Μελέτη της εγκεφαλικής ενεργοποίησης με σύστημα κεραιών φασικής σύνθεσης μικροκυματικής ραδιομετρίας και με υπέρυθρη φασματοσκοπία

Abstract

Brain activation and functional imaging is an emerging research area of the scientific community for many years. A non-invasive method that could potentially contribute to brain mapping is Microwave Radiometry, while a recognized method for functional imaging is Near Infrared Spectroscopy. Microwave Radiometry is the fundamental technology used in radioastronomy, which was developed during the past 50 years in the effort to observe and understand universe. The operation physical principle of radiometers is the “chaotic thermal radiation” emitted by any material object being above the absolute zero (-273°C) temperature. Near Infrared Spectroscopy has been identified as a unique, non invasive technique for the evaluation of the oxygenation and the haemodynamics of human brain. It was first presented in 1993 as a way to observe brain functionality, whilst it could potentially be used for brain mapping. In the framework of the present PhD thesis two imaging system were designed and constructed. The first one is a near field radiometric system using phased array conformal patches and the second is a near infrared spectroscopic system. The novelty of the proposed work consists in the use of phased array conformal patches and the combination of the two non-invasive imaging methods for practical use. Towards that goal, both systems were theoretically studied, using available simulation tools. Their ability to measure temperature distributions inside the human body, as well as oxygenation changes inside brain tissues was tested. Their satisfactory function was verified via numerous experiments with appropriate phantoms, while some sampling measurements of real oxygenation changes were performed. The abovementioned tests confirmed all theoretical expectations and showed that the combined use of the system could contribute to the emerging field of brain mapping and functional imaging.

Η μελέτη της εγκεφαλικής ενεργοποίησης και της λειτουργικής απεικόνισης απασχολεί την επιστημονική κοινότητα εδώ και πολλά χρόνια. Μια μη επεμβατική μέθοδος, η οποία τα τελευταία χρόνια έχει διαφανεί ότι ενδέχεται να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χαρτογράφηση του εγκεφάλου, είναι η Μικροκυματική Ραδιομετρία, ενώ μια αναγνωρισμένη μέθοδος λειτουργικής απεικόνισης είναι η Υπέρυθρη Φασματοσκοπία. Η Μικροκυματική Ραδιομετρία αποτελεί τη θεμελιώδη τεχνολογία που χρησιμοποιείται στη ραδιοαστρονομία, η οποία αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 ετών στην προσπάθεια να παρατηρηθεί και να γίνει και να γίνει κατανοητό το σόμπαν. Η αρχή λειτουργίας των ραδιομέτρων είναι η χαοτική θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει κάθε φυσικό σώμα που βρίσκεται σε θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδενός (-273°C) Η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου (NIRS) έχει αναγνωρισθεί ως μια μοναδική, μη επεμβατική τεχνική για εκτιμήσεις της οξυγόνωσης του ιστού και της αιμοδυναμικής. Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1993 για χρήση στην παρακολούθηση της εγκεφαλικής λειτουργίας ενώ έχει προοπτικές να χρησιμοποιηθεί στη χαρτογράφηση του εγκεφάλου. Στα πλαίσια της Διδακτορικής διατριβής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο συστήματα απεικόνισης, ένα μικροκυματικής ραδιομετρίας κοντινού πεδίου με χρήση προσαρμόσιμων κεραιών φασικής σύνθεσης και ένα υπέρυθρης φασματοσκοπίας εγγύς υπερύθρου. Η καινοτομία της έγκειται αφενός στη χρήση των προσαρμόσιμων κεραιών φασικής σύνθεσης σε ραδιομετρία κοντινού πεδίου για την απεικόνιση εγκεφάλου αφετέρου στη συνδυαστική της χρήση με υπέρυθρη φασματοσκοπία. Αρχικά μελετήθηκε θεωρητικά η συμπεριφορά των συστημάτων μέσω κατάλληλων προσομοιωτικών πακέτων και στη συνέχεια ελέγχθηκε η δυνατότητα της μέτρησης της εν τω βάθει κατανομής της θερμοκρασίας καθώς και η δυνατότητα μέτρησης της αλλαγής της οξυγόνωσης στους εγκεφαλικούς ιστούς. Η πιστοποίηση της ορθής λειτουργίας έγινε με χρήση κατάλληλων ομοιωμάτων, ενώ πραγματοποιήθηκαν δειγματοληπτικές μετρήσεις προσδιορισμού της μεταβολής της οξυγόνωσης με χρήση του συστήματος υπέρυθρης φασματοσκοπίας. Μέσω των πειραμάτων αυτών επιβεβαιώθηκαν οι αρχές λειτουργίας των συσκευών καθώς και η δυνατότητα χρήσης του για συνδυαστικές μετρήσεις για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης.