Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε μία εφαρμογή, η οποία προσδιορίζει τις τρεις πρώτες συχνότητες συντονισμού της φωνητικής κοιλότητας κατά τη διαδικασία της φώνησης φωνηέντων. Οι τρεις αυτές συχνότητες παρέχουν επαρκή πληροφορία για τον προσδιορισμό του φωνήεντου. Η φώνηση εξομοιώνεται με σήμα εισόδου το οποίο παρουσιάζει κορυφές σε αναμενόμενες περιοχές συχνοτήτων. Ο προσδιορισμός των συχνοτήτων συντονισμού στηρίζεται στη μέθοδο βραχύχρονης ανάλυσης Fourier. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε σε περιβάλλον μVision της Keil, σε γλώσσα προγραμματισμού C, για τον μικροελεγκτή STM32F103RB της ST Microelectronics. / In the context of this thesis an application was developed, that is capable of estimating the first three formant frequencies (resonances of the vocal tract) in the event of voicing of vowels. These three frequencies provide us enough information to determine the vowel that is voiced. The human voice is being emulated by an input signal which has peaks in the anticipated frequency regions. The formant frequencies are being estimated based on the short-time Fourier analysis method. The application was developed in Keil μVision programming suite, in C programming language, for the STM32F103RB microcontroller by ST Microelectronics.

Η εφαρμογή της μικροκυματικής ραδιομετρίας έχει επεκταθεί στο χώρο της ιατρικής, καθότι τα τελευταία χρόνια γίνονται έρευνες με σκοπό την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της μεθόδου στη διαγνωστική αλλά και στη θεραπευτική ιατρική. Στα πλαίσια μιας διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και ολοκληρώθηκε το 2003, κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στη συγκεκριμένη μέθοδο χρησιμοποιείται μια αγώγιμη ελλειψοειδής κοιλότητα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ραδιομετρικούς δέκτες ολικής ισχύος και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1-4GHz. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός νέου μικροκυματικού ραδιομετρικού συστήματος. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτήν του MiRaIS, δηλαδή πλήρως παθητική και μη επεμβατική. Η βασική διαφορά του είναι ότι χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη ελλειψοειδή κοιλότητα η οποία βελτιώνει την εργονομία του συστήματος διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στη θεωρητική μελέτη, με τη βοήθεια του λογισμικού High Frequency Structure Simulation (HFSS) που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, αναλύονται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (πχ. βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών και υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης (Left Handed Materials-LHM). Στην πρώτη περίπτωση, τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται ως στρώματα προσαρμογής που τοποθετούνται γύρω από το μοντέλο κεφαλιού για την επίτευξη βηματικής αλλαγής του δείκτη διάθλασης στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλου ανθρώπινου κεφαλιού. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται μια σφαίρα από διηλεκτρικό σε συνδυασμό με ένα στρώμα προσαρμογής από LHM για την καλύτερη εστίαση του συστήματος. Προς την ίδια κατεύθυνση, στη δεύτερη αυτή περίπτωση χρησιμοποιείται επίσης ένας ελλειψοειδής ανακλαστήρας μειωμένου όγκου το εσωτερικό του οποίου είναι γεμάτο με διηλεκτρικό με χαμηλές απώλειες, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού (phantoms) σε διάφορα μεγέθη και θερμοκρασίες για την επιβεβαίωση της διατήρησης των ιδιοτήτων εστίασης του νέου ελλειψοειδούς ανακλαστήρα. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής φτιαγμένα από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / In the framework of a PhD thesis which was completed 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 two microwave total power radiometers and relevant non-contacting antennas within the range of 1-4GHz. In the present thesis, a new microwave radiometry system is theoretically and experimentally studied. It has the same operation principal with MiRaIS as it operates in an entirely non-invasive and passive manner. Its main difference is that it comprises a modified ellipsoidal cavity which improves the system’s ergonomy preserving the focusing properties of the original cavity. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials and left-handed materials (LHM) are tested with the use of a commercially available software tool, High Frequency Structure Simulation (HFSS). In the first case, those materials are used as matching layers placed around the human head model for the achievement of stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. On the second approach, a sphere made of dielectric material is used in conjunction with a LHM matching layer in order to improve the system’s spatial sensitivity. Towards the same direction, a reduced volume ellipsoidal cavity filled with low loss dielectric material is used showing promising results. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy avoiding any external intergerence. In the experimental procedures that were performed, water phantoms of several sizes and temperatures were used in order to confirm that the new ellipsoidal beamformer maintains the focusing properties of the original one. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials in the system’s focusing properties as well as confirm the relative theoretical results.

