Systém pro měření dielektrických parametrů biologických tkání

Abstract

Práce se zabývá návrhem a realizací cenově dostupného systému pro měření dielektrických parametrů biologických tkání pomocí vektorového analyzátoru obvodů (VNA) a koaxiální odrazné sondy. Cílem práce je v prostředí MATLAB vytvořit grafické uživatelské rozhraní (GUI) umožňující ovládání systému a zpracování výsledků. Dále implementovat anténní model a model virtuálního vedení koaxiální sondy stejně jako filtraci a fitování dat dvoupólovým Cole-Cole modelem. Pro vybrané kalibrační standardy a alespoň tři ex vivo biologické tkáně změřit dielektrické parametry navrženým systémem a porovnat je s měřeními komerčním systémem DAK 12 (SPEAG, Švýcarsko). Následně vyhodnotit vliv použitých metod na odchylky dielektrických parametrů a vliv snímaného objemu koaxiálními sondami o průměrech 2,2 mm a 6,35 mm. Navržený systém sestával z pocketVNA 2.0, Německo a na zakázku vyrobené 2,2mm koaxiální sondy. Bylo vytvořeno GUI a implementována filtrace a fitování dvoupólovým Cole-Cole modelem. Byly provedeny příslušná měření ex vivo biologických tkání navrženým a komerčním systémem. Nejnižších středních absolutních procentuálních chyb (MAPE) v porovnání s komerčním systémem dosahoval model virtuálního vedení s MAPE relativní permitivity 11,2 % (< 200 MHz) a 3,90 % (> 200 MHz) a MAPE elektrické vodivosti 17,6 % (< 200 MHz) a 8,73 % (> 200 MHz). Dále byl s využitím numerických simulací v prostředí COMSOL Multiphysics a experimentálních měření vyhodnocen vliv snímaného objemu koaxiálními sondami o průměrech 2,2 mm a 6,35 mm.

This thesis deals with the design and realization of an affordable system for measuring the dielectric parameters of biological tissues using a vector network analyzer (VNA) and a coaxial reflection probe. The aim of this thesis is to develop a graphical user interface (GUI) in MATLAB environment to operate the system and process the results. Furthermore, to implement an antenna model and a virtual line model of the coaxial probe as well as filtering and fitting the data to a two-pole Cole-Cole model. For selected calibration standards and at least three ex vivo biological tissues, measure dielectric parameters with the proposed system and compare them with measurements with the commercial DAK 12 system (SPEAG, Switzerland). Subsequently, evaluate the effect of the used methods on the errors of the dielectric parameters and the effect of the sensing volume by coaxial probes with diameters of 2,2 mm and 6,35 mm. The proposed system consisted of a pocketVNA 2.0, Germany and custom-made 2.2mm coaxial probe. A GUI was developed and filtering and fitting to the two-pole Cole-Cole model was implemented. The corresponding ex vivo measurements of biological tissues were performed with the proposed and commercial system. Compared with the commercial system, the virtual line model achieved the lowest mean absolute percentage errors (MAPE) with relative permittivity MAPE of 11.2 % (< 200 MHz) and 3.90 % (> 200 MHz) and electrical conductivity MAPE of 17.6 % (< 200 MHz) and 8.73 % (> 200 MHz). Additionally, the effect of the sensing volume of coaxial probes with diameters of 2.2 mm and 6.35 mm was evaluated using numerical simulations in the COMSOL Multiphysics environment and experimental measurements.