Fakulta elektrotechnická

České vysoké učení technické v Praze

ČVUT v Praze

Biomedicínské a ekologické aplikace EM pole

Katedra elektromagnetického pole
Technická 2
166 27 Praha 6
Tel.: 224 352 280, Fax: 233 339 958
http://elmag.org/
 

Kdo jsme?

Jan Vrba
Koordinuje výzkumné aktivity tohoto týmu. Osobně se pak od r. 1981 zabývá vývojem nových typů mikrovlnných EM aplikátorů pro lékařské léčebné a diagnostické účely. Věnuje se také návrhům nových typů expozičních systémů pro studie účinků EM pole na biologické systémy a i vývoji nových EM technologií pro ekologické průmyslové účely.

Ladislav Oppl
Věnuje se zejména problematice lékařských aplikací EM pole, především pak studiu nových diagnostických metod založených na využití EM pole.

Jaroslav Vorlíček
Věnuje se problematice vývoje nových perspektivních diagnostických metod založených na využití EM pole.

Barbora Vrbová
Zabývá se vývojem nových typů EM aplikátorů pro lékařské účely (léčebné účely v onkologii, urologii, fyzioterapii a kardiologii).

Daniel Havelka
Zabývá se studiem EM pole, které je generováno samotnými biologickými systémy. Rozvíjí metody pro simulování těchto procesů i pro jejich experimentální identifikaci.

Tomáš Vydra
Zabývá se vývojem nových typů expozičních systémů pro perspektivní ekologické průmyslové technologie, zejména se zaměřením na EM expozici biodegradabilních polymerů.

Marika Pourová
Zabývá se vývojem nových typů aplikátorů jak pro ekologické průmyslové účely, zejména se zaměřením na mikrovlnné vysoušení textilních materiálů.

Jakým výzkumem se zabýváme

Naše výzkumné zájmy lze obecně definovat jako studium interakcí EM pole s hmotou, a to se zaměřením zejména na interakce EM pole s biologickými systémy. Studiem těchto interakcí se snažíme identifikovat biologické účinky EM pole - především účinky pozitivní, které lze využít v medicíně pro rozvoj nových léčebných metod. Výsledky našich studií interakce EM pole s hmotou lze využít i pro vývoj nových ekologických průmyslových technologií. Kromě sledování celé této zmíněné problematiky se náš tým aktivně zabývá pěti základními oblastmi výzkumu, specifikovanými v dalším textu.

Historicky nejstarší oblastí našich výzkumných aktivit jsou lékařské aplikace EM pole. Těžištěm naší práce v této oblasti je vývoj nových vyzařujících struktur (tzv. aplikátorů) pro EM resp. mikrovlnnou termoterapii a to zejména pro její aplikace ve fyzioterapii (tzv. diatermie pro léčbu revmatických onemocnění), onkologii (tj. hypertermie pro léčbu nádorových onemocnění), urologii (pro léčbu benigní hyperplasie prostaty) a kardiologii (termoablace pro léčbu srdečních arytmií a fibrilací a také Zároveň zajišťujeme fyzikální a technické konzultace týmům lékařů, kteří mikrovlnnou termoterapii aplikují v klinické praxi. Zejména lékařům z Ústavu radiační onkologie FN Bulovka, kde léčba onkologických pacientů hypertermií probíhá již od r. 1982.

Druhou sférou našeho výzkumu je teoretická báze nových perspektivních diagnostických metod založených na měření činitele odrazu a přenosu (resp. útlumu) EM vln ve studované diagnostikované oblasti. Využívá se přitom skutečnosti, že různé typy biologických tkání mají různé hodnoty dielektrických parametrů.

