Grazie per aver visitato nature.com.Stai utilizzando una versione del browser con supporto limitato per i CSS.Per ottenere la migliore esperienza, ti consigliamo di utilizzare un browser più aggiornato (o disattivare la modalità di compatibilità in Internet Explorer).Nel frattempo, per garantire un supporto continuo, stiamo visualizzando il sito senza stili e JavaScript.Carosello con tre diapositive mostrate alla volta.Usa i pulsanti Precedente e Successivo per navigare tra tre diapositive alla volta o i pulsanti con i puntini alla fine per saltare tre diapositive alla volta.Helena Cindric, Gorana Gasljevic, … Bor KosMrigendra B. Karmacharya, Laith R. Sultan, … Chandra M. SehgalMohammad Souri, Madjid Soltani e Farshad Moradi KashkooliYong Zhang, Lijun Yong, … Jianzhong ZouAntonello Cutolo, Angelo Rosario Carotenuto, …Massimiliano FraldiXuan Gao, Wenjuan Zou, … Jianzhong ZouKaihao Xu, Zhaonan Li, … Xinwei HanDie Xu, Wenjuan Zou, … Jianzhong ZouErika Chelales, Robert Morhard, … Nirmala RamanujamScientific Reports volume 12, Articolo numero: 9271 (2022 ) Cita questo articoloQuesto articolo studia l'efficacia dell'integrazione dell'irradiazione del campo a microonde e dell'emissione laser nella terapia del cancro del fegato con l'ausilio di nanotubi d'oro, al fine di scoprire le influenze di questi metodi combinatori nella necrosi tumorale.Il carcinoma epatocellulare è un tipo di cancro del fegato che di solito ha una struttura complicata, comprendente sia sezioni superficiali che profonde.Nella ricerca attuale, nelle regioni profonde del tessuto canceroso, viene utilizzata l'antenna a microonde e nelle regioni superficiali vengono irradiati i raggi laser.Per il trattamento dell'ipertermia viene utilizzato un laser pulsato con tempo di riscaldamento di 50 s e tempo di raffreddamento di 20 s.Va detto che i nanotubi d'oro vengono iniettati nella regione tumorale per migliorare il processo di trattamento e ridurre il tempo di esposizione del paziente.I risultati della simulazione hanno mostrato che nella prima fase, senza alcuna iniezione di nanoparticelle d'oro, lo 0,17% del volume del tumore ha incontrato necrosi, mentre nella fase successiva, dopo l'iniezione di nanotubi d'oro, il tasso di necrosi è aumentato al 35%, il che dimostra l'efficienza di iniezione di nanotubi d'oro sui trattamenti del tumore.Inoltre, l'applicazione combinata dell'antenna a microonde e dell'illuminazione laser può eliminare completamente il tessuto tumorale.Secondo il rapporto dell'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) del 2019, il cancro è la prima o la seconda causa di morte prima dei settant'anni in 91 paesi su 112 paesi.Una neoplasia maligna comune in tutto il mondo è il tumore al fegato, che è la terza causa di morte più comune nel 2020, ovvero 830.000 decessi nel mondo1.Il cancro del fegato è uno dei tumori più letali a causa del suo basso tasso di recidiva e dell'elevata invasività.Esistono vari metodi per il trattamento del cancro al fegato;come: radioterapia, chemioterapia, chirurgia e terapia laser (o foto).Considerando l'aumento dell'incidenza del cancro in tutto il mondo e gli effetti collaterali degli attuali metodi di trattamento (come dolore, disturbi del sonno, perdita di capelli e sanguinamento) sembra necessario fornire nuovi metodi terapeutici e sostituire le vecchie tecniche con quelle nuove.Alcuni dei metodi di trattamento sopra menzionati si basano sul meccanismo dell'ipertermia, in cui un'elevata quantità di calore viene erogata al tumore in modo che la temperatura del tumore aumenti al di sopra di una soglia specifica, solitamente compresa tra 39,5 e 40,5 °C, che provoca la comparsa di cellule cancerose. morte per alterazioni enzimatiche2.Esistono diversi metodi fisici per riscaldare il tessuto canceroso, tra cui il campo elettrico a microonde, l'irradiazione ad ultrasuoni e la terapia fototermica.L'efficacia di queste metodiche è determinata dalla temperatura raggiunta durante il trattamento, dalla durata del trattamento e dalle caratteristiche del tessuto dell'organo interessato2,3.Una delle sfide importanti nell'ipertermia è la concentrazione del calore adeguato su una particolare regione, che è molto importante perché può causare danni estremi ai tessuti sani circostanti4,5.La terapia fototermica è un