Studie proveditelnosti mikrovlnného monitorování teploty v oblasti pánve léčené regionálním mikrovlnným hypertermickým systémem

Abstract

Diplomová práce se zabývá analýzou proveditelnosti 3D neinvazivního měření teploty během regionální mikrovlnné hypertermie v oblasti pánve pomocí diferenčního mikrovlnného zobrazování. Hlavním cílem práce bylo určit, zda je možné detekovat jak kvalitativně, tak kvantitativně malé změny v dielektrických vlastnostech, které jsou výsledkem změn v teplotě tkáně v místě léčby hypertermie při použití diferenčního mikrovlnného zobrazování. Pro tento účel byl postupně vytvořen 1D vrstevnatý a 2D numerický anatomicky věrný model představující oblast šíření elektromagnetických vln. Tyto teplotně závislé modely byly použity k analýze vlivu různých parametrů mikrovlnného zobrazování a rekonstrukce teplotního kontrastu pomocí zkreslené Bornovy aproximace (DBA) a TSVD regularizace. Z analýzy těchto modelů vyplývá, že nejvhodnější pracovní frekvence jsou v rozmezí od 0,5 do 1,2 GHz, zatímco se vzrůstající frekvencí je výhodné použít pracovní prostředí o vyšší relativní permitivitě. Mezi výsledky plného a prázdného močového měchýře nebyla zjištěna žádná výraznější změna. Data získaná z 2D numerických simulací uvažujících scénáře lišící se v umístění, velikosti a teplotní změně zahřívané tkáně byla použita k rekonstrukci kontrastu v dielektrických vlastnostech. Algoritmus založený na DBA a TSVD byl schopen detekovat teplotní změnu vyšší než 3 °C s 35-50 % senzitivitou, chybou lokalizace 4 mm a normalizovaným kvadratickým průměrem odchylek zhruba 0,2. Úspěšně byla také detekována nežádoucí horká místa, tzv. hot-spoty, vzniklá souběžně s žádoucím hypertermickým zahříváním. Dále byl navržen pokus validující výsledky analýzy na syntetických datech, který byl následně numericky modelován a simulován ve 3D. V tomto případě nebyly výsledky zobrazovacího algoritmu uspokojivé, což bylo pravděpodobně způsobeno nízkou energií elektromagnetických vln pronikajících do fantomu.

The Master's thesis deals with the analysis of the feasibility of non-invasive 3D temperature measurement during microwave regional hyperthermia in the pelvic region using differential microwave imaging. The main goal was to determine whether it is possible to detect qualitatively and quantitatively small changes in dielectric properties resulting from changes in tissue temperature in the area treated with hyperthermia using differential microwave imaging. For this purpose, a 1D layered and 2D anthropomorphic numerical model of electromagnetic wave propagation in the pelvic region were gradually created. These temperature dependent models were used to analyze the influence of various parameters of microwave imaging and temperature contrast reconstruction using the distorted Born approximation (DBA) and TSVD regularization. The analysis of these models showed that the most suitable operating frequencies are between 0.5 and 1.2 GHz, while with increasing frequency it is advantageous to use a matching medium with decreasing permittivity. The results are similar for full and empty bladders. Data obtained from 2D numerical simulations considering scenarios that are different in location, size and temperature change of a heated tissue have been used for reconstruction of a contrast in dielectric properties. The algorithm based on DBA and TSVD was able to detect temperature change higher than 3 °C with 35-70 % sensitivity, 4 mm localization error and NRMSE around 0.2. Also hot spots occurring simultaneously with a desirable hyperthermia heating were detected successfully. An experiment validating the results of the synthetic analysis was designed, modelled in 3D and simulated numerically. In this case, the imaging algorithm didn't show satisfying results, which was probably caused by a low energy of the waves penetrated into the phantom.