Differential ultra-wideband microwave imaging for medical applications

Autor: Ley, Sebastian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.22032/dbt.55224
Popis: Elektromagnetische Ultrabreitband-Sensorik und -Bildgebung bieten vielversprechende Perspektiven für verschiedene biomedizinische Anwendungen, da diese Wellen biologisches Gewebe durchdringen können. Dabei stellt der Einsatz von leistungsarmen und nichtionisierenden Mikrowellen eine gesundheitlich unbedenkliche Untersuchungsmethode dar. Eine der Herausforderungen im Bereich der ultrabreitbandigen Mikrowellensensorik ist dabei die Extraktion der diagnostisch relevanten Informationen aus den Messdaten, da aufgrund der komplexen Wellenausbreitung im Gewebe meist rechenaufwändige Methoden notwendig sind. Dieses Problem wird wesentlich vereinfacht, wenn sich die Streueigenschaften des zu untersuchenden Objektes zeitlich ändern. Diese zeitliche Varianz der Streueigenschaften kann mit Hilfe einer Differenzmessung über ein bestimmtes Zeitintervall ausgenutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der differentielle Ansatz mittels Ultrabreitband-Sensorik für zwei medizinische Anwendungsszenarien betrachtet. Die dabei genutzten Messsysteme basieren auf dem M-Sequenzverfahren, welches an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Die erste Anwendung bezieht sich auf das nicht-invasive Temperaturmonitoring mittels Ultrabreitband-Technologie während einer Hyperthermiebehandlung. Hyperthermie ist eine Wärmetherapie zur Unterstützung onkologischer Behandlungen (z. B. Chemo- oder Strahlentherapie). Während einer solchen Behandlung wird das Tumorgewebe um 4 °C bis 8 °C erhöht. Dabei ist es wichtig, dass die Temperatur die obere Grenze von 45 °C nicht überschreitet. In diesem Zusammenhang bietet das differentielle Ultrabreitband-Monitoring eine vielversprechende Technik zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung der Temperatur im Körperinneren. Der Ansatz basiert auf den temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe. Dabei werden elektromagnetische Wellen mit einer geringen Leistung in das Untersuchungsmedium eingebracht, die sich gemäß den dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ausbreiten. Wird eine Zielregion (bspw. Tumor) erwärmt, so ändern sich dessen dielektrische Eigenschaften, was zu einem sich ändernden Streuverhalten der elektromagnetischen Welle führt. Diese Änderungen können mittels Ultrabreitband-Sensorik erfasst werden. Für die Evaluierung der gemessenen Änderungen im Radarsignal ist es notwendig, die temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe im Mikrowellenfrequenzbereich zu kennen. Aufgrund der wenigen in der Literatur vorhandenen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe über einen breiten Mikrowellenfrequenzbereich werden in dieser Arbeit die dielektrischen Eigenschaften für Leber, Muskel, Fett und Blut im Temperaturbereich zwischen 30 °C und 50 °C von 500 MHz bis 7 GHz erfasst. Hierzu wird zunächst ein Messaufbau für die temperaturabhängige dielektrische Spektroskopie von Gewebe, Gewebeersatz und Flüssigkeiten vorgestellt und die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messungen analysiert. Die Messdaten werden mit Hilfe eines temperaturabhängigen Cole-Cole Models modelliert, um die dielektrischen Eigenschaften für beliebige Werte im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich berechnen zu können. In einem weiteren Experiment wird die nicht-invasive Erfassung von Temperaturänderungen mittels Ultrabreitband-Technologie in einem experimentellen Messaufbau nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturänderung von 1 °C zu Differenzsignalen führt, welche mit der genutzten Ultrabreitband-Sensorik (M-Sequenz) detektierbar sind. Die zweite Anwendung befasst sich mit der kontrastbasierten Mikrowellen-Brustkrebsbildgebung. Aufgrund des physiologisch gegebenen geringen dielektrischen Kontrastes zwischen Drüsen- und Tumorgewebe kann durch den Einsatz von Kontrastmitteln, im Speziellen magnetischen Nanopartikeln, die Zuverlässigkeit einer Diagnose verbessert werden. Der Ansatz beruht darauf, dass funktionalisierte magnetische Nanopartikel in der Lage sind, sich selektiv im Tumorgewebe zu akkumulieren, nachdem diese intravenös verabreicht wurden. Unter der Bedingung, dass sich eine ausreichende Menge der Nanopartikel im Tumor angesammelt hat, können diese durch ein äußeres polarisierendes Magnetfeld moduliert werden. Aufgrund der Modulation ändert sich das Streuverhalten der magnetischen Nanopartikel, was wiederum zu einem sich ändernden Rückstreuverhalten führt. Diese Änderungen können mittels leistungsarmen elektromagnetischen Wellen detektiert werden. In dieser Arbeit wird die Detektierbarkeit und Bildgebung von magnetischen Nanopartikeln mittels Ultrabreitband-Sensorik im Mikrowellenfrequenzbereich in Hinblick auf die Brustkrebsdetektion betrachtet. Dabei werden zunächst verschiedene Einflussfaktoren, wie die Abhängigkeit der Masse der magnetischen Nanopartikel, die Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfeldes sowie die Viskosität des Umgebungsmediums, in das die Nanopartikel eingebettet sind, auf die Detektierbarkeit der magnetischen Nanopartikel untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Radarsignal und der Masse der magnetischen Nanopartikel sowie einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Antwort der magnetischen Nanopartikel und der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Darüber hinaus konnten die magnetischen Nanopartikel für alle untersuchten Viskositäten erfolgreich detektiert werden. Basierend auf diesen Voruntersuchungen wird ein realistischer Messaufbau für die kontrastbasierte Brustkrebsbildgebung vorgestellt. Die Evaluierung des Messaufbaus erfolgt mittels Phantommessungen, wobei die verwendeten Phantommaterialien die dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe imitieren, um eine möglichst hohe Aussagekraft der Ergebnisse hinsichtlich eines praktischen Messszenarios zu erhalten. Dabei wird die Detektierbarkeit und Bildgebung der magnetischen Nanopartikel in Abhängigkeit der Tumortiefe analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die magnetischen Nanopartikel erfolgreich detektiert werden können. Dabei hängt im dreidimensionalen Bild die Intensität des Messsignals, hervorgerufen durch die magnetischen Nanopartikel, von deren Position ab. Die Ursachen hierfür sind die pfadabhängige Dämpfung der elektromagnetischen Wellen, die inhomogene Ausleuchtung des Mediums mittels Mikrowellen, da eine gleichmäßige Anordnung der Antennen aufgrund der Magnetpole des Elektromagneten nicht möglich ist, sowie das inhomogene polarisierende Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsmediums. In Bezug auf den letzten Aspekt wird das Magnetfeld im Untersuchungsbereich ausgemessen und ein Ansatz präsentiert, mit dem die Inhomogenität des Magnetfeldes kompensiert werden kann. Weiterhin wurden die Störeinflüsse des polarisierenden Magnetfeldes auf das Messsystem untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Modulationsarten (eine Modulation mit den zwei Zuständen AN/AUS und eine periodische Modulation) des äußeren polarisierenden Magnetfeldes analysiert. Es wird gezeigt, dass mit beiden Modulationen die magnetischen Nanopartikel bildgebend dargestellt werden können. Abschließend werden die Ergebnisse in Hinblick auf die Störeinflüsse sowie ein praktisches Anwendungsszenario diskutiert.
