Μικροκυματική απεικόνιση: Χρήση μεταϋλικών για την βελτίωση ακτινοβολίας μικροκεραιών που λειτουργούν σε κοντινή απόσταση με βιολογικούς ιστούς

Γιανναράς, Αθανάσιος

Microwave imaging: Metamaterials to enhance the radiation of antennas operating in close range with biological tissues

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Γιανναράς, Αθανάσιος

Date

2024-03-21

Advisor

Mitilineos, Stelios A.

Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία (2.752Mb)

Keywords

Μεταϋλικά ; Μικροκυματική απεικόνιση ; Βιοΐατρικές εφαρμογές ; Ιατρική απεικόνιση

Abstract

Το εγκεφαλικό επεισόδιο είναι μια διαδεδομένη μορφή εγκεφαλικής διαταραχής παγκοσμίως, με συμπτώματα που μπορεί να μοιάζουν με άλλες ιατρικές καταστάσεις, όπως οι παροδικές ισχαιμικές κρίσεις, λιποθυμία, ημικρανίες, καρδιακά προβλήματα και οι επιληπτικές κρίσεις. Κατά συνέπεια, είναι υποχρεωτική ανάγκη να αποφεύγεται η λανθασμένη διάγνωση του εγκεφαλικού επεισοδίου κατά την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων υγείας. Η άμεση ιατρική φροντίδα για έναν ασθενή με εγκεφαλικό πρόβλημα είναι σημαντική διότι, μετά τον τραυματισμό, εκατομμύρια εγκεφαλικά κύτταρα χάνονται κάθε δευτερόλεπτο, οδηγώντας σε ανεπανόρθωτη βλάβη ή ακόμη και σε θάνατο. Ο έγκαιρος εντοπισμός ενός εγκεφαλικού επεισοδίου και η γρήγορη χορήγηση της κατάλληλης φαρμακευτικής αγωγής εντός λίγων ωρών από την έναρξη των συμπτωμάτων, έχει μεγάλη σημασία για τη διάσωση της ζωής ενός ασθενούς. Το κλειδί για την επιτυχή θεραπεία είναι η ακριβής και η ταχεία διάγνωση του εγκεφαλικού επεισοδίου. Η επιστήμη της βιοϊατρικής, αναπτύσσεται στην δημιουργία ενός φορητού διαγνωστικού συστήματος για άμεση χρήση και είναι απαραίτητη για την ταχεία αναγνώριση των εγκεφαλικών κακώσεων. Σήμερα, η διάγνωση ενός εγκεφαλικού επεισοδίου ξεκινά με μία νευρολογική αξιολόγηση μέσω κλινικής εξέτασης. Σε αντίθεση με τους αξονικούς τομογράφους και τους μαγνητικούς τομογράφους, η μικροκυματική απεικόνιση (MWI) χρησιμεύει ως φορητό σύστημα ανίχνευσης, επιτρέποντας την αρχική διάγνωση διαφόρων απειλητικών για τη ζωή επειγόντων περιστατικών, όπως οι εγκεφαλικές κακώσεις λόγω εγκεφαλικού επεισοδίου, ακόμη και ενώ οι ασθενείς βρίσκονται καθ' οδόν προς το νοσοκομείο, εξοικονομώντας έτσι κρίσιμο χρόνο. Τα τελευταία χρόνια, η μικροκυματική έχει αναδειχθεί ως μια υποσχόμενη τεχνολογία σε διάφορες εφαρμογές, ιδίως στον ιατρικό τομέα, πιο συγκεκριμένα στην απεικόνιση του καρκίνου του μαστού και σε περίπτωση εγκεφαλικού επεισοδίου. Επιπλέον, παρουσιάζει πλεονεκτήματα, όπως οικονομική, αποδοτική, φορητή, γρήγορη και η φιλικότητά της προς τον χρήστη, με σημαντικές δυνατότητες για τον εντοπισμό εγκεφαλικών αιμορραγιών. Η μικροκυματική απεικόνιση λειτουργεί, εφαρμόζοντας μικροκυματική ακτινοβολία στο ανθρώπινο κεφάλι, καταγράφοντας τις διάφορες μεταβολές των ιστών του εγκεφάλου, βασίζοντας στην διαφορετική ηλεκτρική τους αντίθεση με ένα υγιής εγκεφαλικό ιστό. Χρησιμεύει ως εργαλείο διαλογής για την ανίχνευση και παρακολούθηση αιμορραγικών εγκεφαλικών επεισοδίων, όγκων και καρκινικών κυττάρων, βασιζόμενο στις έντονες διαφορές στις διηλεκτρικές ιδιότητες μεταξύ φυσιολογικών και μη φυσιολογικών ιστών σε συχνότητες μικροκυμάτων. Σε αυτή την διπλωματική, στο Κεφάλαιο 1 μιλάμε για την ιατρική απεικόνιση, πιο συγκεκριμένα για την απεικόνιση του μαστού και εγκεφαλικοί επεισοδίου (Κεφάλαιο 2-3). Στο Κεφάλαιο 4 μιλάμε γενικά για την χρήση κεραιών σε βιοϊατρικές εφαρμογές αναφέροντας συστήματα απεικόνισης από διάφορα επιστημονικά άρθρα. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρει τις βασικές αρχές μικροκυματικής απεικόνισης. Τα Κεφάλαια 6 και 7, αφιερώνονται στα μεταϋλικά και μεταεπιφάνιες, πιο συγκεκριμένα σε ηλεκτρομαγνητικούς μεταϋλικούς απορροφητές. Στο τελευταίο Κεφάλαιο, μελετάμε πώς τα μεταϋλικά μπορούν να βελτιώσουν την ακτινοβολία μιας κεραίας που λειτουργεί σε κοντινή απόσταση με έναν βιολογικό εγκεφαλικό ιστό. Συγκεκριμένα, κατασκευάζουμε κεραίες bowtie με το CST που λειτουργούν μεταξύ 2 και 3 GHz και με τη βοήθεια της αντίστασης αντιστοίχισης μεταεπιφάνειας (IMM) και τεχνητού μαγνητικού αγωγού (AMC), βελτιώνουμε τη λειτουργικότητα του συστήματος μειώνοντας την ανεπιθύμητη οπίσθια ακτινοβολία και επιτυγχάνοντας καλύτερη εικόνα σε πυκνούς εγκεφαλικούς ιστούς. Τα αριθμητικά αποτελέσματα του CST πρέπει να συμφωνούν με τα πειραματικά.