trattamento molto localizzato perché sfrutta un raggio laser altamente focalizzato, mentre non è una buona scelta per tumori voluminosi profondi.Va detto che la terapia di coagulazione a microonde è una tecnica molto efficace per la coagulazione di tumori rigidi profondi, mentre i danni indesiderati dei tessuti sani sono inevitabili quando viene utilizzata nei tumori superficiali.In generale, l'aggiunta di nanoparticelle in diverse terapie antitumorali può migliorare considerevolmente il processo di trattamento.Va sottolineato che le nanoparticelle e comprendenti nano-farmaci sono molto efficaci nel distruggere le cellule cancerose aumentando la temperatura del tumore o diminuendo il danno ai tessuti circostanti6,7.Oggi, l'uso di modelli matematici nel trattamento del cancro si è diffuso e progredisce, parallelamente agli studi sperimentali.La modellazione matematica esegue gratuitamente e in tempi relativamente brevi, simula il processo di sistemi complessi tenendo conto delle condizioni associate alle proprietà fisiche del tessuto biologico, senza alcuna influenza del test sul corpo umano, sulle specie animali o su eventuali tessuti biologici .Diversi ricercatori hanno lavorato al trattamento del cancro del fegato mediante tecniche di ipertermia basate sull'irradiazione laser con l'ausilio di diverse nanoparticelle8,9,10,11,12,13.Ad esempio, Liu et al.14 hanno studiato l'uso di nanoshell d'oro funzionalizzati con un piccolo peptide nel trattamento fototermico dell'epatocarcinoma.I nanoshell d'oro funzionalizzati hanno dimostrato buone prestazioni di targeting nelle cellule tumorali del fegato BEL-7404 e BEL-7402 con una bassa attività citotossica, ma non sono efficaci per la normale cellula epatica sana HL-7702.Inoltre, le loro immagini di fluorescenza hanno dimostrato che i nanoshell d'oro potrebbero indurre la morte delle cellule tumorali del fegato durante gli esperimenti in vitro dopo il trattamento con un'irradiazione laser NIR.Sun et al.10 hanno utilizzato un polimero semiconduttore per la terapia ortotopica del cancro al fegato durante l'irradiazione laser.Hanno dimostrato che un laser a 1064 nm, rispetto al laser a 808 nm, provoca un'inibizione più efficace della crescita delle cellule di cancro del fegato ortotopico in condizioni simili.Inoltre, Iancu et al.11 hanno proposto un metodo basato su un sistema di trasporto di nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWCNT) per aumentare l'ablazione termica laser delle cellule HepG2 (cioè la linea cellulare di carcinoma epatico epatocellulare umano).Hanno presentato che l'albumina sierica umana-MWCNT si attacca selettivamente al recettore dell'albondina (noto anche come Gp60) nella membrana HepG2, accompagnato da un assorbimento attraverso un evento di endocitosi dipendente dalla caveolina.Inoltre, diversi gruppi di ricerca hanno utilizzato gli impulsi del campo elettrico in combinazione con l'iniezione di nanoparticelle per la terapia del cancro al fegato15.Ad esempio, Minbashi et al.16 hanno riportato le influenze della potenza in ingresso di un'antenna a microonde (MWAN) sul tumore del carcinoma epatocellulare (HCC) che è stato iniettato da nanoparticelle magnetiche (MNP).In primo luogo, hanno utilizzato un'antenna a microonde a una frequenza di 2,45 GHz con una potenza di 90 W per un'ablazione di 3 minuti.Quindi, hanno studiato gli effetti della diversa potenza in ingresso di MWAN dopo l'iniezione di MNP.Hanno dimostrato che le grandezze simulate ottimizzate del campo magnetico esterno e la potenza delle microonde in ingresso sono rispettivamente di 15 mT e 35 W.Inoltre, chen et al.17 hanno trattato il carcinoma epatocellulare mediante nanoparticelle complesse di zirconia (ZrO2) mirate ai mitocondri (MZCN) durante l'irradiazione a microonde.Hanno dimostrato che in caso di esperimento in vivo, i topi iniettati con MZCN avevano un'area effettiva con una temperatura superiore a 42 ° C circa 2,8 volte maggiore rispetto ai gruppi di controllo a causa dell'effetto di targeting e della maggiore sensibilità alle microonde degli MZCN.Questo documento sta cercando di indagare gli effetti del trattamento del cancro del fegato mediante la combinazione di campi elettrici a microonde non invasivi e terapia fototermica laser mediata da nanoparticelle8.A causa della