Βελτιστοποίηση Των Ιδιοτήτων Εστίασης Παθητικού Συστήματος Μικροκυματικής Ραδιομετρίας Με Τη Χρήση Κατευθυντικών Κεραιών

Abstract

Με τον κλάδο της βιοϊατρικής τεχνολογίας να εξελίσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια, η εφαρμογή μικροκυματικών τεχνολογιών έχει επεκταθεί στο χώρο της ιατρικής, καθώς γίνονται έρευνες με σκοπό την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων τους στη διαγνωστική, αλλά και στη θεραπευτική ιατρική. Σε αυτό το ερευνητικό πλαίσιο κατά τη διάρκεια εκπόνησης διδακτορικής διατριβής κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσοβείου Πολυτεχνείου και λειτουργεί από το 2003 ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (MiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στο εν λόγω σύστημα χρησιμοποιείται μια αγώγιμη ελλειψοειδής κοιλότητα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ραδιομετρικούς δέκτες και κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1-4GHz. Οι κεραίες λήψης που είχαν χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά ήταν παγκατευθυντικές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται για πρώτη φορά θεωρητική μελέτη των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος με χρήση κατευθυντικών κεραιών καθώς και συνδυασμού κεραιών με ολίσθηση φάσης.Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του προγράμματος HFSS (High Frequency Structure Simulator, Ansoft Corporation), το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM: Finite Element Method). Αρχικά (Κεφάλαια 2-3), εξετάζεται η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος μέσω της χρήσης κατευθυντικών κεραιών (ελικοειδής κεραία, κεραία μικροταινίας) ως κεραίες λήψης. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 4), εξετάζεται η δυνατότητα συνδυαστικής λειτουργίας του συστήματος MiRaIS με ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου.Στην πρώτη περίπτωση (Κεφάλαια 2-3), τα αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι η χρήση της κεραίας μικροταινίας είναι καταλληλότερη για χρήση εντός του συστήματος MiRaIS, καθώς παρουσιάζεται ικανοποιητικό βάθος διείσδυσης με μικρότερο ποσοστό ανακλάσεων στη διεπαφή αέρα-μοντέλο εγκεφάλου. Παράλληλα, εξετάστηκε η χρήση στοιχειοκεραίας μικροταινίας δύο στοιχείων, η οποία τροφοδοτείται με διαφορά φάσης μεταξύ των στοιχείων της, το οποίο έδειξε ότι η περιοχή εστίασης πραγματοποιεί γραμμική σάρωση στο χώρο εντός του μοντέλου εγκεφάλου, το οποίο ενισχύει τις προσδοκίες ότι στο άμεσο μέλλον η χρήση στοιχειοκεραιών θα μεγαλώσει τις διαστάσεις και θα βελτιστοποιήσει τη σάρωση της περιοχής εστίασης στις τομογραφικές απεικονίσεις, χωρίς τη μετακίνηση του εξεταζόμενου στο χώρο.Στη δεύτερη περίπτωση (Κεφάλαιο 4), τα αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι οι ιδιότητες εστίασης του συστήματος MiRaIS δεν επηρεάζονται κατά τη συνδυαστική λειτουργία του με ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και φασματοσκοπία εγγύς υπερύρθρου. Το αποτέλεσμα αυτό επιδυκνείει τη δυνατότητα μελλοντικά της συνδυαστικής λειτουργίας τριών τεχνικών εγκεφαλικής λειτουργικής απεικόνισης ενοποιημένες σε ένα σύστημα.