Studie využití mikrovlnné diferenční tomografie ve zdravotní diagnostice a terapii
Feasibility study of microwave differential tomography for medical diagnostics and therapy
Typ dokumentu
disertační prácedoctoral thesis
Autor
Ilja Merunka
Vedoucí práce
Vrba Jan
Oponent práce
Richter Aleš
Studijní obor
RadioelektronikaStudijní program
Elektrotechnika a informatikaInstituce přidělující hodnost
katedra elektromagnetického polePráva
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Zobrazit celý záznamAbstrakt
Elektromagnetické (EM) lékařské technologie jsou považovány za perspektivní jak pro diagnostiku, tak i pro terapii. Vzhledem k tomu, že tyto technologie využívají neionizující záření, mají potenciál být levné a velmi často je lze provozovat minimálně invazivně, byly v posledních letech předmětem významného výzkumného úsilí. Funkční princip těchto technologií je založen na existenci rozdílu v dielektrických vlastnostech různých typů tkání nebo mezi tkáněmi zdravími a patologickými. Znalost přesných dielektrických vlastností biologických tkání je proto pro lékařské EM technologie zásadní. Během posledních desetiletí byly provedeny četné studie za účelem rozšíření databází dielektrických vlastností biologických tkání. Nicméně tato data stále nejsou k dispozici pro všechny druhy tkání, pro danou teplotu a frekvenci. Této problematice je proto v dizertační práci věnována značná pozornost. Tato disertační práce je ale zaměřena především na příspěvek k novým technologickým přístupům mikrovlnné tomografie (MWT), zejména k její teorii a klinickým aplikacím v blízké budoucnosti. Konkrétně je cílena na využití kvantitativního deterministické iterační rekonstrukčního algoritmu. Tento přístup se pro aplikaci MWT v medicíně zdá být jedním z nejslibnějších. Dále je v této disertační práci představen prototyp laboratorního mikrovlnného zobrazovacího systému vhodného pro metodologické testování zobrazování, detekce a klasifikace cévních mozkových příhod pomocí mikrovlnné technologie. Skládá se z držáku anténního pole vybaveného deseti nově vyvinutými štěrbinovými anténami, 2.5 D rekonfigurovatelného a vyměnitelného fantomu lidské hlavy, fantomů mrtvice a související měřicí technologie a softwaru. Tento prototyp byl navržen tak, aby umožňoval měření kompletní S-matice anténního pole. Rekonfigurovatelný a vyměnitelný fantom hlavy má 23 předdefinovaných pozic pro umístění fantomu mozkové příhody. Tím je umožněno opakované měření fantomů mozkových příhod různých typů, velikostí / tvarů a na různých pozicích. Navržený fantom je proto vhodný pro opakovaná měření s vysokou variabilitou naměřených dat pro detekci a klasifikaci mozkové příhody na základě metod strojového učení. Pro ověření funkčnosti měřicího systému bylo provedeno měření kompletní matice S-parametrů s použitím fantomu krvácivé mozkové příhody umístěným postupně na všech zmíněných 23 pozicích. Na takto naměřená data byl aplikován implementovaný deterministický iterativní rekonstrukční algoritmus prostorového rozložení hodnot dielektrických vlastností. Dosažené výsledky dobře korelují se skutečnou polohou fantomu mozkové mrtvice a jeho typem. Naše výsledky tak podporují tvrzení dalších skupin pracujících v této oblasti, že by detekce a diferenciace cévních mozkových příhod pomocí mikrovlnné techniky měla být možná. V této disertační práci je také diskutována kombinace mikrovlnného hypertermického systému (MHTS) a neinvazivního systému měření diferenční teploty na základě MWT. Na závěr - následujících 5 hlavních cílů této disertační práce (zaměřených na nový vývoj mikrovlnných technologií pro využití v MWT) lze shrnout takto. Návrh speciálního anténního systému pro mikrovlnnou tomografii (kapitola 3, 5 a 9). Měření komplexní permitivity lidských tkání (kapitola 6). Studium rekonstrukčních algoritmů pro mikrovlnnou tomografii a jejich implementace (kapitola 2, 7 a 8). Vývoj systému pro detekci a klasifikaci mozkové mrtvice (kapitola 2, 4 a 9). Vývoj modelu teplotní závislosti dielektrických vlastností agarového fantomu pro testování systému kombinující MWH a MWT (kapitola 5). Electromagnetic (EM) medical technologies are expanding worldwide for both diagnostics and therapy. As these technologies use non-ionizing radiation, have potential to be inexpensive and can often be used as minimally invasive, they have been in the focus of significant research efforts in recent years. The functional principle of these technologies is based on the existence of a difference in dielectric properties of different tissue types or between healthy and diseased tissues. Thus, accurate knowledge of the dielectric properties of biological tissues is fundamental to EM medical technologies. Over the past decades, numerous studies were conducted to expand the dielectric repositories. However, dielectric data is not yet available for every tissue type and at every temperature and frequency. Therefore, considerable attention is paid to this issue in this dissertation thesis. This dissertation thesis is mainly focused on contribution to new technological approaches of microwave tomography (MWT), especially to its theory and near future clinical applications. I decided to concentrate mostly on the quantitative deterministic iterative approache. This approache seems to be the one of the most promising for medical application of MWT. Further in this work, a prototype of a laboratory microwave imaging system suitable to methodically test the ability to image, detect, and classify human brain strokes using microwave technology is presented. It consists of an antenna array holder equipped with ten newly developed slot bowtie antennas, a 2.5 D reconfigurable and replaceable human head phantom, stroke phantoms, and related measuring technology and software. This prototype was designed to allow measurement of a complete S-matrix of the antenna array. The reconfigurable and replaceable phantom of human head has 23 predefined positions for stroke phantom placement. This setting allows repeated measurements for the stroke phantoms of different types, sizes/shapes, and at different positions. It is therefore suitable for large-scale measurements with high variability of measured data for stroke detection and classification based on machine learning methods. To verify the functionality of the measuring system, complete S-parameters matrix was measured for a hemorrhagic phantom sequentially placed on mentioned 23 positions and spatial distribution of dielectric parameters was reconstructed using implemented deterministic iterative reconstruction algorithm. The results correlate well with the actual position of the stroke phantom and its type. Our results support the statements of other groups working in this field, that the detection and differentiation of the strokes by means of microwave technique should be possible. Combinations of microwave hyperthermia system (MHTS) and non-invasive differential temperature measurement system based on MWT is discussed in this dissertation thesis as well. In conclusion - The following 5 main aims of this dissertation thesis (focussed on new development of microwave technologies to be used for MWT) can be summarized as follows. Design of special antenna systems for microwave tomography (Chapter 3, 5 and 9). Complex permittivity measurement of human tissues (Chapter 6). Study of reconstruction algorithms for microwave tomography and its implementation (Chapter 2, 7 and 8). Development of a system for brain stroke detection and classification (Chapter 2, 4 and 9). Development of temperature dependent model of dielectric properties of an agar phantom for testing of a system combining MHTS and MWT (Chapter 5).
Kolekce
- Disertační práce - 13000 [695]