complicata struttura del carcinoma epatocellulare, il metodo combinatorio menzionato viene scelto per la prima volta nella ricerca attuale per ridurre i probabili effetti collaterali.Qui, i risultati sono ottenuti da calcoli teorici e matematici basati sul metodo degli elementi finiti.Nel presente lavoro, una soluzione di simulazione è ottenuta risolvendo l'equazione del trasferimento di biocalore nel tessuto durante i trattamenti del cancro del fegato.In generale, la morte cellulare in terapia termica può verificarsi a causa di diversi meccanismi di necrosi, apoptosi o autofagia.La generazione di calore può verificarsi a causa dell'irradiazione ultrasonica o dell'emissione di onde elettromagnetiche che comprende diverse gamme di lunghezze d'onda di microonde, radiofrequenza e vicino infrarosso18,19,20.In questo studio, viene studiato il processo di necrosi di un tumore al fegato mediante l'uso combinato di irradiazione a microonde e terapia fototermica laser.La Figura 1 mostra un diagramma schematico della forma del tumore e dei luoghi in cui vengono implementati l'irradiazione a microonde e il raggio laser collimato esterno.Il tumore viene scelto per avere una forma arbitraria comprendente spessori variabili da zero nelle parti superficiali a 31 mm nelle regioni profonde, che comprende il diametro di 60 mm.Le tabelle 1 e 2 mostrano rispettivamente le proprietà fisiche dei tessuti e del sangue.Un'esposizione tipica del carcinoma epatocellulare sia al campo elettrico che all'irradiazione laser.Va detto che qui le equazioni sono risolte con il metodo degli elementi finiti (FEM) nel software Matlab e a causa dell'elevato numero di elementi è tre dimensioni e limitazioni del risolutore per risolvere tali modelli, si presume che il modello abbia l'assiale simmetria.Pertanto, il problema è risolto nella sezione trasversale asimmetrica 2D.L'antenna a microonde viene inserita nel tumore dal basso, mentre il raggio laser si irradia sulla superficie superiore del tumore.L'antenna utilizzata in questa ricerca è un'antenna coassiale a slot singolo che è un sottile cavo coassiale con una fessura a forma di anello sul conduttore esterno.Uno dei vantaggi di questo tipo di antenna a microonde è che la dimensione della regione coagulata perpendicolare all'antenna è maggiore nell'antenna a slot coassiale rispetto ad altri tipi.Qui, l'antenna selezionata opera a 2,45 GHz, che è una frequenza ampiamente utilizzata per la terapia della coagulazione23,24.La struttura dell'antenna è illustrata in Fig. 1. Le dimensioni geometriche e le proprietà fisiche dell'antenna sono riportate nella Tabella 3.In questo modello, tre laser con la stessa lunghezza d'onda di 796 nm e diverse potenze di 2 W/cm2 (laser 1), 0,5 W/cm2 (laser 2) e 0,25 W/cm2 (laser 3) vengono utilizzati per il trattamento del cancro al fegato.Come mostrato in Fig. 1, la dimensione dello spot del primo laser è il doppio degli altri due laser.La ragione di tutte queste differenze è che nelle regioni superficiali del tumore sono necessari laser più accurati con meno potenze per evitare effetti collaterali.Va sottolineato che nell'esperimento reale, si può usare più volte un laser unico per la coagulazione di tutti i bordi del tumore con la massima precisione, mentre la maggior parte del tumore può essere coagulata mediante radiazione a microonde.Il laser qui utilizzato è un laser pulsato con tempo di esposizione di 50 s e tempo di raffreddamento di 20 s.L'utilizzo del laser pulsato invece del laser continuo può aiutarci a coagulare la regione desiderata senza surriscaldare i tessuti circostanti25,26.Naorod d'oro (GNR) con un diametro di 5 nm e un rapporto di aspetto di 3,5 (ad es. lunghezza di 17-18 nm) vengono iniettati nella regione tumorale per migliorare l'assorbimento del calore.Si presume che la frazione di volume dei GNR sia pari allo 0,001%.Il coefficiente di assorbimento e diffusione dei nanotubi proposti con la data frazione di volume a 796 nm è rispettivamente di 121/cm e 0,5/cm22.La sfida principale associata ai problemi fisici del biocalore, che saranno discussi nella ricerca attuale, è la valutazione del profilo di temperatura e la distribuzione del tasso di fluenza nella regione tumorale con la conoscenza delle condizioni iniziali e al contorno, della geometria, delle