأجهزة، بما في ذلك تصميم محول الطور والمسافة بين الهوائي وكتلة الماء، لضمان سلامة وفعالية النظام المقترح.
للتحقق من المنهجية المقترحة، تم بناء نموذج وهمي مكون من ثلاث طبقات يحاكي الأنسجة البشرية، ويتكون من الجلد، والدهون تحت الجلد، والعضلات. تم إنشاء هذا النموذج باستخدام مزيج من الأجار، والمحلول الملحي، والزيت لتكرار الخصائص العازلة والحرارية للأنسجة الفعلية، مع قيم السماحية المحددة ($\varepsilon_r \approx 52.3 \pm 1.1$) والتوصيلية ($\sigma \approx 1.82 \pm 0.05 \, \text{S/m}$) المستمدة من قاعدة بيانات أنسجة غابرييل. أظهرت التجارب التجريبية، التي أجريت عند 10 واط و2.45 جيجاهرتز لمدة 30 دقيقة، زيادة كبيرة في درجة الحرارة في طبقات الأنسجة الأعمق (7.6 ± 0.25 درجة مئوية عند عمق 15-20 مم) مع الحفاظ على درجات حرارة السطح أقل من 2.5 ± 0.25 درجة مئوية، مما يؤكد التركيز الحراري الفعال وقمع النقاط الساخنة. أظهر النظام تكرارية عالية، مع انحرافات معيارية لا تتجاوز 0.3 درجة مئوية عبر التجارب، وعرض قدرات تحكم تكيفية قريبة من الوقت الحقيقي مع إجمالي زمن تحديث أقل من 1.5 ثانية. تتوفر مجموعة البيانات الكاملة على زينودو لمزيد من الإشارة.
النتائج
في قسم النتائج، يتم تقييم أداء عنصر هوائي مصمم و4 × 4 مصفوفة من خلال محاكاة كاملة الموجات وتحليلات حرارية. تشمل النتائج الرئيسية تقييم تطابق المعاوقة، المميز بمعامل S11، الذي يشير إلى تحسين فقدان العودة لعنصر الباتش الفردي عند التردد المستهدف، مما يشير إلى تطابق فعال مع خط التغذية. تظهر المصفوفة 4 × 4 تحولًا في تردد الرنين وتحافظ على عرض نطاق مقبول بسبب الاقتران المتبادل، بينما تحافظ أيضًا على خصائص العنصر الفردي مع عرض نطاق فعال أوسع مفيد لتطبيقات فرط الحرارة.
تؤكد قدرات الاستقطاب الدائري لكل من العنصر الفردي والمصفوفة من خلال حساب نسبة المحور (AR) ضمن نطاق التردد من 2.25 إلى 2.65 جيجاهرتز. تحقق كلتا الهيكلين AR أقل من 3 ديسيبل في نطاق ISM (2.40-2.55 جيجاهرتز)، مما يشير إلى استقطاب دائري لليسار (LHCP). تظهر أنماط الإشعاع في المجال البعيد للمصفوفة 4 × 4 عند 2.45 جيجاهرتز أشعة متناظرة مع أقصى في الاتجاهات الجانبية ومستوى أقل بكثير من الموجات المستقطبة المتقاطعة، مما يؤكد نقاء الاستقطاب العالي. بالإضافة إلى ذلك، توضح خريطة نسبة المحور ثنائية الأبعاد استقرار الزاوية للاستقطاب الدائري، مما يؤكد أداء LHCP القوي ضمن منطقة الشعاع الفعالة.
المناقشة
تحدد إطار البحث المقترح نهجًا منهجيًا لتعزيز علاج فرط الحرارة من خلال تقنيات معالجة الصور المتقدمة وتقنيات التحسين. في البداية، تركز المنهجية على تحديد المنطقة المستهدفة للعلاج باستخدام التجميع والتقسيم، مما يبسط عملية التحسين من خلال تمثيل منطقة العلاج كسلسلة من الأقسام الدائرية. يسهل هذا التمثيل تركيز الطاقة عند نقاط بؤرية محددة، موازنًا بين الحاجة إلى تمثيل دقيق لحدود الورم وقابلية تحسين العملية. يتم تحقيق تحسين إعدادات طور الهوائي من خلال خوارزمية تحسين سرب الجسيمات (PSO)، التي تهدف إلى تعظيم معدل الامتصاص المحدد (SAR) عند النقاط البؤرية مع تقليل إيداع الطاقة في الأنسجة السليمة المحيطة.
