Určení polohy pacienta v regionálním hypertermickém systému pomocí UWB mikrovlnného radaru

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá návrhem systému, který je schopný detekovat pozici pánve při onkologické léčbě regionální mikrovlnnou hypertermií. Stanoveným cílem je navrhnout numerický model systému, který pomocí širokopásmového mikrovlnného radaru lokalizuje povrch pánve v transverzální rovině s přesností vyšší než 1 cm. V simulátoru elektromagnetického pole bylo navrženo šest prostorových konfigurací širokopásmových motýlkových antén. Na základě algoritmického zpracování diferenční odezvy byly detekovány silné odrazy vysokofrekvenčních impulsů. Následným vyhodnocením těchto odrazů byly lokalizovány body na povrchu homogenního numerického fantomu. Analýza vlivu prostorového rozložení systému byla provedena statistickým testováním odchylek stanovení od referenčních bodů tělesného povrchu. Navrženým řešením se podařilo dosáhnout požadované výstupní přesnosti. Ověření systému na numerických anatomických modelech pacientů poskytlo přesnost stanovení 0,5 cm a 0,7 cm. Statistické vyhodnocení navržené analytické metody nepotvrdilo vliv prostorové konfigurace systému na přesnost lokalizace povrchových bodů. Posouzením zachyceného plošného obsahu pánve v transverzálním řezu vůči zkoumanému modelu však byla prokázána zlepšená reprezentativnost detekovaných bodů pro větší množství implementovaných antén. Při zpracování výstupů byl také zjištěn významný vliv tloušťky vodního bolusu na správnost stanovení a byla určena hranice 16 cm pro zachování detekce s požadovanou přesností. Přínosem této práce je funkční návrh radarového lokalizačního systému, který by po experimentální validaci umožnil řešit klinický problém lokalizace pacienta při termoterapii.

This Master's thesis focuses on a realization of raradar-based alignment system for patients during the oncological microwave therapy. The aim of this work is to propose and realize a numerical model of such system, where the transversal section of patient's pelvis is localized by the means of a microwave radar with accuracy higher than 1 cm. First, six different arrangements of wideband bow-tie antenna arrays were implemented in an electromagnetic field simulator. Based on the algorithmically processed differential response, strong reflections of high-frequency impulses were detected. These were used to localize points on the surface of homogeneous numerical model of the pelvic body region. The effect of spatial arrangement of the array was analysed statistically by comparing the differences between calculated and reference points on the model surface. The proposed solution achieved the desired spatial accuracy. By testing the system on numerical anatomical patient models, the accuracy of patient localization was determined to be 0.5 cm and 0.7 cm. Statistical evaluation of the results did not show significant effect of antenna array arrangement on the accuracy, however, it was determined that higher number of antennae provides improved representation of the inspected body shape. Further analysis revealed significant effect of water bolus thickness on localization accuracy, and the maximal thickness of the bolus to achieve required accuracy was determined as 16 cm. The proposed model of the radar-based patient localization system is the main contribution of this work, and with further experimental validation will enable to solve the issue of patient positioning during thermotherapy.