fonti di calore, nonché le proprietà termofisiche e ottiche dei tessuti.Nei tessuti viventi, la perfusione sanguigna e il passaggio del sangue modificano il trasferimento di calore.Inoltre, l'attività metabolica genera calore all'interno del tessuto.Pertanto, è necessaria un'equazione per descrivere il trasferimento di calore nei tessuti considerando gli effetti sia della perfusione sanguigna che del metabolismo.Questa relazione, ampiamente nota come equazione di Pennes, fu stabilita per la prima volta da Penne (1948) e Perl (1962)2,27,28:dove, \(\rho_{b}\) è la densità del sangue \(({\text{kgm}}^{ - 3} )\) , \(C_{b}\) è la capacità termica del sangue \( ({\text{Jkg}}^{ - 1} \;^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1} )\) , \(k\) è la conducibilità termica del tessuto \( ({\text{Wm}}^{ - 1} \;^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1} )\) , \(T\) è la temperatura \((^{ \ circ } {\text{C}})\) ,\(\omega_{b}\) è la perfusione sanguigna \(( {\text{ml}} \cdot {\text{S}}^{ - 1} {\text{cm}}^{ - 3} )\) , ρ è la densità del tessuto, \(T_{b}\) è la temperatura interna del corpo \((^{ \circ } {\text{C}} )\) , \(Q_{met}\) indica il termine della fonte di calore metabolico \(({\text{Wm}}^{ - 3} )\) e \(Q_{S}\) è la fonte di calore esterna .Nei nostri modelli sono presenti due fonti di calore;microonde e laser.Quindi, \(Q_{S} = Q_{MW} + Q_{laser}\) .Ognuna di queste fonti di calore sarà analizzata singolarmente e poi, inserita nell'Eq.(1).In questa ricerca, a causa dell'assenza di variazioni nella frequenza del laser, i modelli di dispersione non vengono applicati.Il trattamento del tumore mediante il campo elettrico dell'antenna a microonde è noto come modalità di trattamento antimitotico regionale non invasivo per il trattamento di varie malattie come il cancro al glioblastoma29, al seno30,31, al fegato32,33, alla pelle34 e alla prostata35.Generalmente, l'energia a microonde viene convertita in calore all'interno del tessuto a causa delle perdite dielettriche36.Poiché le lunghezze d'onda delle microonde nel tessuto sono nell'ordine dei cm, la loro propagazione e assorbimento nel tessuto è regolata dalle equazioni di Maxwell come di seguito:qui, \(D\;[{\text{c}}/{\text{m}}^{2} ]\) è la densità del flusso elettrico, \(B\;[{\text{T}}] \) è il campo magnetico, \(E\;[{\text{V}}/{\text{m}}]\) è l'intensità del campo elettrico, \(H\;[{\text{A}}/{ \text{m}}]\) è l'intensità del campo magnetico, \(\rho \;[{\text{C}}/{\text{m}}^{2} ]\) è la densità di carica libera, e \ (J\;[{\text{A}}/{\text{m}}^{2} ]\) è la densità di corrente.Nella terapia di coagulazione a microonde, una sottile antenna a microonde viene inserita nel tumore.La propagazione delle onde elettromagnetiche nel tessuto ha due fasi;(i) la loro propagazione nel dielettrico del cavo coassiale, e (ii) la loro propagazione e dissipazione nel tessuto.Nel cavo coassiale, la propagazione delle onde elettromagnetiche è caratterizzata da campi elettromagnetici trasversali (TEM), per i quali valgono le seguenti equazioni nel dominio del tempo 37,38:dove, \(r,\varphi\) e z sono coordinate cilindriche centrate sull'asse del cavo coassiale,\(\omega\) è la frequenza angolare e \(Z\) è l'impedenza d'onda nella parte dielettrica del cavo.L'ampiezza e la direzione del trasferimento di energia elettromagnetica è data dal vettore di Poynting S. La media temporale del vettore di Poynting è \(\overline{S} = \frac{1}{2}{\text{Re}} \left( { E \times H^{*} } \right)\) .Quindi, per trovare la nel cavo, si può usare questa relazione37:In questa equazione, \(r_{in}\) e \(r_{out}\) si riferiscono rispettivamente al raggio interno ed esterno del cavo coassiale.Conoscendo la potenza media nel cavo, si può derivare C e, quindi, E e \(H\) possono essere facilmente calcolati in tutti i punti.Nel tessuto, il campo magnetico ha solo una componente azimutale, quindi può essere modellato come un campo magnetico trasversale (TM) asimmetrico.Lo scalare \(H_{\varphi }\) per il campo TM è dato dalla seguente equazione as37:dove \(\sigma [{\text{S}}/{\text{m}}]\) è la conducibilità elettrica del tessuto.Tenendo conto della condizione al contorno sulle superfici metalliche (\(\hat{n} \times E = 0\) ) e delle Eq.