لتحسين توزيع الطاقة وتقليل النقاط الساخنة غير المرغوب فيها، يتم استخدام نهج جاكوبين الفضاء الصفري (NSJ). تقدم هذه التقنية اضطرابات في الطور تقلل من شدة السطح دون المساس بتوصيل الطاقة إلى المنطقة المستهدفة، مما يقلل من خطر حروق الجلد. تشمل بنية النظام مجموعة هوائيات ميكروستريب مكونة من 16 عنصرًا يتم التحكم فيها بواسطة متحكم دقيق، مما يتيح تعديلات قريبة من الوقت الحقيقي بناءً على ردود الفعل من أجهزة الاستشعار التصويرية والحرارية. يظهر الإطار المقترح قدرة التحكم في الحلقة المغلقة، حيث يكمل دورة التحسين والتنشيط في حوالي 1.5 ثانية، وهو أمر حاسم لعلاج فرط الحرارة التكيفي.
في الختام، تقدم دمج تحديد المواقع الموجه بالصورة، وتحسين الطور القائم على PSO، وNSJ لقمع النقاط الساخنة طريقة جديدة وفعالة لعلاج فرط الحرارة. لا يعزز هذا النهج فقط دقة توصيل الطاقة إلى الورم، بل يقلل أيضًا من الآثار السلبية على الأنسجة السليمة، مما يتماشى مع المعايير السريرية للفعالية العلاجية. تسلط الدراسة الضوء على أهمية المعالجة المسبقة من خلال التجميع لتحسين الكفاءة الحسابية والدقة في تركيز الطاقة، مما يميزها عن المنهجيات الحالية التي تركز بشكل أساسي على تحسين SAR المباشر أو آليات التغذية الراجعة.
القيود
يقدم البحث عدة قيود تتعلق بنموذج بيوحرارة بينيس المستخدم في الدراسة. أولاً، لا يأخذ النموذج في الاعتبار تأثيرات التروية غير الخطية وتوليد الحرارة الأيضية في بعض الأنسجة، مما قد يؤثر على دقة التنبؤات الحرارية. ثانيًا، فإن هندسة النموذج الوهمي المستخدم في المحاكاة مبسطة بشكل مفرط وتفترض التجانس، مما يفشل في تمثيل الطبيعة المعقدة وغير المتجانسة للأنسجة البيولوجية الفعلية. أخيرًا، من المهم أن نلاحظ أن الدراسة تعتبر محاكاة إثبات المفهوم وتفتقر إلى التحقق السريري، مما يحد من قابلية تعميم النتائج على التطبيقات الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39313-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667603
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Saman Rajebi et al.
Primary Topic: Ultrasound and Hyperthermia Applications
Overview
The research presents a novel approach to hyperthermia therapy, an emerging oncologic technique that utilizes controlled heating (40-45 °C) to enhance the effectiveness of radiation or chemotherapy while protecting healthy tissues. The study introduces a 16-element circularly polarized microstrip antenna array operating at 2.45 GHz, designed to improve the precision and safety of electromagnetic hyperthermia treatments. Target localization is achieved through image-based clustering, and a particle swarm optimization (PSO)-based phase-only method is employed to optimize beamformer weights, ensuring maximum power deposition at the tumor site.
To address the challenge of superficial heating, a Null Space Jacobian (NSJ)-based technique is implemented for hotspot suppression following target localization and power optimization. This adaptive control mechanism operates in near real-time, achieving a closed-loop update time of under 1.5 seconds. Simulation results, utilizing a full-wave electromagnetic solver in conjunction with a bioheat model, confirm effective power focusing, reduced energy leakage, and enhanced thermal safety. Experimental validation using phantoms further supports the findings, demonstrating uniform heating and effective management of non-target temperature increases. Overall, the proposed system exemplifies a hybrid intelligent approach that significantly enhances treatment efficacy and shows promise for future development as an adaptive prototype validated through experimental studies.
Methods
The methodology outlined in this research consists of four key steps aimed at optimizing energy focusing for hyperthermia treatments. Initially, a geometric approach is employed to identify the region of interest through circular clustering, which generates focal points for energy concentration. Subsequently, advanced optimization algorithms, such as Particle Swarm Optimization (PSO), are utilized to determine the antenna phases that maximize signal strength at the focal point while minimizing it at other locations within the human body. The third step involves the application of the NSJ method to mitigate superficial heating and reduce the risk of skin burns. Finally, the study examines hardware-related factors, including phase shifter design and the distance between the antenna and water bolus, to ensure the safety and efficacy of the proposed system.