Abstract

Stroke is a common form of brain disorder worldwide, with symptoms that may resemble other medical conditions, such as transient ischaemic attacks, fainting, migraines, heart problems and seizures. It is mandatory to avoid misdiagnosis of a stroke when treating these problems. The immediate medical attention is utmost important because, after a brain injury, millions of brain cells are lost every second, leading to irreversible damage. That said, an early detection of a brain stroke and a fast medical care within the early hours of the first symptoms, can save the patient’s life. So a successful brain treatment must be accurate and fast. The biomedical science is advancing towards portable diagnostic system that can be used immediately, identifying a brain injury faster and more accurately than any other system existing today. The diagnosis of brain injury begins with a complete neurological examination. Unlike computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) scanners, microwave imaging (MWI) can be used to create a new imaging system that detect a variety of life threatening emergencies accurately, such as brain injuries and also can be portable in any ambulance, where the patient can be examined before they reach the nearest hospital, saving valuable time. As a result, microwave imaging is a promising technology in various applications, specifically in medical field such as breast cancer and brain stroke. Microwave imaging has advantages such as low price, efficiency, portability, it is a faster and a more patient-friendly procedure, with better detection of brain hemorrhages. Microwave imaging works by applying microwave radiation in close range to the human head, recording changes in brain tissue based on the difference between the electrical contrast of the healthy and the injured one. It can be used for detecting and monitoring hemorrhagic strokes, tumors and cancer cells, based on the differences in dielectric properties between normal and abnormal tissues at microwave frequencies. In this paper we talk about medical imaging (chapter 1), in particular breast and brain imaging (chapter 2-3). In chapter 4 we generally talk about antennas for biomedical applications and describe some fascinating imaging systems from various articles. Chapter 5 describes the basic principles of microwave imaging. Chapters 6 and 7 are dedicated to metamaterials and metasurfaces, specifically in electromagnetic metamaterial absorbers. In the last chapter, we study how metamaterials can improve the radiation of an antenna that operates in a close range with a biological brain tissue. Specifically, we build two bowtie antennas between 2 and 3 GHz, using the CST software and with the help of impedance matching metasurface (IMM) and artificial magnetic conductor (AMC), we improve the functionality of the system by reducing the unwanted back radiation and achieving better imaging of the dense brain tissues. The numerical results of the CST must agree with the experimental ones.