(6) a (9), \(E\) e \(H\) possono essere determinati in tutti i punti.L'energia delle microonde, che funge da fonte di calore \(Q_{MW}\) nell'equazione del trasferimento di calore, è data dalla seguente equazione as37:Se si aggiungono nanoparticelle al tessuto, occorre considerare anche il loro effetto sulle proprietà elettromagnetiche del mezzo.L'oro è uno dei metalli non ferromagnetici con la permeabilità vicino a uno.Quindi, la quantità di \(\mu_{r}\) per il tessuto rimane invariata aggiungendo PNL.Inoltre, secondo Ostovari et.al.39 a frequenze superiori a 10 KHz, l'aggiunta di nanoparticelle d'oro al tessuto non modifica le proprietà elettriche (conducibilità elettrica e permittività) del tessuto.Di solito, le Au NP iniettate nel tessuto sono ricoperte da ioni e altre particelle cariche e quindi possono essere considerate come momenti di dipolo elettrico.Come le molecole polari, gli Au NP possono influenzare la corrente di spostamento e l'impedenza capacitiva, ma all'aumentare della frequenza, il riorientamento di questi dipoli con il campo elettrico della corrente alternativa diventa più difficile e la loro influenza sull'aumento della corrente di spostamento sarà limitata.L'assorbimento delle microonde nei tessuti non è influenzato in modo considerevole dalle Au NP.Perché la gamma di lunghezze d'onda in cui l'assorbimento delle nanoparticelle ha un aumento drammatico è nell'intervallo nm40,41,42, molto inferiore alla lunghezza d'onda delle microonde in questa ricerca.Quindi, generalmente alla frequenza di 2.45 GHz, la presenza di Au NP non ha effetti rilevanti né sul campo elettromagnetico delle microonde nel tessuto né sul loro assorbimento.L'illuminazione del raggio laser può essere considerata una fonte di calore nel calcolo elettromagnetico.Quando un raggio laser incidente attraversa un mezzo in direzione Ω, interagisce con il mezzo.Parte della sua intensità viene assorbita e altre frazioni vengono disperse in un'altra direzione di \(\Omega^{\prime }\) .La frazione assorbita è indicata da \(\sigma_{a} I\left( \Omega \right)\) e la frazione sparsa è indicata da \(\sigma_{s} I\left( \Omega \right)\ ) , dove \(\sigma_{a} [1/m]\) e \(\sigma_{s} [1/m]\) sono i coefficienti di assorbimento e diffusione.Per ottenere l'energia depositata in ciascun punto, è necessario risolvere l'equazione del trasferimento radiativo (RTE)43.Per condizioni quasi statiche, che è soddisfatta per il presente studio, RTE obbedisce alla seguente equazione:Nell'equazione precedente, \(I_{b}\) è l'intensità del corpo nero data dalla funzione Plank e \(\phi \left( {\Omega^{\prime } ,\Omega } \right)\) è la probabilità che un raggio dalla direzione \(\Omega^{\prime }\) si diffonda nella direzione \(\Omega\) .L'ultimo termine del membro destro di questa equazione rappresenta la porzione dell'energia radiativa proveniente da tutte le possibili direzioni che viene diffusa verso la direzione di propagazione considerata.Esistono diversi metodi per risolvere questa equazione.Uno di questi metodi è l'approssimazione P1, che è un'approssimazione del primo ordine delle armoniche sferiche del campo di radiazione.Questo metodo è semplice e computazionalmente economico, tuttavia, è stato dimostrato che produce risultati ragionevoli nelle simulazioni della terapia fototermica mediata dal PNL44.Secondo il calcolo45 di Modest e Tabanfar in P1-approssimazione se la radiazione incidente \(G\) è definita come:e il flusso di calore radiativo che attraversa un elemento è dato da45:Quindi, l'equazione RTE può essere riscritta in termini di \(G\) e \(q_{r}\) come45:Quando il mezzo viene irradiato dal laser, il termine I in questa equazione ha due componenti;un raggio collimato, che è l'emissione esterna proveniente dall'esterno, e un altro il termine di diffusione che nasce a causa della diffusione.Secondo la spiegazione di Modest e Tabanfar, in tale problema, l'effetto del campo di radiazione esterno può essere considerato aggiungendo un termine sorgente alle relazioni di diffusione.Quindi, RTE sarà ridotto a una semplice relazione di diffusione come45:dove, \(D_{P1}\) è il coefficiente di diffusione P1 definito come45:\(a_{1}\) è il coefficiente di Legendre lineare.Questo coefficiente si riferisce all'anisotropia in modo che per il caso di scattering isotropo \(a_{1}\) sia uguale a zero.Il termine relativo alla sorgente di calore laser nell'equazione