Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων εστίασης παθητικού συστήματος μικροκυματικής ραδιομετρίας με τη χρήση κατευθυντικών κεραιών

Abstract

Με τον κλάδο της βιοϊατρικής τεχνολογίας να εξελίσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια, η εφαρμογή μικροκυματικών τεχνολογιών έχει επεκταθεί στο χώρο της ιατρικής, καθώς γίνονται έρευνες με σκοπό την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων τους στη διαγνωστική, αλλά και στη θεραπευτική ιατρική. Σε αυτό το ερευνητικό πλαίσιο κατά τη διάρκεια εκπόνησης διδακτορικής διατριβής κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσοβείου Πολυτεχνείου και λειτουργεί από το 2003 ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (MiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στο εν λόγω σύστημα χρησιμοποιείται μια αγώγιμη ελλειψοειδής κοιλότητα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ραδιομετρικούς δέκτες και κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1-4GHz. Οι κεραίες λήψης που είχαν χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά ήταν παγκατευθυντικές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται για πρώτη φορά θεωρητική μελέτη των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος με χρήση κατευθυντικών κεραιών καθώς και συνδυασμού κεραιών με ολίσθηση φάσης. Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του προγράμματος HFSS (High Frequency Structure Simulator, Ansoft Corporation), το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM: Finite Element Method). Αρχικά (Κεφάλαια 2-3), εξετάζεται η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος μέσω της χρήσης κατευθυντικών κεραιών (ελικοειδής κεραία, κεραία μικροταινίας) ως κεραίες λήψης. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 4), εξετάζεται η δυνατότητα συνδυαστικής λειτουργίας του συστήματος MiRaIS με ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου. Στην πρώτη περίπτωση (Κεφάλαια 2-3), τα αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι η χρήση της κεραίας μικροταινίας είναι καταλληλότερη για χρήση εντός του συστήματος MiRaIS, καθώς παρουσιάζεται ικανοποιητικό βάθος διείσδυσης με μικρότερο ποσοστό ανακλάσεων στη διεπαφή αέρα-μοντέλο εγκεφάλου. Παράλληλα, εξετάστηκε η χρήση στοιχειοκεραίας μικροταινίας δύο στοιχείων, η οποία τροφοδοτείται με διαφορά φάσης μεταξύ των στοιχείων της, το οποίο έδειξε ότι η περιοχή εστίασης πραγματοποιεί γραμμική σάρωση στο χώρο εντός του μοντέλου εγκεφάλου, το οποίο ενισχύει τις προσδοκίες ότι στο άμεσο μέλλον η χρήση στοιχειοκεραιών θα μεγαλώσει τις διαστάσεις και θα βελτιστοποιήσει τη σάρωση της περιοχής εστίασης στις τομογραφικές απεικονίσεις, χωρίς τη μετακίνηση του εξεταζόμενου στο χώρο. Στη δεύτερη περίπτωση (Κεφάλαιο 4), τα αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι οι ιδιότητες εστίασης του συστήματος MiRaIS δεν επηρεάζονται κατά τη συνδυαστική λειτουργία του με ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και φασματοσκοπία εγγύς υπερύρθρου. Το αποτέλεσμα αυτό επιδυκνείει τη δυνατότητα μελλοντικά της συνδυαστικής λειτουργίας τριών τεχνικών εγκεφαλικής λειτουργικής απεικόνισης ενοποιημένες σε ένα σύστημα.

In the framework of a PhD Thesis which was carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA) in 2003, a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS) was designed and constructed for brain diagnostic applications. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity to achieve maximum peak of radiation pattern in order to measure the intensity of the microwave energy, radiated by the medium of interest, by using microwave radiometers and receiving antennas within the range of 1-4GHz. All the experiments performed to date comprised the use of dipole or discone antennas, i.e. omnidirectional antennas placed on one ellipsoidal focus point while the area of phantom or subject head to be monitored was placed at the other focal area of the ellipsoidal reflector. In the present thesis, it is investigated for the first time the effect of the use of directive antennas as receiving antennas on the system’s focusing properties and specifically the use of helical antenna, patch antennas and patch antennas’ phased array setups to achieve scanning of the areas under measurement in a simulation study. The theoretical study was conducted using HFSS (High Frequency Structure Simulator, Ansoft Corporation), which is a commercially available software tool that uses the Finite Element Method (FEM) in order to compute the electrical behaviour of the components designed and simulated. Initially (Chapters 2-3), the optimization of the system’s focusing properties is being investigated in a simulation study when directive microwave antennas (Helical, Microstrip Patch Antenna) are used as receiving antennas. Following (chapter 4), a simulation study was conducted to identify whether the focusing properties of MiRaIS are affected when used in conjunction with concurrent EEG and near-infrared spectroscopy measurements (fNIR). In the first case (Chapters 2-3), simulation results show that the Microstrip Patch Antenna is more suitable as receiving antenna than the Helical Antenna. Clear focusing is achieved inside the head models at 1.53GHz. In the case of two element microstrip patch antennas, the “hot spot” performs a linear scan around the brain area of interest while the phase difference of the two microstrip patch antennas significantly affects the way the scanning inside the head model is achieved. In the near future, phased array antennas with multiband and more elements will be used in order to enhance and increase the dimensions and scanning of the focusing area toward the acquisition of tomography images without the need of subject movement. In the second case (Chapter 4), simulation results of the electric field distributions inside the entire proposed imaging system illustrate the potential of integrating the three techniques into a single non-invasive monitoring intracranial system, without raising any electromagnetic compatibility issues.