Další důležitou oblastí našich aktivit jsou expoziční komory pro experimentální výzkum účinků EM pole na biologické systémy. A to jak pro výzkum tzv. účinků tepelných, tak i účinků netepelných. Tyto expoziční komory resp. systémy jsou vyvíjeny na míru podle požadavků zainteresovaných biologických a lékařských institucí. Např. pro výzkum tepelných účinků EM pole jsme vyvinuli technické vybavení pro Mikrobiologický ústav AV ČR. Expoziční komora pro výzkum netepelných účinků EM pole byla zase vyvinuta podle požadavků LF UK v Plzni.

Čtvrtou oblastí našeho výzkumu je studium principů, podle kterých může být v biologických systémech generováno EM pole. Ve spolupráci s Ústavem fotoniky a elektroniky AV ČR participujeme na vyvoji extrémně citlivého systému pro měření signálů vyzářených biologickými nanostrukturami, a to na základě studia a analýzy těchto nanostruktur.

V neposlední řadě se věnujeme i výzkumu a vývoji perspektivních průmyslových technologií založených na využití EM pole, které jsou přínosem pro šetření životního prostředí, např. ohřevy a vysoušení materiálů energeticky úspornými mikrovlnnými metodami.

Náš tým také organizoval několik významných mezinárodních vědeckých konferencí zde v Praze: ESHO 2007 (Europ. Soc. for Hyperthermia Oncology), PIERS 2007 (Progress in EM Research), Czech&Slovak Microwave Week 2008 a ISMOT 2011 (Int.Symp.on Microwave and Optical Technology).

K čemu to je

Nové technologie na bázi využití EM pole, zpravidla využívající mikrovlnné principy, hrají v oblasti moderní medicíny stále významnější roli (viz např. MR, EKG, EEG, hypertemie, termoterapie, termoablace, atd.) a lze očekávat, že technologie na bázi EM pole mají velký potenciál přinést mnoho nových významných příspěvků do terapie a diagnostiky i v blízké budoucnosti. A tím zvýšit pravděpodobnost úspěšné léčby pro mnohé pacienty. Stejně tak považujeme za velmi důležité rozvíjet nové průmyslové ekologické technologie, které v budoucnosti mohou sehrát důležitou roli při ochraně životního prostředí.

Na čem konkrétně pracujeme

V dalším textu uvedeme pár příkladů konkrétních problémů z oblasti biomedicínských a ekologických aplikací, které řešíme v současné době.

Aplikátory pro lékařské aplikace EM pole a plánování léčby

Těžištěm naší práce v této oblasti je vývoj nových vyzařujících struktur (tzv. aplikátorů) pro EM resp. mikrovlnnou termoterapii a to zejména pro její aplikace ve fyzioterapii (tzv. diatermie pro léčbu revmatických onemocnění), onkologii (tj. hypertermie pro léčbu nádorových onemocnění), kardiologii a urologii (termoablace pro léčbu srdečních arytmií a fibrilací a také pro léčbu benigní hyperplasie prostaty). Na následujících obrázcích je nalevo znázorněno schéma termoterapeutické soupravy a napravo pak příklad simulace rozložení teploty v léčené oblasti.

Diagnostický systém na bázi měření činitele odrazu EM vlny

Jednou z oblastí našeho výzkumu je teoretická báze nové perspektivní diagnostické metody založené na měření činitele odrazu EM vln ve studované diagnostikované oblasti. Využívá se přitom skutečnosti, že různé typy biologických tkání mají různé hodnoty dielektrických parametrů. Na následujících obrázcích je nalevo znázorněn systém pro měření činitele odrazu a napravo pak příklad širokopásmového měření činitele odrazu povrchu lidského těla. Z těchto údajů je pak možné provézt rekonstrukci 3D uspořádání biologických tkání pod povrchem pacientova těla.

Diagnostický systém na bázi měření činitele odrazu EM vlny

Jednou z oblastí našeho výzkumu je teoretická báze nové perspektivní diagnostické metody založené na měření činitele odrazu EM vln ve studované diagnostikované oblasti. Využívá se přitom skutečnosti, že různé typy biologických tkání mají různé hodnoty dielektrických parametrů. Na následujících obrázcích je nalevo znázorněn systém pro měření činitele odrazu a napravo pak příklad širokopásmového měření činitele odrazu povrchu lidského těla. Z těchto údajů je pak možné provézt rekonstrukci 3D uspořádání biologických tkání pod povrchem pacientova těla.

