Optimalizace měření dielektrických parametrů vzorků tkání pro účely mikrovlnného zobrazování a hypertermii

Abstract

Hlavním cílem této práce byla komplexní analýza citlivosti koaxiálních sond DAK 12 a DAK 3.5 na měření dielektrických vlastností lidských tkání v mikrovlnném spektru. Pro splnění tohoto cíle bylo nejprve provedeno modelování obou koaxiálních sond v numerickém simulátoru COMSOL Multiphysics. Modely koaxiálních sond byly aplikovány na pět různých vzorků lidských tkání: krev, sval, bílou hmotu mozkovou, kortikální kost a tuk. Zvolené vzorky měly rozdílné hodnoty relativní permitivity a elektrické vodivosti, aby se demonstrovala závislost optimálních rozměrů vzorků na dielektrických parametrech materiálů a frekvenci měření. Po provedení analýzy výsledků simulací následovalo provedení reálného měření. Bylo připraveno pět fantomů s hodnotami podobnými simulovaným materiálům. Naměřené výsledky byly analyzovány s výpočtem nejistot jednotlivých měření. V této práci byly uvedeny tabulky a grafy k zobrazení výsledků obou analýz. Byly také formulovány hypotézy týkající se důvodů rozdílů ve stanovených hodnotách. Získané výsledky z numerických simulací a experimentálních měření byly zhodnoceny a na jejich základě byla formulována doporučení pro optimální velikosti vzorků různých typů tkání a frekvence měření.

The main objective of this work was a comprehensive analysis of the sensitivity of the DAK 12 and DAK 3.5 coaxial probes to the measurement of dielectric properties of human tissues in the microwave spectrum. To achieve this goal, the initial step involved modeling both coaxial probes using the COMSOL Multiphysics numerical simulator. The models were applied to five different human tissue samples: blood, muscle, brain white matter, cortical bone, and fat. These selected samples had varying values of relative permittivity and electrical conductivity to demonstrate the dependence of optimal sample dimensions on the dielectric parameters of the materials and the measurement frequency. Following the analysis of the simulation results, real measurements were conducted. Five phantoms were prepared with values similar to the simulated materials. The measured results were analyzed, including the calculation of uncertainties for each measurement. This thesis presents tables and graphs to display the results of both analyses. Hypotheses regarding the reasons for the differences in the determined values were also formulated. The results obtained from numerical simulations and experimental measurements were evaluated, and recommendations were made for the optimal sizes of samples of different tissue types and measurement frequencies based on these evaluations.