To validate the proposed methodology, a three-layer phantom model simulating human tissue was constructed, comprising skin, subcutaneous fat, and muscle. This model was created using a mixture of agar, saline, and oil to replicate the dielectric and thermal properties of actual tissues, with specific permittivity ($\varepsilon_r \approx 52.3 \pm 1.1$) and conductivity ($\sigma \approx 1.82 \pm 0.05 \, \text{S/m}$) values derived from Gabriel’s tissue database. Experimental trials, conducted at 10 W and 2.45 GHz for 30 minutes, demonstrated a significant temperature increase in deeper tissue layers (7.6 ± 0.25 °C at 15-20 mm depth) while maintaining surface temperatures below 2.5 ± 0.25 °C, confirming effective thermal focusing and hotspot suppression. The system exhibited high repeatability, with standard deviations not exceeding 0.3 °C across trials, and showcased near real-time adaptive control capabilities with a total update latency of under 1.5 seconds. The complete dataset is available on Zenodo for further reference.
Results
In the results section, the performance of a designed patch antenna element and a 4 × 4 array is evaluated through full-wave simulations and thermal analyses. Key findings include the assessment of impedance matching, characterized by the S11 parameter, which indicates improved return loss for the single patch element at the targeted frequency, suggesting effective matching with the feed line. The 4 × 4 array exhibits a shift in resonance frequency and maintains an acceptable bandwidth due to mutual coupling, while also preserving the characteristics of the single element with a wider effective bandwidth beneficial for hyperthermia applications.
The circular polarization capabilities of both the single element and the array are confirmed through the calculation of the axial ratio (AR) within the frequency range of 2.25 to 2.65 GHz. Both structures achieve an AR of less than 3 dB in the ISM band (2.40-2.55 GHz), indicating left-hand circular polarization (LHCP). The far-field radiation patterns of the 4 × 4 array at 2.45 GHz demonstrate symmetrical beams with maxima in broadside directions and a significantly lower level of cross-polarized waves, affirming high polarization purity. Additionally, a 2D axial ratio map illustrates the angular stability of the circular polarization, confirming robust LHCP performance within the effective beam region.
Discussion
The proposed research framework outlines a systematic approach to enhance hyperthermia therapy through advanced image processing and optimization techniques. Initially, the methodology focuses on identifying the target area for treatment using clustering and segmentation, which simplifies the optimization process by representing the treatment zone as a series of circular sections. This representation facilitates the concentration of energy at specific focal points, balancing the need for accurate tumor boundary representation with optimization tractability. The optimization of antenna phase settings is achieved through a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, which aims to maximize the Specific Absorption Rate (SAR) at the focal points while minimizing energy deposition in surrounding healthy tissues.
To further refine energy distribution and minimize unwanted hotspots, the Null Space Jacobian (NSJ) approach is employed. This technique introduces phase perturbations that reduce surface intensity without compromising energy delivery to the target area, thereby mitigating the risk of skin burns. The system’s architecture includes a 16-element microstrip antenna array controlled by a microcontroller, enabling near real-time adjustments based on feedback from imaging and thermal sensors. The proposed framework demonstrates a closed-loop control capability, completing the optimization and actuation cycle in approximately 1.5 seconds, which is critical for adaptive hyperthermia treatment.
In conclusion, the integration of image-guided localization, PSO-based phase optimization, and NSJ for hotspot suppression presents a novel and efficient method for hyperthermia therapy. The approach not only enhances the precision of energy delivery to the tumor but also minimizes adverse effects on healthy tissues, aligning with clinical standards for therapeutic efficacy. The study highlights the importance of preprocessing through clustering for improved computational efficiency and accuracy in energy concentration, distinguishing it from existing methodologies that primarily focus on direct SAR optimization or feedback mechanisms.
Limitations
The research presents several limitations regarding the Pennes Bioheat model utilized in the study. Firstly, the model does not account for nonlinear perfusion effects and metabolic heat generation in certain tissues, which may impact the accuracy of thermal predictions. Secondly, the geometry of the phantom used in the simulations is oversimplified and assumes homogeneity, failing to represent the complex and heterogeneous nature of actual biological tissues. Lastly, it is important to note that the study serves as a proof-of-concept simulation and lacks clinical validation, which limits the generalizability of the findings to real-world applications.