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 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.