Τα κριτήρια σχεδιασμού στις σύγχρονες κατασκευές και κυρίως στην αεροναυπηγική και ναυπηγική βιομηχανία, στοχεύουν στην παραγωγή δομικών στοιχείων με μειωμένο βάρος και χαμηλότερο κόστος, ενώ ταυτόχρονα, απαιτείται να παρουσιάζουν υψηλότερες επιδόσεις και ικανοποιητική δομική ασφάλεια. Οι στόχοι αυτοί έχουν διαμορφώσει μια σχεδιαστική τάση η οποία οδηγεί στην αντικατάσταση των ‘παραδοσιακών’ διαφορικών δομών (differential structures) με ‘σύγχρονες’ ολοκληρωμένες δομές (integral structures). Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του βάρους χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς λειτουργίας αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Η αυξημένη παραγωγή δομικών στοιχείων ολοκληρωμένων δομών έχει οδηγήσει σε συνεχή αύξηση της εφαρμογής διεργασιών συνένωσης με έμφαση στις προηγμένες διεργασίες συγκόλλησης. Οι διεργασίας συγκόλλησης οι οποίες, λόγω των πλεονεκτημάτων τους, βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογίας είναι η Συγκόλληση με Τριβή και Ανάμιξη (Friction Stir Welding – FSW) και η Συγκόλληση με Ακτίνα Λέιζερ (Laser Beam Welding – LBW). Η εφαρμογή συγκολλήσεων στην παραγωγή ολοκληρωμένων δομών έχει πολλά τεχνολογικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων τύπων σύνδεσης, ωστόσο, συνοδεύονται από την ανάπτυξη Παραμενουσών Τάσεων και στρεβλώσεων στο τελικό προϊόν, κάτι το οποίο, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα. Συγκεκριμένα, οι στρεβλώσεις επηρεάζουν τη λειτουργικότητα του δομικού στοιχείου, αφού μεταβάλλουν την γεωμετρία του, ενώ οι παραμένουσες τάσεις, αναπροσαρμόζοντας το εσωτερικό εντατικό πεδίο, επιδρούν στη δομική τους ακεραιότητα. Όπως είναι γνωστό με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. ταχύτητα συγκόλλησης, ισχύς κτλ) μπορεί να επιτευχθεί μείωση των αναπτυσσόμενων παραμενουσών τάσεων και στρεβλώσεων. Επίσης, τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι η προσομοίωση μιας διεργασίας συγκόλλησης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού των παραμέτρων της. Για το λόγο αυτό, μεγάλο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας στην περιοχή των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης έχει στραφεί προς την ανάπτυξη αξιόπιστων μεθοδολογιών προσομοίωσης, οι οποίες με δεδομένο (input data) τις παραμέτρους της διεργασίας μπορούν να δώσουν σαν αποτέλεσμα (output data) κρίσιμες απαντήσεις όσον αφορά στις τεχνολογικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μεθόδων θερμομηχανικής προσομοίωσης των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης FSW και LBW με κύριο στόχο την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων καθώς και τη μελέτη της επίδρασης τους στη δομική ακεραιότητα των παραγόμενων δομικών στοιχείων. Ένα από τα σημαντικότερα και ίσως το κρισιμότερο στάδιο κατά την προσομοίωση μιας θερμομηχανικής διεργασίας είναι η εξομοίωση της θερμικής πηγής και ο υπολογισμός του θερμικού φορτίου, γιατί μια εσφαλμένη εκτίμηση του θερμικού φορτίου προκαλεί λανθασμένη πρόβλεψη της θερμοκρασιακής κατανομής και κατά συνέπεια εισάγει σφάλματα στον υπολογισμό των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων. Στη βάση αυτή, τόσο για την περίπτωση της FSW όσο και για την LBW αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για τον προσδιορισμό των θερμικών πηγών τους και συνοδεύτηκαν από θερμικά μοντέλα για την πρόβλεψη του θερμοκρασιακού ιστορικού. Ακολούθως, το θερμοκρασιακό ιστορικό ασκείται υπό τη μορφή εξωτερικού φορτίου σε ένα θερμομηχανικό μοντέλο από όπου υπολογίζονται οι παραμένουσες τάσεις και οι στρεβλώσεις της διεργασίας. Τέλος, η εσωτερική εντατική κατάσταση του συγκολλημένου δομικού στοιχείου συνυπολογίζεται στο εντατικό πεδίο λόγω της φόρτισης λειτουργίας της κατασκευής και γίνεται πρόβλεψη των συντελεστών έντασης τάσης (Stress Intensity Factors - SIFs ) έτσι ώστε να εκτιμηθεί η επίδρασης της συγκόλλησης στη δομική ακεραιότητα. Τόσο το θερμομηχανικό όσο και το θραυστομηχανικό μοντέλο μπορούν να προσαρμοσθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους σύνδεσης και ρηγμάτωσης, αντίστοιχα. / The design criteria in modern structures aim to the production of components with reduced weight and low cost, as well as, with higher performance and increased safety. The above goals lead to a tendency of replacing traditional differential structures with more modern integral structure, mainly in aeronautic sector where the weight and cost reduction, without decrease of safety, comprises the main target of the current research effort. The production of integral structures requires the adaptation of existing forming processes as well as the development and optimization of advanced welding processes. The most promising welding processes in aeronautics and maritime industries currently are the Friction Stir Welding–FSW and Laser Beam Welding-LBW. Despite of the many technological advantages of FSW and LBW process, their