Electromagnetic ultra-wideband sensing and imaging provide promising perspectives in various biomedical applications as these waves can penetrate biological tissue. The use of low-power and nonionizing electromagnetic waves in the microwave frequency range offers an examination method that is harmless to health. One of the challenges in the field of ultra-wideband microwave sensor technology is the extraction of diagnostically relevant information from the measurement data, since the complex wave propagation in tissue usually requires computationally intensive methods. This problem is simplified when the scattering properties of the object under observation change with time. Such a time variance of the scattering properties can be exploited by means of a differential measurement over a certain time interval. In this work, a differential approach using ultra-wideband sensing is considered for two medical applications. The measurement systems used in this work are based on the M-sequence technology developed at the Technische Universität Ilmenau. The first application relates to noninvasive temperature monitoring using ultra-wideband technology during hyperthermia treatment. Hyperthermia is a thermal therapy to support oncological treatments (e.g. chemotherapy or radiotherapy). During such a treatment, the tumor tissue is heated by 4 °C to 8 °C, whereby it is important that the temperature does not exceed the upper limit of 45 °C. In this context, differential ultra-wideband monitoring offers a promising technique for continuous and noninvasive temperature monitoring inside the body. The approach is based on the temperature-dependent dielectric properties of biological tissue. In this method, low power electromagnetic waves are emitted into the medium under investigation. These waves propagate according to the dielectric properties of tissue. If a target region (e.g. tumor) is heated, its dielectric properties will change, which leads to a changing scattering behavior of the electromagnetic wave. These changes can be detected in the measured reflection signals using ultra-wideband microwave technology. To evaluate the measured changes in the radar signal, it is necessary to know the temperature-dependent dielectric properties of tissue in the microwave frequency range. Due to the lack of knowledge of temperature-dependent dielectric properties of tissues over a wide microwave frequency range, the dielectric properties for liver, muscle, fat and blood in the temperature range between 30 °C and 50 °C from 500 MHz to 7 GHz are acquired in this work. For this purpose, a measurement setup for the temperature-dependent dielectric spectroscopy of tissue, tissue substitutes and fluids is presented. Furthermore, the main influences on measuring the temperature-dependent dielectric properties are analyzed. The measured data are modeled using a temperature-dependent Cole-Cole model in order to calculate the dielectric properties for arbitrary values in the investigated temperature and frequency range. In a further experiment, the noninvasive detection of temperature changes using ultra-wideband microwave technology is demonstrated in an experimental measurement setup. The results show that a temperature change of 1 °C results in differential signals that are detectable by means of ultra-wideband pseudo-noise sensing (M-sequence). The second application is dealing with contrast enhanced microwave breast cancer imaging. Due to the physiologically given low dielectric contrast between glandular and tumor tissue, the use of contrast agents, specifically magnetic nanoparticles, can improve the diagnostic reliability. The approach is based on the assumption that functionalized magnetic nanoparticles are able to selectively accumulate in tumor tissue after intravenous administration. Provided that a sufficient amount of nanoparticles has accumulated in the tumor, they can be modulated by an external polarizing magnetic field. Due to the modulation, the scattering behavior of the magnetic nanoparticles changes, which results a changing backscattering behavior. This change can be detected using low-power electromagnetic waves. In this work, the detectability and imaging of magnetic nanoparticles by means of ultra-wideband pseudo-noise sensing in the microwave frequency range is considered with respect to breast cancer detection. First, various influencing factors on the detectability of the magnetic nanoparticles are investigated, such as the mass of the magnetic nanoparticles, the magnetic field strength of the external polarizing magnetic field and the viscosity of the surrounding medium in which the nanoparticles are embedded. The results reveal a linear dependence between the measured radar signal and the mass of the magnetic nanoparticles as well as a nonlinear relationship between the response signal of the magnetic nanoparticles and the magnetic field intensity of the external magnetic field. Furthermore, the magnetic nanoparticles can be successfully detected in all investigated viscosities of the surrounding medium. Based on these preliminary investigations, a realistic measurement setup for contrast enhanced microwave breast cancer imaging is presented. The evaluation of the measurement setup is performed by phantom measurements, where the used phantom materials mimic the dielectric properties of biological tissue to obtain significance of the results with respect to a practical measurement scenario. In this context, the detectability and imaging of the magnetic nanoparticles are analyzed depending on the tumor position and penetration depth, respectively. The results show that the magnetic nanoparticles can be successfully detected. However, the magnetic poles of the electromagnet limit the space for the transmitting and receiving antennas, resulting in an inhomogeneous microwave illumination of the medium under test, which leads to a location-dependent magnetic nanoparticle response. Furthermore, the intensity of the response signal caused by the magnetic nanoparticles in the three-dimensional image depends on their position due to the path-dependent attenuation and the inhomogeneous magnetic field within the investigated medium. Regarding the last point, the external polarizing magnetic field is measured in the investigation area and an approach to compensate for the inhomogeneity of the magnetic field is presented. In addition, the disturbing influences of the polarizing magnetic field on the measurement setup are analyzed. In this context, two different modulation types (a two-state and a periodic modulation) of the external polarizing magnetic field are investigated. It is shown that both modulations can be used to image the magnetic nanoparticles. Finally, the results are discussed with respect to the spurious effects as well as a practical application scenario.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: