Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της χρήσης διηλεκτρικών υλικών για τη βελτίωση των απεικονιστικών ιδιοτήτων της εστιασμένης μικροκυματικής ραδιομετρίας, όπωςείναι η χωρική διακριτική ικανότητα και το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας. Με τη βοήθεια του λογισμικού HFSS (High Frequency Structure Simulation) το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μελετώνται διάφορες υλοποιήσεις με τη χρήση των διηλεκτρικών. Τοποθετούνται διηλεκτρικά στρώματα βηματικού δείκτη διάθλασης γύρω από το κεφάλι και διηλεκτρικά στρώματα γύρω από την κεραία. Επίσης σε μια άλλη προσέγγιση του προβλήματος, το κεφάλι τοποθετείται σε ομοιογενή σφαίρα διηλεκτρικού ώστε να επιτευχθεί ευκολότερη και πιο αξιόπιστη εστίαση. Τέλος εξετάζεται η περίπτωση λειτουργίας του MiRaIS με τη χρήση κατευθυντήριας κεραίας τεχνολογίας microstrip, αντί για παγκατευθυντικό δίπολο. Σε κάθε προσέγγιση αξιολογούνται και συγκρίνονται τα αριθμητικά αποτελέσματα όλων των συχνοτήτων που δοκιμάζονται (500MHz-2GHz). / -

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.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, των μικροκυματικών και των ηχητικών συχνοτήτων για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ηχητικών κυμάτων στις βιοιατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ηχητικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ηχητικές συχνότητες καθώς και τα βασικά στοιχεία της πρακτικής της υλοποίησης που περιλαμβάνουν ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων μετατροπέων καθώς και το αντίστοιχο σύστημα λήψης ηχητικών σημάτων. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη δύο πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών για χρήση τους με συστήματα ευαίσθητων δεκτών μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας. Οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες μοντελοποιήθηκαν (κεφάλαιο 5) και μελετήθηκαν με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιων αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στος εύρος συχνοτήτων 2 – 3.5 GHz. / As the evolution in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existent clinical techniques and the development of new ones, aiming to the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, the usage of two frequency bands is investigated, the microwave and sound frequencies for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of sound frequencies in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at sound frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of sound waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of sound waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis and basic principles of the suggested method are given together with the basic points of its practical implementation that include analysis of the piezoelectric phenomenon, the respective piezoelectric transducers and sound signal receiver. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study of two multi-frequency conformal microstrip patch antennas is performed, in order to use them in conjunction with sensitive microwave radiometry receivers. In chapter 4 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described. The suggested conformal antennas are modeled (chapter 5) and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). The properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.5 GHz in two different head models.

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.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διατριβή, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, που ανήκουν στο πεδίο των μη ιοντιζουσών ακτινοβολιών, των μικροκυματικών και των ακουστικών συχνοτήτων, για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ακουστικών κυμάτων στις βιοϊατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ακουστικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα, μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο ενώ τέλος παρουσιάζονται βασικές και σύγχρονες εφαρμογές ακουστικής στην ιατρική. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ακουστικές συχνότητες και πραγματοποιούνται προσομοιώσεις, με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB, παραθέτοντας τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα. Ολοκληρώνοντας το πρώτο μέρος της διατριβής, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πρακτική υλοποίηση του προτεινόμενου συστήματος, περιλαμβάνοντας ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων αισθητήρων, εκτενής μελέτη του κάθε τμήματός του καθώς και πειραματικές μετρήσεις με ομοιώματα. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη και υλοποίηση πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών και χρήση τους με σύστημα ευαίσθητου δέκτη μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας ενώ στο κεφάλαιο 6 μοντελοποιούνται οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες και μελετούνται με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιών αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στο εύρος συχνοτήτων 2 – 3.3 GHz. Τέλος, οι κεραίες που μελετήθηκαν θεωρητικά, κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται ως κεραίες λήψης ραδιομέτρου τύπου διακόπτη Dicke (Dicke switch) για πειραματικές μετρήσεις σε ομοιώματα (κεφάλαιο 7). Ο συνδυασμός των δύο συστημάτων σε μια κοινή υλοποίηση και η πραγματοποίηση κοινών πειραματικών μετρήσεων και στις δύο περιοχές συχνοτήτων είναι μια πολύ σημαντική προοπτική που μπορεί να βελτιώσει τα πιθανά μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου αλλά και να τις επαληθεύσει, με την παροχή και το συνδυασμό διαφορετικού είδους πληροφορίας για το ίδιο αίτιο. / As progress in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existing clinical techniques and the development of new ones, aiming at the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, passive diagnosis in the non ionizing radiation regime and especially two frequency bands, microwave and acoustic frequencies, are used for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of acoustic waves in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at acoustic frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of acoustic waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of acoustic waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis is carried out and the basic operation principles of the suggested method for monitoring brain activity in acoustic frequencies are described. Simulations are performed using the MATLAB software and the respective numerical results are presented. Completing the first part of the thesis, the fundamentals of the system’s practical implementation are introduced in the fourth chapter. All system modules are described and the results of the implementation study through experiments using phantoms are presented. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study and implementation of various multi-frequency conformal microstrip patch antennas are performed, and finally they are used in conjunction with a sensitive microwave radiometry receiver. In chapter 5 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described, while in chapter 6 the suggested conformal antennas are modeled and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). Moreover, the properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.3 GHz in two different head models. Finally, a few are materialized in Rogers 4350B dielectric substrate and two of them are used together with a Dicke switch type radiometer for experimental measurements with phantoms (chapter 7). The combination of the aforementioned systems in a common implementation and the realization of common experimental measurements in both frequency bands is a very significant prospective which can optimize the performance of each methodology, by collecting and combining different types of information originating from the same event.

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.