Sistema cilíndrico para tomografía rápida de microondas

SISTEMA CILINDRICO PARA TOMOGRAFIA RAPIDA DE MICROONDAS L. Jo e, E. de los Reyes, A. Elias, M. Fe ando J. Romeu, M.Baque o, J.M. Rius Dp o. de Elec o isica, E.T.S.I.Telecomunicación, UPC ABSTRACT A cylind ic mic owa e omog aphy sys em o biomedical applica ions is p esen ed. The sys em ope a es a 2.45 GHz. The cylind ic geome y is an al e na i e o plana sys ems, which equi e o a ion a ound he objec . An expe imen al se -up wi h a econs uc ion a ea o 20 cm o diame e , and a o al adquisi ion and p ocessing ime o S seconds is desc ibed. INTRODUCCION Es udios ecien es [1],[2] han mos ado el in e és po encial de un sis ema ac i o de o mación de imágen pa a aplicaciones biomédicas median e una se~a~ de mic oondas. Es a se~al posee unas ca ac e ís icas especi i- cas de pene ación y sensibilidad con espec o a o as o mas de iluminación como ayos X o ul asonidos~ En pa icula . pueden se B iles pa a la econs ucción de pe iles de empe a- u a [3] en hipe e mia y en p ocesos un- cionales [4]. La ecuencia de ope ación, po un comp omiso en e esolución y a enuación, debe es a comp endida en e 2 y 6 GHz.[S]. Has a ealizando con i mado del o den aho a los expe imen os se han enido a 3 GHz sob e ó ganos aislados y han que puede i consegui se ~esoluciones de 6 mm en medios de al o con enido en agua. Las geome ías u ilizadas, básicamen e lineal y plana, equie en una o ación macánica en o no al obje o. En el momen o ac ual, los es ue zos es án o ien ados a mejo a la geome ía de iluminación y medida, los ecep o es y los algo i mos de ocalización. En es a linea, es a comunicación p esen a una solución cilínd ica o iginal y compac a, que posee en a~as in ínsecas al e i a la o ación mecánica, u iliza algo i mos angula men e pe iódicos y es a más adap ada al p oceso de di acción. Es e a iculo hace una p esen ación global del sis ema de imagen y es a complemen ado po o os dos a ículos más especí icos que desc i- ben po sepa ado el disposi i o expe imen al y los algo i mos de p ocesado. ELECCION DEL LA FRECUENCIA DE TRABAJO La elección de la ecuencia de abajo es una solución de comp omiso en e esolución y pene ación. En gene al, al aumen a la e- cuencia mejo a la esolución [disminuye la longi ud de onda) y disminuye la p o undidad de pene ación [aumen a la cons an e de a enuación). El eque imien o de pene ación pa a · el es udio de ó ganos p o undos aconseja bajas ecuencias, mien as que el c i e io de esolución aconseja ecuencias al as. La elección de ecuencia, puede ambién deci se, que es una solución de comp omiso en e esolución y el iempo de medida. En e ec o cuando la se~al ecibida disminuye, debido al aumen o de a enuación, su medida debe ealiza se con un iempo de in eg ación mayo URSI'86 6 pa a ene la misma elación se~al uido, S/N. En la igu a 1, se ep esen an los alo es de esolución y a enuación pa a dos ejidos ca ac e ís icos, masculo y g asa, en unción de la ecuencia desde 1 a 10 GHz,y en la abla 1 los alo es de pe mi i idad pa a es os ejidos a 3 GHz. Puede e se que mien as que la a enuación pa a ejidos con bajo con enido en agua [g asa) pe manece ela i amen e baja, aumen a ápidamen e, al aumen a la ecuencia, en ejidos con al o con enido en agua [masculo). La longi ud de onda dec ece casi exponencialmen e en ambos ejidos al aumen a la ecuencia. La egión somb eada limi ada po 2 y 8 GHz ep esen a un ma gen de ecuencia adecuado pa a la omog a ia po mic oondas de ó ganos biológicos, en pa icula pa a abdomen, cabeza y o ax. Las conside aciones de esolución, p o un- didad de pene ación y iempo de adquisición, nos ha lle ado a escoge una ecuencia en la pa e baja de la banda, en pa icula • 2.45 GHz, que además posee la en aja de se una banda asignada a aplicaciones ISM [Indus ial, Scien i ic, and Hedical) en odo el mundo. SENSIBILIDAD CON LA TEMPERATURA TEMOGRAFIA DIFERENCIAL La empe a u a es un pa áme o cuya a iación es pe cep ible po medio de la imagine ía ac i a po mic oondas. Unas p ime as medidas con agua y ó ganos aislados [61, han demos ado que di e encias de empe a u a in e io es a 1 C e an obse ables. Los cambios obse ados co esponden a a iaciones de 6 y a con la empe a u a. En la egión de las mic oondas, donde la dispe sión de es os pa áme os es peque~a, la a iación iene dada po [7] ~ 2% /QC -. 