Systém pro měření EM oscilací živých buněk

Participujeme na vývoji extrémně citlivého systému pro bodového měření EM signálů vyzářených nanostrukturami. Jde o měření na plochách s lineárními rozměry 100 nm a menšími a s výkony menšími než 0.1 fW na diskreních kmitočtech v pásmech 0-20 MHz a 10-50 GHz. Na následujících obrázcích je nalevo zobrazeno schéma měřící soupravy, uprostřed schéma EM senzoru a napravo pak příklad simulace oscilací živých buněk.

Perspektivní ekologické průmyslové technologie založené na využití EM pole

V rámci projektu EU - REBIOFOAM studujeme nové mikrovlnné technologie vhodné pro šetření životního prostředí, např. ohřevy a vysoušení materiálů energeticky úspornými mikrovlnnými metodami. Na následujících obrázcích je nalevo znázorněna simulace homogenity veličiny SAR uvnitř mikrovlnného systému určeného pro vysoušení textilu nebo na expanzi biodegradabilních polymerů a napravo pak příklad realizace tohoto mikrovlnného systému.

Kdo financuje náš výzkum

Financování našich výzkumných aktivit je zajištěno formou výzkumných projektů podporovaných různými grantovými agenturami případně pak formou hospodářských smluv s průmyslovými firmami. V současné době jsou naše výzkumné aktivity financovány v rámci těchto projektů:

  • GAČR: Výzkum a měření signálů generovaných nanostrukturami. Období: 2011 - 2013; Ext. číslo: GAP102/11/0649;
  • EU-FP7: REBIOFOAM - Development of a flexible and energy-efficient pressurised microwave heating process to produce 3D-shaped renewable bio-polymer foams for a novel generation of transportation packaging. Období: 2009 - 2013; Ext. číslo: REBIOFOAM FP7-NMP-2007-SM
  • TAČR:
  • MŠMT: Vývoj flexibilního a energeticky efektivního přetlakového mikrovlnného ohřevu pro výrobu 3D tvarovatelných obnovitelných polymerových pěn pro novou generaci přepravních balících technologií. Období: 2009 - 2013; Ext. číslo: 7E09105;

S kým spolupracujeme

Tým BioEM dlouhodobě spolupracuje s několika předními výzkumnými a akademickými institucemi v ČR i v zahraničí:

  • Ústav radiační onkologie, FN Bulovka
  • ALBA - eztek Group, Itálie.
  • Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v. v. i.
  • Lékařská fakulta UK v Plzni
  • Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.
  • Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i.
  • Fakulta mechatroniky, TU v Liberci
  • Fakulta biomedicínského inženýrství ČVUT
  • VUTS Liberec
  • Novamont, Itálie.
  • C-Tech, Anglie .
  • Chemtex, Itálie.
  • BTL Praha
  • Universita di Roma .La Sapienza., Itálie.
  • Universita di Roma .Tor Vergata., Itálie.
  • Imperial College, London, Anglie.
  • Duke University, North Carolina, USA.
  • Chalmers University, Goeteborg, Švédsko
  • Erasmus Center, Rotterdam, Holandsko.
  • Universita di Ancona, Itálie.

Vybrané publikace

Kapitola v knize

  • Vorlíček, J. - Vrbová, B. - Vrba, J.: Prospective Applications of Microwaves in Medicine. In ADVANCES IN CANCER THERAPY. Rijeka: InTech, 2011, p. 507-532. ISBN 978-953-307-703-1.
  • Zajíček, R. - Vrba, J.: Broadband Complex Permittivity Determination for Biomedical Applications. In Advanced Microwave Circuits and Systems. Vukovar: In-Teh, 2010, p. 365-385. ISBN 978-953-307-087-2.

