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.

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.