Wszystkie obiekty o temperaturze większej od zera bezwzględnego promieniują w szerokim zakresie częstotliwości, w tym i również mikrofalowym. Jako najprostszy przypadek do ilustracji tego zjawiska weźmy płomień świecy. Mamy tu emisję promieniowania świetlnego w zakresie widzialnym -widzimy światło płomienia oraz podczerwieni – odczuwamy ciepło po zbliżeniu ręki. Ale gdybyśmy na taki płomień skierowali antenę odbierającą fale w zakresie mikrofalowym i użyli dodatkowego odbiornika, to byśmy odebrali sygnał, o bardzo małej mocy, właśnie w zakresie mikrofalowym. Im wyższa temperatura tym większa moc emitowana. Nawet nasze Słońce jest wielkim nadajnikiem promieniowania mikrofalowego, w szczególności o częstotliwości ok. 1,4GHz. Na stronie internetowej Europejskiej Agencji Kosmicznej można znaleźć mapę Słońca, z kolorowymi obszarami pokazującymi miejsca emisji sygnału 1,4GHz.
Przykład ze źródłem o wysokiej temperaturze jest najłatwiejszy do wyobrażenia, ale taka emisja mikrofalowa odbywa się również dla każdego obiektu/ciała/materiału, w tym nawet z tkanek ludzkich. Oznacza to, że każdy z nas emituje sygnały o częstotliwościach mikrofalowych, czy tego chcemy czy nie – co jest zaskakujące ale też wykorzystywane w medycynie. Ale dla uspokojenia należy tu dodać, że w praktyce emituje każdy otaczający nas przedmiot: gleba, rośliny, woda itp. Oczywiście te poziomy mocy są bardzo, bardzo małe ale istnieje techniczna możliwość odbioru tych sygnałów. Urządzenia do odbioru tego typu sygnałów nazywane są radiometrami mikrofalowymi i na co dzień używane są np. do zdalnego – z samolotu lub satelity- monitorowania rozkładu temperatur mórz i oceanów lub badania stopnia pokrycia ziemi roślinnością.
Wracając do formalnej, książkowej definicji, mikrofale to fale elektromagnetyczne z zakresu częstotliwości od 300MHz do 300GHz, choć trzeba przyznać, że to są granice umowne.
Mikrofale i my
Na przestrzeni lat człowiek wytworzył różne źródła promieniowania mikrofalowego i użył w różnych zastosowaniach. Najbardziej znany jest radar, urządzenie do wykrywania obiektów, w szczególności latających, o czym cyklicznie dowiadujemy się z przestrzeni medialnej, w sytuacjach konfliktów zbrojnych, ataków rakietowych i za pomocą dronów. Radary ostrzegają nas przed obcymi obiektami, nadzorują loty samolotów, wykrywają burze i chmury.
Ale nie wszyscy zdajemy sobie sprawę jak bardzo rozpowszechnione w naszym życiu codziennym są techniki mikrofalowe. Niektórzy kierowcy, po otrzymaniu mandatu za przekroczenie prędkości, siłą rzeczy poznają możliwości radaru policyjnego. Ale nie musimy uciekać się do tak ekstremalnych doświadczeń, żeby wejść w kontakt z zaawansowaną technologią mikrofalową. Codziennie używamy telefonów komórkowych, transmisji bezprzewodowej Bluetooth i WiFi albo usług lokalizacji GPS – te systemy pracują na częstotliwościach mikrofalowych. Dodatkowo radiolinie do przesyłania danych, radary samochodowe używane w aktywnych tempomatach oraz kultowa już, kuchenka mikrofalowa.
W przemyśle mamy za pomocą mikrofal: ogrzewanie i suszenie materiałów, badania wilgotności, wywoływanie reakcji chemicznych, wytwarzanie zimnej plazmy a w badaniach naukowych nawet podgrzewanie plazmy dla celów syntezy termojądrowej.
Mikrofale są... prawie wszędzie, teraz znalazły się także w medycynie
Tutaj trzeba podkreślić, że pola elektromagnetyczne z różnych zakresów częstotliwości są już stosowane do celów terapeutycznych i diagnostycznych od wielu lat. Stosowane metody są powszechnie uznane za całkowicie bezpieczne dla pacjenta, czego najlepszym przykładem jest rezonans magnetyczny.