Publikace v impaktovaném časopise

  • Vrba,J: "DYNAMIC PERMITTIVITY OF MICROSTRIP RING RESONATOR", ELECTRONICS LETTERS, Vol.15, No. 16, pp. 504-505, 1979, (IF 1,14, cit.: 14)
  • DInzeo,G, Vrba,J. et al: "MICROWAVE PLANAR NETWORKS-ANNULAR STRUCTURE", ELECTRONICS LETTERS Vol.14 No.16, pp. 526-528, 1978, (IF 1,14, cit.: 9)
  • Giannini,F.,Sorrentino,R.,Vrba,J.: "PLANAR CIRCUIT ANALYSIS OF MICROSTRIP RADIAL STUB". IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES Vol.32, No.12 pp. 1652-1655, 1984 (IF 1,9, cit.: 35)
  • Franconi,C., Vrba,J.: "27 MHZ HYBRID EVANESCENT-MODE APPLIC. (HEMA) WITH FLEXIBLE HEATING FIELD FOR DEEP AND SAFE SUBCUTANEOUS HYPERTHERMIA". INTERNATIONAL JOURNAL OF HYPERTHERMIA, Vol.9 No.5 pp. 655-673, 1993, (IF 2,6, cit.: 8)
  • Vrba.J, Franconi.C.: "EVANESCENT MODE APPLICATORS (EMA) FOR SUPERFICIAL AND SUBCUTANEOUS HYPERTHERMIA". IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol.40 No.5 pp.397-407, 1993, (IF 3,3, cit.: 7)
  • Vrba,J. Franconi,C.: "THEORETICAL LIMITS FOR PENETRATION DEPTH OF INTRACAVITARY APPLICATORS". INTERNATIONAL JOURNAL OF HYPERTHERMIA, Vol.12 No.6 pp.737-739, 1996, (IF 2,6, cit.: 10)
  • Vrba,J.,Oppl,L.: "TECHNICAL ASPECTS OF MICROWAVE THERMOTHERAPY", BIOELECTROCHEMISTRY, Vol.48 No.2 pp.305-309, 1999, (IF 2,6, cit.: 14)
  • Dobšíček Trefná, H. - Vrba, J. - Persson, M.: Evaluation of a Patch Antenna Applicator for Time Reversal Hyperthermia. International Journal of Hyperthermia. 2010, vol. 26, no. 2, p. 185-197. ISSN 0265-6736.
  • Dobšíček Trefná, H. - Vrba, J. - Persson, M.: Time -reversal Focusing in Microwave Hyperthermia for Deep-seated Tumors. Physics in Medicine and Biology. 2010, vol. 55, no. 8, p. 2167-2185. ISSN 0031-9155.
  • Dřížďal, T. - Togni, P. - Víšek, L. - Vrba, J.: Comparison of Constant and Temperature Dependent Blood Perfusion. Radioengineering. 2010, vol. 19, no. 2, p. 281-289. ISSN 1210-2512
  • Togni, P. - Vrba, J. - Vannucci, L.: Microwave Applicator for Hyperthermia Treatment on in Vivo Melanoma Model. Medical and Biological Engineering and Computing. 2010, vol. 48, no. 3, p. 285-292. ISSN 0140-0118.
  • Franconi, C. - Vrba, J. - Micali, F. - Pesce, F.: Prospects for Radiofrequency Hyperthermia Applicator Research. International Journal of Hyperthermia. 2011, vol. 27, no. 2, p. 187-198. ISSN 0265-6736.
  • Havelka, D. - Cifra, M. - Kučera, O. - Pokorný, J. - Vrba, J.: High-frequency electric field and radiation characteristics of cellular microtubule network. Journal of Theoretical Biology. 2011, no. 286, p. 31-40. ISSN 0022-5193.

Za obsah odpovídá: doc. Ing. Milan Polívka, Ph.D.