Τρισδιάστατη απεικόνιση του ανθρώπινου εγκεφάλου με μικροκυματική ραδιομετρία πολλαπλών συχνοτήτων

Abstract

Microwave Radiometry is applied to a wide range of scientific processes of high cognitive content resulting in major interest throughout the scientific community. Microwave Radiometry, through its various expressions and applications is also involved with Medicine. Over the recent past and in an attempt to follow the rapid progress across the medical field, there have been considerable research efforts seeking to incorporate radiometric imaging in brain diagnostic applications. In the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL) of the National Technical University of Athens, a three dimensional passive Microwave Radiometry Imaging system (MiRalS) has been designed and constructed for brain diagnostic applications. The present PhD thesis deals with the theoretical study of the layout, through electromagnetic analysis, intended to optimize the system’s focusing properties. Smoothening the step change of the refraction index on the air-human head model interface is a prerequisite for this optimization and an integral part of this thesis. Under this prism, and using a technique based on the Green’s function, we theoretically examine the placement of appropriate dielectric materials capable of adjusting both to the head of the subject and the source. Moreover, a significant number of simulations is performed using code developed for different frequencies. According to the results of these simulations, appropriate materials are selected and the corresponding matching settings are constructed and installed on the system. The above procedure achieves both the theoretical improvement of the system’s focusing properties and identifies the regions of the human brain in which this imaging technique is effective. Finally, in order to reconstruct the radiometric image, an algorithm for solving the inverse problem is also developed. For the construction of this system, a multiband radiometric receiver with an operational frequency range of l-4GHz is developed. The evolution of the proposed new imaging technique is completed by performing extensive experimental trials inside an anechoic chamber, with water phantoms of several sizes and temperatures, as well as, with dielectric matching layers, placed around the measured medium. Finally the radiometric waveform outputs are analyzed and an attempt to evaluate, confirm and theoretically interpret the results is made.

Η μικροκυματική ραδιομετρία έχει εφαρμογή σε πλήθος επιστημονικών διεργασιών υψηλού γνωστικού περιεχομένου, παρουσιάζοντας μείζονα δείκτη ενδιαφέροντος για ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα. Μεταξύ των διαφόρων εκφάνσεων και εφαρμογών της, καταλαμβάνει και την επιστήμη της Ιατρικής. Τα τελευταία χρόνια, με στόχο την παρακολούθηση των εξελίξεων στο ιατρικό πεδίο, καταβάλλονται σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες με σκοπό την ενσωμάτωση της Ραδιομετρικής Απεικόνισης σε διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (EMOI) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα σύστημα τρισδιάστατης παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου: Ο Παθητικός Μικροκυματικός Ραδιομετρικός Τομογράφος (ΠΜΡΤ). Η παρούσα διδακτορική διατριβή υπεισέρχεται εκτενώς στη θεωρητική μελέτη της διάταξης μέσω ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης, με σκοπό να βελτιστοποιηθούν οι ιδιότητες εστίασης του συστήματος. Η ομαλοποίηση της μεταβολής του δείκτη διάθλασης στη διεπιφάνεια αέρα και ανθρώπινου κεφαλιού αποτελεί προϋπόθεση για την βελτιστοποίηση αυτή και, ως εκ τούτου, άμεσο ζητούμενο. Υπό αυτό το πρίσμα, με τη βοήθεια των συναρτήσεων Green, μελετάται θεωρητικά η τοποθέτηση κατάλληλων διατάξεων υλικών, ικανών να προσαρμόζουν στο κεφάλι του εξεταζόμενου και στην πηγή και πραγματοποιείται σειρά προσομοιώσεων, οι οποίες γίνονται με κώδικα που αναπτύχθηκε για διάφορες συχνότητες λειτουργίας. Με γνώμονα, τα αποτελέσματα που προκύπτουν, επιλέγονται τα κατάλληλα υλικά, κατασκευάζονται οι αντίστοιχες διατάξεις «προσαρμογής» και τοποθετούνται στο σύστημα. Με την παραπάνω διαδικασία, παράλληλα με τη θεωρητική βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, προ βλέπεται σε ποιες περιοχές του εγκεφάλου είναι δυνατή η απεικόνιση με χρήση του συστήματος. Επιπλέον, με σκοπό την ανακατασκευή της ραδιομετρικής εικόνας αναπτύσσεται αλγόριθμος επίλυσης του αντίστροφου προβλήματος. Σε ό,τι αφορά το κατασκευαστικό μέρος του συστήματος, διαμορφώνεται ειδικά ένας πολυζωνικός ραδιομετρικός δέκτης με εύρος συχνοτήτων λειτουργίας l-4GHz. Η εξέλιξη της νέας απεικονιστικής μεθόδου ολοκληρώνεται με την πραγματοποίηση εκτεταμένων πειραματικών δοκιμών, εντός ανηχοϊκού θαλάμου, με ομοιώματα νερού σε διάφορα μεγέθη και θερμοκρασίες καθώς και με στρώματα προσαρμογής φτιαγμένα από διηλεκτρικά υλικά, ενώ ακολουθεί λεπτομερής ανάλυση των ραδιομετρικών κυματομορφών εξόδου και προσπάθεια αξιολόγησης, επιβεβαίωσης και θεωρητικής ερμηνείας των αποτελεσμάτων.