di Penne, \(Q_{laser}\) è calcolato dalla divergenza del flusso di calore radiativo, \(q_{r}\) .Questo perché il flusso di calore radiativo che attraversa un elemento con un'area normale alla direzione di \(\Omega\) è il risultato di intensità incidenti da tutte le direzioni ed è la divergenza del flusso di calore in qualsiasi punto che porta all'aumento della temperatura a quel punto.Va sottolineato che una volta che \(G\) è caratterizzato in ogni punto, \(\nabla \cdot q_{r}\) può essere trovato.Inoltre, l'aggiunta di nanoparticelle d'oro modifica significativamente le caratteristiche ottiche del tessuto.Diversi studi hanno dimostrato che quando il laser eccita nanotubi d'oro41,46 e nanogusci40,42 a seconda delle proprietà geometriche della nanoparticella, avranno picchi nelle lunghezze d'onda del loro plasmon.Ad esempio, Soni et al.41 hanno mostrato che i GNR con un diametro di 5 nm e un rapporto di aspetto di 3,5 hanno un picco nella lunghezza d'onda del plasmon a 796 nm.Secondo questo documento, alla lunghezza d'onda del laser di 796 nm, l'assorbimento ottico e il coefficiente di scattering per la concentrazione di GNR dello 0,001% sono \(121/{\text{cm}}\) e \(0,5/{\text{cm}} \) , rispettivamente.La preferenza della terapia termica indotta da laser a infrarossi e vicino infrarosso (LITT) è attribuita all'esatta controllabilità47,48 e all'appropriata "finestra ottica" del tessuto49 in questa regione di lunghezza d'onda.Una preoccupazione importante nella ricerca sul trasferimento di biocalore è il danno termico accurato e appropriato dei tessuti malati senza alcuna distruzione dei tessuti sani vicini durante il trattamento del tumore.Diverse indagini hanno dimostrato che il danno tissutale dipende sia dalla temperatura che dal tempo di esposizione.Va detto che all'aumentare della temperatura del tessuto, il tempo trascorso necessario per raggiungere la soglia dei danni diminuisce.La progressione del danno termico può essere ragionevolmente approssimata dall'equazione di Arrhenius.Questa relazione viene solitamente utilizzata per illustrare la velocità del danno da riscaldamento irreversibile dei tessuti biologici26,50:dove, \(\Omega (t)\) indica il grado di danno tissutale, \(R\) è la costante universale dei gas,\(A\) è il fattore di frequenza per l'espressione cinetica \(({\text{s} }^{ - 1} )\) , e \(\Delta E\) è l'energia di attivazione per la reazione al danno irreversibile \(({\text{J}} \cdot {\text{mol}}^{ - 1} )\) .Il valore critico di \(\Omega = 1\) è il punto in cui si verifica la necrosi termica.I parametri A e \(\Delta E\) dipendono dal tipo di tessuto, che sono presentati per il fegato nella Tabella 1.Per convalidare l'accuratezza del modello proposto, i risultati della simulazione dell'antenna RF e del modello di terapia laser mediata da nanoparticelle vengono confrontati con la letteratura precedente.Ad esempio, Saito et al.nel 2001 hanno stimato le caratteristiche di riscaldamento di un tipo speciale di antenna a microonde con slot coassiale utilizzando il metodo degli elementi finiti23.Per verificare l'accuratezza del nostro modello, la stessa simulazione viene eseguita con dimensioni e condizioni al contorno simili a quelle utilizzate.La Figura 2 mostra la geometria asimmetrica 2D del modello prodotto da Saito et al.La punta dell'antenna ha una fessura, proprio come l'antenna raffigurata in Fig. 1. Tutte le proprietà fisiche utilizzate nel loro problema sono esattamente le stesse delle caratteristiche menzionate nelle Tabelle 1, 2 e 3, tranne per il fatto che non t considerare le differenze di alcuni parametri fisici tra tumore e tessuto sano.La Figura 3 presenta un confronto tra i dati di questo documento per la distribuzione del SAR (coefficiente di assorbimento specifico) a una distanza di 2,5 mm dall'asse dell'antenna con i dati dei rapporti di Saito.Come si può vedere chiaramente in questa figura, i dati di due modelli sono in buon accordo tra loro.Va detto che il SAR è definito come il rapporto tra la potenza termica assorbita e la densità del tessuto.La geometria del modello prodotto da Saito et al.23, utilizzato per la validazione dei dati di simulazione durante l'irradiazione dell'antenna a microonde.Ristampato con il permesso di22.Un confronto tra la quantità SAR calcolata da Saito et