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

Abstract

The present PhD thesis focuses on the study, implementation and evaluation of innovative non-invasive ultrasound and microwave imaging systems. The advances in technology enable the development of modern low-cost imaging systems based on non-ionizing radiation for the early detection of cancer as well as for the monitoring and study of neurophysiological functions. In the fight for early detection of cancer, diagnostic imaging systems play a leading role. They are the most important tool available to medical personnel to identify and diagnose possible tumors. In addition, with the use of microwave technology the possibility of a non-invasive study of the neurophysiological functions of the brain is examined. With the rationale and the belief that technology should be fully utilized to upgrade the health care provided, the scope of this thesis was delineated.The first part of the dissertation focused on the design and development of a prototype ultrasound tomography system of the human breast from reflection data. In order to obtain the reflections, a prototype circuit board was designed and implemented, protecting the receiving circuit from the high voltage drive of the ultrasonic transducers while simultaneously amplifying the weak signal received by the transducers. Subsequently, some acoustic parameters of the gel wax were measured and the latter was examined for its suitability for use as a human breast phantom. The first part of the dissertation was completed with the development and implementation of image reconstruction algorithms for the depiction of breast phantoms. The Radon transform was applied to the reflection data as well as a new image reconstruction algorithm was implemented. The new algorithm was based on the geometric solution of the problem and relates to the topology of the particular system. To achieve better precision of reconstruction, an image optimization process was followed.In the second part of the dissertation three prototype systems were studied, two of which were microwave radiometry systems for brain monitoring and the third one was a microwave tomography system for breast cancer detection. For the first microwave radiometry system the spatial sensitivity of the system and the detection depth in the brain were studied using various dielectric materials at different frequencies to improve the matching of air to the human head. The second microwave radiometry system is an improved version of the first system, being more compact, portable and low cost. Computer simulations, brain phantom experiments and in vivo measurements were performed to determine the new system’s capabilities and to examine its functionality. Finally, the possibility of detecting cancerous tumors in an anatomically realistic breast model with a microwave tomography system with elliptical co-planar antennas in a circular configuration around the breast was examined.

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.