application in the production of integral structures leads to the development of Residual Stress (RS) and distortion fields which can cause significant problems. Specifically, distortions can effect on the components assembly, while, RS affect the structural integrity. However, an appropriate selection of process parameters can significantly reduce the RS and distortions levels. The usual way to optimize process parameters is experimental trial and error approach; recently, process simulation has been proven efficient, too. The present work aims to the development of efficient methodologies for the thermomechanical simulation of FSW and LBW processes in order to predict temperature history, as wells as RS and distortion fields. Consequently, the RS field is used for the determination of the welding effects on the structural integrity of the welded component. Generally, the reliability of a simulation methodology of any thermo-mechanical process, such as welding, is seriously affected by many parameters; two of them are very base, namely, the accurate determination of the heat input introduced to the material (thermal load) and the accurate representation of thermal and mechanical boundary conditions. As the boundary conditions determined by the welder and it is usually easy to transfer in a numerical model, one of the most difficult simulation issues is the appropriate determination of the heat input which will lead to an accurate prediction of the material temperature history. For this reason, one of the main objectives of the present work is to develop methodologies for the accurate thermal load calculation in both FSW and LBW processes. After the validation of the developed methodologies with respect to experimental measurements, the defined heat sources are used in global thermal models in order to predict the temperature histories which, thereinafter, are introduced in the thermo-mechanical models to predict the developed RS and distortion fields. Finally, the structural integrity of the welded component, under the effect of both RS field and service loading is studied; different possible ‘fracture scenarios’ are investigated based on the Stress Intensity Factor concept and the Elastic Fracture Mechanics principles.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μία προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου, το οποίο μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος της υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτή του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μια ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση, που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασής της, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στη θεωρητική μελέτη, με χρήση του λογισμικού xFDTD που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, ερευνώνται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών. Τα υλικά αυτά τοποθετούνται στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς καθώς και γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής για την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Στην πρώτη προσέγγιση, το εσωτερικό του ελλειψοειδούς ανακλαστήρα γεμίζει με διηλεκτρικό υλικό χαμηλών απωλειών, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται ένα ημισφαίριο από διηλεκτρικό γύρω από το μοντέλο κεφαλιού, με τα αποτελέσματα να δείχνουν την αντίστοιχη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και παράλληλα σημαντική μείωση των ανεπιθύμητων περιοχών εστίασης της ενέργειας. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Παράλληλα με τα πειράματα υπερθερμίας, μελετήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου της μικροκυματικής ραδιομετρίας με τη γεωμετρία του προτεινόμενου συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας θα μπορούσε να παρέχει τον έλεγχο της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για τη συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave, and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in this paper. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomy retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present study, theoretical modelling and experimentation of the proposed system was carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials are tested with the use of a commercially available software tool, xFDTD (x-Finite Difference Time Domain). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. In the first approach, the ellipsoidal volume is filled with a low loss dielectric material in order to improve the system’s spatial sensitivity. In the second approach, a hemi-sphere also filled with a dielectric material is placed around the human head model and the results revealed the improvement of the system’s spatial sensitivity and the reduction of the undesirable auxiliary energy-absorbing areas. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding any external interference. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy-absorbing areas at the irradiation frequency, and during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μια προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα μικροκυματικό σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS), το οποίο παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης των μεταβολών της θερμοκρασίας και της αγωγιμότητας της υπό εξέταση περιοχής σε πραγματικό χρόνο και μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια παλαιότερης διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του συστήματος είναι όμοια με εκείνη του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μιας ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε αρχικά η θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό την εξακρίβωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος και στη συνέχεια επιχειρήθηκε η βελτίωση των ιδιοτήτων αυτών με χρήση διατάξεων διηελκτρικών υλικών, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Η θεωρητική ηλεκτρομαγνητική μελέτη του συστήματος έγινε με τη χρήση ενός εμπορικά διαθέσιμου υπολογιστικού πακέτου προσομοίωσης (XFdtd, Remcom Inc.), το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου για την επίλυση ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων. Ερευνώνται τρεις διατάξεις διηλεκτρικών υλικών με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, οι οποίες επικεντρώνονται στη μελέτη του βάθους διείσδυσης της ακτινοβολίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Τα υλικά τοποθετούνται είτε στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς είτε γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής, με σκοπό την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των διηλεκτρικών υλικών, καθώς παρουσιάζεται βελτίωση και στις δυο παραμέτρους των ιδιοτήτων εστίασης, ανάλογα με τη διάταξη που χρησιμοποιείται, τη θέση του μοντέλου κεφαλιού στο εσωτερικό του συστήματος και τη συχνότητα λειτουργίας. Για τη διενέργεια των πειραμάτων, η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, ο οποίος εξασφαλίζει την απομόνωσή της από τον περιβάλλοντα χώρο. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για την εκάστοτε συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση των μεταβολών της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Επίσης, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετήθηκαν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος και βοήθησαν στην πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης της παρουσίας τους στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και στην επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in the present PhD thesis. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a previous PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomics retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present work, theoretical modeling and experimentation of the proposed system is carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, three setups are investigated for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials. The research is carried out with the use of a commercially available software tool, XFdtd (Remcom Inc.). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. The results revealed the possible advantages of using matching dielectric materials, as improvement on the focusing properties of the system is clearly observed, depending on the setup used, the position of the head model inside the system and the operating frequency. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding all possible EMC/EMI issues. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy absorbing areas at the irradiation frequency, while during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην τεχνολογική εξέλιξη του κόσμου τα τελευταία 50 χρόνια. Από τα ραντάρ μέχρι τη Μικροκυματική Ραδιομετρία, η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων έχει χρησιμοποιηθεί για έναν αυξανόμενο αριθμό εφαρμογών σε διάφορα επιστημονικά πεδία, μεταξύ των οποίων η χαρτογράφηση του εδάφους, ο καθορισμός της υγρασίας του εδάφους, η θερμογραφία και η ανίχνευση του καρκίνου του μαστού. Έτσι, οι μικροκυματικοί αισθητήρες, διαθέτοντας την ικανότητα να διαπερνούν πολλά είδη μέσων (πχ. σύννεφα, βιολογικοί ιστοί), έχουν μια σημαντική θέση ανάμεσα σε άλλες τεχνικές μέτρησης. Η Μικροκυματική Ραδιομετρία αποτελεί ένα σημαντικό τομέα της επιστημονικής έρευνας και εφαρμογής της ανίχνευσης με τη χρήση μικροκυμάτων, καθώς αποτελεί μια παθητική μέθοδο ανίχνευσης της φυσικά εκπεμπόμενης χαοτικής θερμικής ακτινοβολίας από κάθε σώμα που βρίσκεται σε θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδενός (-273 Κελσίου). Ένα μικροκυματικό ραδιόμετρο είναι η συσκευή που χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή ραδιομετρικών μετρήσεων. Η ραδιομετρία έχει αποτελέσει ένα σημαντικό τομέα έρευνας όχι μόνο για την αξιολόγηση της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της γης, αλλά και για την περαιτέρω διερεύνηση των παθητικών μετρήσεων, με σημαντικές εφαρμογές ειδικά στον τομέα της βιοϊατρικής. