Antenna applicator for medical diagnostics in a multilayer brain tissue

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Radiothermography is a promising medical diagnostic technique that detects the body's natural radio emissions. Variations in physiological properties, such as temperature and electrophysical characteristics, alter the noise temperature of tissues, signaling potential abnormalities. The efficiency of microwave thermometry increases with focusing, which can be achieved using antenna arrays. However, in the context of human diagnostics, the compactness of array elements is critical due to the limited space within the body.

This study aims at assessing the performance of a developed antenna applicator for use in a multilayer model of brain tissue and proving its functionality in experiments. Electrodynamic modeling was performed using CST STUDIO, a software suite for designing, simulating, and optimizing 3D electromagnetic systems. To evaluate the antenna's performance, a tissue phantom was created to replicate the dielectric properties of real human tissues.

Findings. A compact antenna-sensor for contact radiothermometry was developed, operating at a frequency of 3.85 GHz with a 50 MHz bandwidth. The design addresses the challenge of fitting array elements into a small volume. The experimental results correlated with the electrodynamic model, confirming the functionality of the antenna applicator. Its performance was optimized for a multilayer structure of brain tissue using a below-cutoff waveguide design.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Adel R. Sadykov

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: pro3452000@gmail.com
SPIN-code: 7038-4180

PhD student, assistant at the Department for Radio-Electronic and Telecommunication Systems. Research interests – microwave thermal imaging, body screening, internal tissue analysis, brain research, and compact, flush-mounted weakly directional antennas. The author of 30 scientific publications.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

References

  1. Sedelnikov Ju.E., Kublanov V.S., Potapova O.V. Focused antennas-applicators in the tasks of diagnostic radiothermometry. Journal of radio electronics. 2018;(7). Аvailable from: http://jre.cplire.ru/jre/jul18/4/text.pdf [Accessed 30.03.2024]. doi: 10.30898/1684-1719.2018.7.4 (In Russ.).
  2. Sedelnikov Ju.E, Potapova O.V, Sadykov AR et al. Focused antennas in contact radiothermometry problems. Journal of radio electronics. 2021;(3). Аvailable from: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.11 [Accessed 30.03.2024]. (In Russ.).
  3. Potapova O.V., Halikova K.N. Estimation of the parameters of the focused electromagnetic field using linear apertures in radiothermography. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2015;17(2):31-36. (In Russ.).
  4. Sedelnikov Ju.E., Sadykov A.R., Skachkov V.A. Antenna applicator for early detection of congenital or acquired brain tissue anomalies. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2022;(4):16-23. doi: 10.25686/2306-2819.2022.4.16. (In Russ.).
  5. Vesnin SG, Sedakin KM. Development of an antenna-applicator series for tissue temperature non-invasive measurement of a human body at different pathologies. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. 2012;(11):43-61. (In Russ.).
  6. Panchenko B.A., Kublanov V.S., Baranov S.A. et al. Antenna for contact microwave radiometers for monitoring of the brain microwave radiation. 2017 International Applied Computational Electromagnetic Society Symposium – Italy (ACES), Firenze, Italy. 2017:1-2.
  7. Vajsblat A.V. Medical radio thermometer RTM-01-RES. Biomedical technologies and radio electronics. 2001;(8):3-9. (In Russ.).
  8. Carr K.L. Microwave Radiometry: it`s importance to the Detection of Cancer. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1989;37(12):1862-1869. doi: 10.1109/22.44095
  9. Rahlin V.L., Alova G.E. Radiothermometry in the diagnosis of breast, genital, prostate and spine pathology. Gorky, Radiophysical Research Institute (NIRFI); 1988. 52 p.
  10. Bahl I.J., Stuchly S.S., Stuchly М.А. А New Microstrip Radiator for Medical Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980;28(12):1464-1469. doi: 10.1109/TMTT.1980.1130268
  11. Sedelnikov Yu.E., Sadykov A.R., Skachkov V.A. Antenna-applicator for non-invasive detection of anomalies of internal tissues of biological objects. Proceedings of 2021 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC). Saint-Petersburg: St. Petersburg Electrotechnical University "LETI" (ETU "LETI"), 2021:19-22. (In Russ).
  12. Sadykov A.R., Skachkov V.A. Study of dielectric properties of human body tissues for the development of antenna applicator. Microwave electronics and microelectronics. 2021;1:590-594. (In Russ.).
  13. Yilmaz T., Karacolak T., Topsakal E.. Characterization and testing of a skin mimicking material for implantable antennas operating at ISM band (2.4 GHz-2.48 GHz). IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008;7:418-420. doi: 10.1109/LAWP.2008.2001736

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. A multilayer model of the brain

Download (97KB)
3. Fig. 2. Antenna design with labeled geometric parameters

Download (41KB)
4. Fig. 3. Antenna VSWR for each multilayer structure model from Table 2 a – (27-167-30), b – (12-128-30), c – (152-130-30), d – (137-169-30), e – (60-103-98), f – (105-105-98)

Download (452KB)
5. Fig 4. Antenna dimensions

Download (28KB)
6. Fig. 5. Antenna VSWR for all models

Download (174KB)
7. Fig. 6. Antenna VSWR for all models

Download (164KB)
8. Fig. 7. Human tissue phantom

Download (146KB)
9. Fig. 8. S-parameters of the sensor antenna

Download (166KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».