Συμβολή στην ανάπτυξη μεθόδων μη-ιοντιζουσών ακτινοβολιών για την ανίχνευση του καρκίνου και τη μελέτη νευροφυσιολογικών λειτουργιών

Abstract

H παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη, υλοποίηση και αξιολόγηση καινοτόμων μη επεμβατικών απεικονιστικών συστημάτων με χρήση υπερήχων και μικροκυμάτων. Η πρόοδος της τεχνολογίας επιτρέπει την ανάπτυξη σύγχρονων απεικονιστικών συστημάτων χαμηλού κόστους βασιζόμενων σε μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου καθώς και για την παρακολούθηση και μελέτη νευροφυσιολογικών λειτουργιών. Στον αγώνα για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου, τα διαγνωστικά απεικονιστικά συστήματα κατέχουν τον πρωταρχικό ρόλο. Αποτελούν το σημαντικότερο εργαλείο στη διάθεση του ιατρικού προσωπικού για τον εντοπισμό και τη διάγνωση πιθανών όγκων. Επιπλέον, με τη χρήση της μικροκυματικής τεχνολογίας εξετάζεται η δυνατότητα μη επεμβατικής μελέτης των νευροφυσιολογικών λειτουργιών του εγκεφάλου. Με τη λογική και την πεποίθηση πως η τεχνολογία πρέπει να αξιοποιηθεί στο έπακρο για την αναβάθμιση της παρεχόμενης περίθαλψης οριοθετήθηκε το πλαίσιο αυτής της διατριβής. Το πρώτο μέρος της διατριβής επικεντρώθηκε στη σχεδίαση και ανάπτυξη ενός πρωτότυπου συστήματος υπερηχητικής τομογραφίας του ανθρώπινου μαστού από ανακλώμενα κύματα υπερήχων. Για τη λήψη των ανακλάσεων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια πρωτότυπη πλακέτα που λειτουργεί ως διακόπτης, προστατεύοντας το κύκλωμα λήψης από τις υψηλές τάσεις οδήγησης των μετατροπέων υπερήχων με ταυτόχρονη ενίσχυση του ασθενούς σήματος που λαμβάνεται από τους μετατροπείς. Στη συνέχεια, μετρήθηκαν ορισμένες ακουστικές παράμετροι της γέλης κεριού και εξετάστηκε η καταλληλότητα της ως υλικό κατασκευής ομοιώματος ανθρώπινου μαστού. Το πρώτο μέρος της διατριβής ολοκληρώθηκε με την ανάπτυξη και εφαρμογή αλγορίθμων ανακατασκευής εικόνας για την απεικόνιση των ομοιωμάτων μαστού. Εφαρμόσθηκε ο μετασχηματισμός Radon στα δεδομένα ανάκλασης καθώς επίσης υλοποιήθηκε ένας νέος αλγόριθμος ανακατασκευής εικόνας. Ο νέος αλγόριθμος βασίστηκε στη γεωμετρική επίλυση του προβλήματος και αφορά την τοπολογία του συγκεκριμένου συστήματος. Για την επίτευξη καλύτερης ακρίβειας ανακατασκευής ακολουθήθηκε μια διαδικασία βελτιστοποίησης των εικόνων. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής μελετήθηκαν 3 πρότυπα συστήματα, εκ των οποίων τα δύο ήταν συστήματα μικροκυματικής ραδιομετρίας εγκεφάλου και το τρίτο ένα σύστημα μικροκυματικής τομογραφίας μαστού. Για το πρώτο σύστημα μικροκυματικής ραδιομετρίας εγκεφάλου μελετήθηκε η χωρική ευαισθησία του συστήματος και το βάθος ανίχνευσης στον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας διάφορα διηλεκτρικά υλικά σε διαφορετικές συχνότητες για τη βελτίωση της προσαρμογής του αέρα με το ανθρώπινο κεφάλι. Το δεύτερο σύστημα μικροκυματικής ραδιομετρίας αποτελεί μια βελτιωμένη έκδοση του πρώτου συστήματος με μικρότερο όγκο, πιο ευκίνητο και με χαμηλότερο κόστος κατασκευής. Στο νέο σύστημα πραγματοποιήθηκαν υπολογιστικές προσομοιώσεις, πειράματα με ομοιώματα εγκεφάλου καθώς και μετρήσεις in vivo για τον προσδιορισμό των δυνατοτήτων του και τον έλεγχο λειτουργίας του. Τέλος, μελετήθηκε η δυνατότητα ανίχνευσης καρκινικού όγκου σε ανατομικά ρεαλιστικό μοντέλο μαστού με ένα σύστημα μικροκυματικής τομογραφίας με ελλειπτικές ομοεπίπεδες κεραίες σε κυκλική διάταξη γύρω από το μαστό.