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μελετήθηκε σε θεωρητικό και πειραματικό επίπεδο η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων ανίχνευσης ενός Τρισδιάστατου Συστήματος Παθητικής Μικροκυματικής Ραδιομετρικής Απεικόνισης για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Η καινοτομία της προτεινόμενης μεθόδου έγκειται στη χρήση μιας αγώγιμης ελλειψοειδούς κοιλότητας που δρα σαν μορφοποιητής δέσμης, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση της ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ευαίσθητους ραδιομετρικούς δέκτες και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1 – 4 GHz. Η μέτρηση πραγματοποιείται με την τοποθέτηση του ανθρώπινου εγκεφάλου στην περιοχή της πρώτης εστίας και τη λήψη της ακτινοβολίας που συγκλίνει, μέσω ανάκλασης στα τοιχώματα του ελλειψοειδούς, στη δεύτερη εστία. Εκεί είναι τοποθετημένη η κεραία λήψης που συνδέεται στον ευαίσθητο ραδιομετρικό δέκτη. VI Με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίησή του και ακολούθησε εκτενής ηλεκτρομαγνητική μελέτη για την ανάλυση της επίδρασης διατάξεων προσαρμογής από κατάλληλα υλικά στο εσωτερικό της ελλειψοειδούς κοιλότητας. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως με τη σωστή επιλογή των υλικών και των ιδιοτήτων τους, είναι δυνατό να επιτευχθεί σημαντική βελτίωση του βάθους ανίχνευσης του κατωφλίου ανίχνευσης θερμοκρασίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Τα πειράματα με ομοιώματα που πραγματοποιήθηκαν, επαληθεύουν τις βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος καθώς επίσης και την ευεργετική επίδραση των διατάξεων προσαρμογής στις ιδιότητες εστίασής του, που μελετήθηκαν θεωρητικά στο πρώτο στάδιο της έρευνας,. Τέλος, οι πειραματικές διαδικασίες, που σχεδιάστηκαν με βάση πιθανές κλινικές εφαρμογές του συστήματος, δείχνουν ότι έχει βασικά χαρακτηριστικά και ιδιότητες ώστε να αποτελέσει στο μέλλον κλινικό, διαγνωστικό εργαλείο. / Microwave sensing has played an increasingly significant role in the world’s technological advances over the past 50 years. From radar to radiometry, microwave sensing has been used for a large number of applications, including ground mapping, soil moisture determination, thermography, and breast cancer detection. With the ability to safely penetrate many kinds of media (e.g., clouds or biological specimens), microwave sensors find a significant place among other modalities of measurement. Microwave radiometry is an important scientific research and application area of microwave sensing because it provides a passive sensing technique for detecting naturally emitted chaotic thermal radiation by any material object being above the absolute zero temperature (-273 Celsius). A microwave radiometer is the device used to conduct radiometric measurements. While radiometry has been a significant research field for atmospheric and earth surface evaluations, it lends itself to further exploration of passive measurements, with significant applications especially in the biomedical field. In the framework of the present PhD Thesis, a theoretical and experimental optimization study of the sensing capabilities of a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System for brain diagnostic applications was performed. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity acting as a beamformer 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 sensitive microwave radiometers and relevant non – contacting antennas within the range of 1 – 4 GHz. The measurement is realized by placing the human brain in the region of the first focus and collecting the radiation converged at the second focus by a receiving antenna connected to the sensitive radiometer. Towards the improvement of the system’s focusing properties, extended electromagnetic analysis was performed in order to validate the impact of matching configurations made from appropriate materials, located inside the ellipsoidal cavity. The results show that with the appropriate choice of materials and careful assessment of their properties, it is possible to significantly improve the system’s detection depth, temperature detection level and spatial sensitivity. VIII The experimental procedures that were performed verify the proof of concept and confirm the beneficial impact of matching configurations on the system’s focusing properties, which was theoretically studied in the first part of the research. Finally, the experimental set used in the study, related to possible clinical applications, produced promising results regarding the potential perspective of the system to serve as a future clinical diagnostic tool.