Ale moment wejścia mikrofal w medycynę opóźnił się z powodu bariery technologicznej. Historycznie patrząc, impuls do rozwoju techniki mikrofalowej to radiolokacja i jej potwierdzona skuteczność w czasach II wojny światowej. Po wojnie następuje szybki rozwój technik mikrofalowych ale głównym celem było (i jest) wykrycie obiektu latającego lub pływającego na dużej odległości stąd zapotrzebowanie na źródła bardzo dużej mocy pracujące impulsowo. W technikach radarowych, w szczególności w przypadku radarów naziemnych, wymiary, masa moce zasilania nadajników (źródeł) oraz części składowych nie miały krytycznego znaczenia, ważna była skuteczność wykrycia obiektu.
Przez długi czas występowała bariera technologiczna związana z miniaturyzacją układów mikrofalowych. Fale były prowadzone w tzw. falowodach czyli rurach metalowych, najczęściej o przekroju prostokątnym i w tej formie nie da się ich umieścić w smartwatchu z Bluetooth.
Opracowanie technologii półprzewodnikowych, w szczególności tranzystora i dalej jego wersji mikrofalowych pozwoliły na wejście w erę miniaturyzacji i integracji. Rozwój technologii linii mikrofalowych planarnych oraz dalej technologie MMIC czyli układów scalonych zawierających obwody mikrofalowe pozwoliły na znaczną miniaturyzację układów mikrofalowych a wręcz upakowanie całego toru nadawczego i odbiorczego w jednym układzie scalonym. Od tego momentu mikrofalowe techniki sensoryczne mogły wejść na pole medycyny.
Od hipertemii do nowoczesnych technologii – niezwykła medycyna
Początki mikrofal w medycynie to wykorzystanie dużych mocy i efektu pochłaniania fali w tkankach. Pojawiły się dwa zastosowania, hipertermia oraz ablacja, chociaż cel był w zasadzie ten sam – niszczenie komórek rakowych poprzez dostarczanie do nich dużej mocy. W technikach hipertermii zasada jest prosta i jednocześnie wyrafinowana. Podgrzewany jest obszar guza nowotworowego do temperatur niewiele wyższych od 42 C, komórki w obszarze nowotworu w tej temperaturze umierają, ale otaczające komórki zdrowe są w stanie wytrzymać tą temperaturę dzięki przepływowi krwi i naturalnemu chłodzeniu. Sesje nagrzewania mikrofalowego realizuje się klika-klikanaście razy przez pewien ustalony okres czasu.
W przypadku ablacji, celem jest szybkie zniszczenie tkanki nowotworowej, tutaj czas zabiegu jest krótki a moce i temperatury miejscowe większe.
Kolejnym niezwykle ciekawym i zaskakującym zastosowaniem techniki doprowadzenia mocy sygnału mikrofalowego do tkanek jest rozbijanie tkanki tłuszczowej. W ostatnich latach hitem gabinetów wellness i medycyny kosmetycznej jest urządzenie do mikrofalowego nieinwazyjnego wspomagania odchudzania. Urządzenie to przypomina aparat USG i jest używane do redukcji tkanki tłuszczowej podskórnej bez żadnego zabiegu inwazyjnego i wprowadzania igieł pod skórę. Emituje sygnał mikrofalowy przez skórę pacjenta i rozbija ścianki komórek tłuszczowych. Brzmi rewelacyjnie, nieprawdaż? Jako ciekawostkę technologiczną dodam, że częstotliwość emitowanego sygnału mikrofalowego to 2,45GHz a moce max do 200W. Brzmi znajomo? Tak, dokładnie takie same parametry ma kuchenka mikrofalowa ustawiona w trybie rozmrażania potraw.
Nieoczywiste, zaskakujące i przełomowe – tak można opisać zastosowania mikrofal w medycynie a przykłady kolejnych przedstawione są dalej.
Naukowcy z USA przeprowadzili badanie kliniczne z udziałem osób z chorobą Alzheimera. Badanie polegało na użyciu przez 2h dziennie w czasie 2 miesięcy urządzenia składającego się z gumowego czepka, przypominającego czepek pływacki, z wbudowanymi 8 antenami emitującymi sygnał o częstotliwości 915MHz. Anteny te zasilane były z przenośnego miniaturowego nadajnika. Wstępne wyniki badania okazały się niezwykle obiecujące. Testy pamięci i samopoczucia chorych wykazały, że większość z nich odzyskała częściowo pamięć, tzn. pamięć poprawiła się do poziomu sprzed ok. 12 miesięcy. Czyli wygląda to tak, jakbyśmy cofnęli chorobę o rok poprzez aplikację odpowiednio dobranego sygnału mikrofalowego do kory mózgu. Cud? Magia? Nie, technologia.
Innowacyjne projekty, czyli diagnostyka przyszłości
Mikrofale w medycynie to nie tylko segment terapeutyczny ale przede wszystkim diagnostyczny.
Możliwości diagnostyczne są ogromne. Ale przede wszystkim za pomocą technik mikrofalowych można badać pacjenta bezinwazyjnie, czyli bez wkłuwania czy klejenia elektrod. Mało tego można też badać zdalnie, z pewnej odległości, np. od 1 cm do 5 metrów. W zdalnych technikach mierzymy akcję oddechową czyli częstotliwość i głębokość oddechu oraz częstotliwość bicia serca. W projektach wojskowych prowadzonych w kraju bada się możliwość pomiaru częstotliwości oddechu i bicia serca rannego żołnierza za pomocą drona z miniradarem.
Zminiaturyzowane radary można zintegrować z wyposażeniem pacjenta, np. wmontować w materac, łóżko, umieścić pod łóżkiem, na ścianie/suficie w sali szpitalnej. Można w ten sposób monitorując oddech wykrywać stany bezdechu sennego. Pewnego rodzaju szczytem miniaturyzacji jest mikroradar Dopplera zamknięty w obudowie wielkości, mniej więcej, długopisu.
Tego typu zastosowania wykorzystuje medtechowa firma MediSensonic zajmująca się projektowaniem bezinwazyjnych urządzeń diagnostycznych, a jej rozwiązanie z obszaru stomatologii jest aktualnie w trakcie badań klinicznych. Zaskakujące i nieoczywiste? Taki mikroradar rozwiązuje problem oceny żywotności miazgi zęba poprzez pomiar przepływu krwi w naczyniach miazgi. Aktualnie stomatolog robi test "na zimno" lub opukuje ząb czekając na reakcję pacjenta.
Podobne rozwiązanie minigłowicy radarowej pozwala na pomiar przepływu krwi w tętnicy ramiennej bądź promieniowej. Pozwala zmierzyć tzw. falę tętna i dalej obliczyć ciśnienie krwi bez użycia pompowanego mankietu. Czyli możemy uzyskać ciągły w czasie pomiar ciśnienia krwi, w dzień i w nocy, bez mankietu i pompowania. Bez budzenia siebie i osoby śpiącej obok.
Co jeszcze można diagnozować? Generalnie techniki mikrofalowe pozwalają na pomiar ruchów różnych części ciała: od skali mikro, czyli ruch krwi w naczyniach krwionośnych do skali makro – czyli ruch kończyn, klatki piersiowej. Dodatkowo możemy również zbadać parametry wybranych tkanek ciała. Od diagnostyki in-vitro czyli pomiarów parametrów próbek płynów ustrojowych, do pomiarów parametrów tkanek in-vivo czyli bezpośrednio na pacjencie.
Zastosowań może być wiele ale tutaj można wyróżnić 3 sztandarowe przykłady.
- Pierwszy to pomiar i monitoring glikemii człowieka bez wkłuwania elektrod pod skórę. Oznacza to realizację urządzenia typu CGMS (system do ciągłego monitorowania glikemii), niezwykle pomocnego dla cukrzyków.
- Drugi to pomiar zawartości wody w tkance płucnej poprzez "prześwietlenie" klatki piersiowej sygnałem mikrofalowym. Taka technika pozwala diagnozować zaawansowanie niewydolności serca oraz obrzęk płuc.
- Trzeci to wykrywanie raka piersi bez prześwietlania tkanek piersi. Nawet bez prześwietlania mikrofalami. Czy jest to możliwe? Tak, tutaj wkraczamy w obszar technik pasywnych.
Ciąg dalszy nastąpi.
Autor: dr hab. inż. Zenon Szczepaniak, prof. WAT
Naukowiec, wykładowca akademicki, wynalazca i pasjonat radiolokacji i technik mikrofalowych, wprowadzający ich nowe zastosowania w praktyce, w szczególności w urządzeniach do diagnostyki medycznej. Od kilku lat związany ze spółką med-tech MediSensonic SA, opracowującą innowacyjne urządzenia medyczne na bazie technik mikrofalowych i optycznych, gdzie jest Dyrektorem ds. Badań i Rozwoju.