al.23 e il modello attuale con il metodo FEM.Inoltre, Sonie et al.22 nel 2014 hanno studiato gli effetti dell'iniezione di nanoparticelle nell'ablazione termica dei tumori della pelle.La figura 4 è lo schema del problema che hanno risolto.In questa figura, le dimensioni del tessuto cutaneo erano: \(x_{1} = 10\;{\text{mm}}\) , \(x_{2} = 20\;{\text{mm}}\) , \(z_{1} = 5\;{\text{mm}}\) e \(z_{2} = 10\;{\text{mm}}\) .L'intensità del laser incidente è stata selezionata come \(0.5\;{\text{W}}/{\text{cm}}^{2}\) .Le proprietà fisiche del tessuto cutaneo che Sonie et al.hanno modellato sono rappresentati nella Tabella 4. Il valore del coefficiente di assorbimento e il coefficiente di dispersione del tessuto sono gli stessi delle grandezze nella Tabella 1.La geometria del modello prodotto da Sonie et al.22 per la convalida dei dati di simulazione della terapia fototermica mediata da nanoparticelle.Ristampato con il permesso di22.Per convalidare i risultati di questa simulazione nella sezione della terapia fototermica mediata da nanoparticelle, viene eseguito un confronto con una simulazione rappresentata da Sonie et al.comprese geometrie e proprietà fisiche simili a quelle del lavoro attuale.Va sottolineato che anche tutte le condizioni al contorno di questi due modelli sono le stesse.L'unica differenza tra questi due modelli è che hanno utilizzato la legge di Beer Lambert per la valutazione dell'assorbimento dell'irradiazione laser da parte delle nanoparticelle, mentre qui viene utilizzato il metodo di approssimazione P1 per la stima della temperatura.In generale, la legge di Beer Lambert è una semplificazione dell'equazione RTE che trascura la rifrazione, la riflessione o la dispersione dei raggi nel mezzo.Può dare risultati soddisfacenti per la maggior parte dei mezzi di dispersione assorbente, tuttavia, la sua accuratezza è inferiore all'approssimazione P1, che tiene conto della diffusione isotropica e anisotropica lineare.La Figura 5 mostra un confronto tra la temperatura raggiunta da due modelli di Sonie et al.e l'approssimazione P1 che illustra un accordo relativamente buono in due grafici per quanto riguarda la tendenza e il massimo.La mancata corrispondenza di due grafici in alcuni punti può essere attribuita alle differenze dei metodi di calcolo nell'approssimazione dell'equazione RTE.Confronto tra la temperatura calcolata da Sonie et al.22 e il modello di approssimazione P1 relativo a questo documento.In questo documento, vengono studiate le influenze dell'ablazione a microonde attraverso un'antenna coassiale a slot singolo e l'irradiazione laser sul tessuto del carcinoma epatocellulare.Di solito è difficile sradicare l'area del tumore senza alcun danno ai tessuti sani circostanti.Quindi, per ridurre al minimo il rischio di distruzione termica del tessuto, le nanoparticelle d'oro vengono iniettate nel tumore, sotto irradiazione di un laser a diodi, per aumentare la temperatura del tumore oltre il normale livello fisiologico accompagnato dalla protezione dei tessuti sani circostanti.Va detto che i laser qui utilizzati sono laser pulsati con un tempo di riscaldamento di 50 s e un tempo di raffreddamento di 20 s.Per capire gli effetti delle nanoparticelle d'oro sull'aumento della temperatura nel tessuto, il problema viene risolto una volta con e ancora senza l'inserimento di nanoparticelle di Au e quindi vengono presentati i risultati del confronto.In questa sezione viene studiata l'influenza dell'iniezione di nanoparticelle sull'aumento della temperatura del tumore.Nella sezione 2-1, secondo le precedenti ricerche39 è stato menzionato che durante l'irradiazione dell'antenna a microonde su nanoparticelle d'oro, a frequenze superiori a 10 kHz, l'aggiunta di nanoparticelle d'oro al tessuto non ha modificato le proprietà elettriche (conducibilità elettrica e permittività ) del tessuto.Quindi, si può concludere che la temperatura non cambierà in modo significativo.Quindi, in questa sezione, viene considerato solo l'effetto delle nanoparticelle sul riscaldamento fototermico del tessuto.Figura 6 Temperatura del tessuto dopo 10 min di irradiazione laser in assenza (sinistra) e presenza (destra) di PNL.Come si può vedere in questa figura, in presenza di nanoparticelle la temperatura sale a \(132^{ \circ } {\text{C}}\) sulla superficie, mentre in assenza di nanoparticelle la temperatura della il tessuto non supera \(37.3^{ \circ } {\text{C}}\) , anche nelle regioni superficiali.Allo stesso modo, in assenza di PNL, la frazione di necrosi in ciascuna parte del tumore non è superiore allo 0,17%.Significa che il tumore rimane totalmente intatto, ma in presenza di PNL, nel 35% della regione tumorale, la frazione di tessuto necrotico è superiore al 75%.Può essere attribuito alla risonanza plasmonica dei nanotubi d'oro durante l'illuminazione laser che aumenta notevolmente la temperatura del tessuto.Temperatura del tessuto dopo 10 minuti di irradiazione laser in assenza (sinistra) e presenza (destra) di PNL.Per comprendere meglio gli effetti dell'iniezione di nanoparticelle, la temperatura del tessuto è stimata a tre diverse profondità del tumore: (i) linea 1 che si trova sulla superficie del tumore (z = 43 mm), (ii) linea 2 che è correlata a tre millimetri sotto la superficie (z = 40 mm), e (iii) linea 3 che attraversa il centro del tumore (z = 27 mm).La Figura 7 rappresenta un confronto tra la temperatura del tessuto lungo queste tre linee.La temperatura superficiale mostra chiaramente che abbiamo utilizzato tre laser nel modello asimmetrico 2D, che assomiglia all'implementazione di cinque laser nella sezione trasversale 2D, proprio come quello che puoi vedere in Fig. 1. Va detto che la potenza del laser centrale è doppia altri due laser.Temperatura del tumore lungo tre linee a diverse profondità del tumore e un confronto della temperatura (a) con e (b) senza PNL.In assenza di PNL, la temperatura dei punti prossimi alla superficie del tessuto, come i punti della riga 2 cioè 3 mm sotto la superficie, è addirittura inferiore alla temperatura corporea.Ciò è dovuto al fatto che in questi punti la velocità di riscaldamento è inferiore alla velocità di perdita di calore che si verifica a causa della normale conduzione.Un altro punto degno di nota di questi grafici è che anche quando i PNL vengono iniettati nel tessuto, il laser non è in grado di coagulare le parti profonde del tumore, come il centro.Per questo si propone l'utilizzo dell'antenna a microonde per la coagulazione dei tumori profondi, in parallelo alla laserterapia.In questa sezione, l'antenna a microonde viene aggiunta al modello come mostrato in Fig. 8 e viene seguito quanto può essere efficace per la coagulazione dei tumori nelle sezioni profonde del tumore.Qui, tutti i raggi laser e l'antenna a microonde vengono irradiati per 10 min.Come si vede in tutti e tre i casi, la temperatura minima è \(37^{ \circ } {\text{C}}\) , cioè la temperatura corporea.Inoltre, la temperatura massima raggiunta dall'antenna a microonde (Fig. 8a) è \(56^{ \circ } {\text{C}}\) , mentre il laser può aumentare la temperatura del tessuto fino a \(132^{ \circ } {\text{C}}\) sulla superficie.Va sottolineato che in entrambe le Fig. 8a e c, le aree con temperature superiori a \(56^{ \circ } {\text{C}}\) sono evidenziate in rosso scuro.Temperatura (gradi Celsius) del tumore in presenza di nanoparticelle d'oro quando (a) viene irradiato solo il laser pulsato, (b) viene implementata solo l'antenna a microonde e (c) quando vengono utilizzati entrambi.La frazione del danno del tessuto è il parametro principale che determina il successo del metodo ed è presentata in Fig. 9. La Figura 9a mostra la frazione del danno dopo 10 minuti di illuminazione laser.Inoltre, la Fig. 9b presenta la frazione di danno dopo 10 minuti di irradiazione dell'antenna a microonde.Infine, la Fig. 9c illustra lo stato in cui il tessuto viene irradiato simultaneamente sia dal laser che dall'antenna a microonde per 10 min.Articolo CAS PubMed Google ScholarLà.Sci.Int.Articolo CAS PubMed PubMed Central Google ScholarArticolo CAS PubMed Google ScholarInt.Articolo CAS PubMed PubMed Central Google ScholarArticolo CAS PubMed Google ScholarInt.Articolo CAS PubMed Google ScholarCalcola.Articolo CAS PubMed Google ScholarArticolo CAS PubMed Google ScholarRis.Int.Sci.Int.Ing.Ris.Int.Int.Sci.Oncol.Articolo CAS PubMed Google ScholarSci.Sci.Biomed.Fis.Ing.Optare.Int.J.Hyperth.Sci.Articolo ADS CAS Google Scholarricerca sul cancroArticolo CAS PubMed Google ScholarArticolo CAS PubMed Google ScholarSci.Puoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google Scholar