6 = - 0.5% /QC 6 (1) En p ocesos uncionales, más que una ecos ucción en é minos absolu os de un co e omog á ico, in e esan las a iaciones sucesi as [di e enciales) que a expe imen ando el ó gano. En es e sen ido, los algo i mos p esen ados se adap an pe ec amen e a la econs ucción de la di e encia de dos imágenes 111 Symposium Nacional del Comi é Español de la URSI sucesi as pues o que pueden se aplicadas odas las hipó esis de un mé odo pe u bacional. BALANCE DE POTENCIAS Sea la geome ía ci cula ep esen ada en la igu a 2, donde Ru es el diáme o de la zona ~ il; Rg, el espeso de la zona de gua da en e el aplicado y el cue po a es udia ; W , la po encia emi ida po una sonda; W , la po encia ecibida po la sonda diame almen e opues a; Ae el á ea de cap ación de po encia de la sonda. Pa a hace un es udio de la sensibilidad necesa ia del sis ema es p eciso si ua se en el caso más des a o able, y ello signi ica: a) Supone como medio de in es igación el agua cuya a enuación es igual o mayo que la de los ejidos biológicos. bJ De ini el olumen y a iación de em- pe a u a mínimos a de ec a , que ija emos en un cubo de a is a A/2 y un inc emen o de empe a u a de 1°C, desde 35°C a 36°C. e) Supone la célula elemen al en el cen- o del cilind o, si uación más des a o - able en cuan o a a enuación. d) P e e un espeso de la zona de gua da impo an e, del o den de 4,5A (6.25 cm). e) Supone p opagación según onda es é ica ( ealmen e se á una si uación in e media en e cilínd ica y es é ica). La po encia ecibida . en o a, de ca ac e ís icas emiso a, y si uado en la se á: la sonda idén icas de ec- a la posición opues a, W n e:l-e:O -2cx (Rq+R)Ae 2 e ) W <aR_e:_ o R e:¡-e:o Ae e -2n go CR +Rll 2 (.2!...-- --=2 8 e:o R g donde R= R/A, Rg Rg/A , Ae Ae /A 2 Valo es de disei' o: a 2.45 GHZ e:i. E:(35°C) • 74,11-j6.90¡ 0,0931; A• 1,42 cm; a en • 1,79 dB/cm. e:(36°C) • 73,80-j6.70; go • 0,0908; A• cm; a en • 1,73 dB/cm. ¡e: 1 ~~ 0 = 0,0050 R • 7 , 2A ( 2R • 2 O cm J A e • 2 A 2 W W =- 141,9 dBm (2) go • · e:o• 1,43 Si W • 30 dBm y ponemos unas pé didas po e ec os a ios de 10 dB, se ob iene: W = 121 , 9 dBm (3) Si !:J. • 6 KHZ, F • 4 dB Wn K(F-1JToB -134,4 dBm, con lo que: S N= 12,5 dB (4) 7 Pa a el caso de N 64 sondas, aunque es ic amen e se end ía una zona ú il de lOA, en la p ác ica, debido al e ec o amo iguado de las pé didas en agua, la zona de abajo cub e co ec amen e el diáme o p e is o de 14,4 A • 20 cm. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO En la igu a 3 se ep esen a el sis ema expe imen al. El obje o a econs ui se sume ge en el ecipien e ~ilind ico odeado po el a ay ci cula . La inme sión en agua es con- enien e pa a mejo a la adap ación al ó gano y e i a las e lexiones pa ási as del en o no. El a ay consis e en una bocina ci cula , sec o ial plano-E, alimen ada po 64 guias, cada una de ellas abajando secuencialmen e en emisión y en ecepción, con oladas po dos conjun os de mul iplexo es de RF. Una doble modulación BF pe mi e ma ca al emiso y al ecep o y mejo a la sensibilidad median e una de ección cohe en e BF. La cadena de emisión comp ende un oscila- do a 2.45 GHz seguido de un ampli icado de 1 Wa io. Debido a la limi ación de la densidad de po encia inciden e po debajo de lmW/cm , en la cadena de ecepción se u iliza un ampli icado de bajo uido seguido de un de ec o cohe en e ase-cuad a u a [8] . El p ocesado digi al pa a la ob ención de la imagen se ealiza en un mini-o denado de 32 bi s y se ep esen a en un moni o colo de al a esolución. DISCUSION Y RESULTADOS El sis ema pe mi e la econs ucción de co es omog á icos absolu os y di e enciales (imagen ob enida como di e encia de dos econ- s ucciones sucesi as) lo cual es de g an u ilidad en p ocesos uncionales como es el caso de a iaciones de empe a u a. Pa a es a aplicación y con las po encias y dimensiones u ilizadas puede ob ene se una esolución en empe a u a mejo que 1°C pa a un cubo de 6mm de lado con un iempo de medida d~l o den de un segundo. El iempo o al de p ocesado es del o den de S segundos pa a una imagen de 64*64 pun os. CONCLUSIONES En la abla II se p esen an de mane a esumida las ca ác e is icas más impo an es del sis ema. Los esul ados p elimina es mues an la po encialidad de un sis ema cilínd ico de med- ida po sus ca ac e ís icas en ol en es y sen- sibilidad de con as e. La busqueda de algo i - mos de econs ucción sin la hipó esis de Bo n, así como la de líquidos que p esen en una buena adap ación a los ejidos biológicos y meno es pé didas que el agua, cons i uyen las ac uales lineas de in es igación. AGRADECIMIENTOS Es e abajo ha sido sub encionado po la CAICYT (1165-84), el Fondo de In es igación Sani a ia de la Segu idad Social (FISS, 84/2112), y la acción in eg ada Hispano- F ancesa (18/133). REFERENCIAS (1] G. Pe onne , Ch. Picho , J.Ch. Bolomey, L. Jo e, A. Izadnegahda , C. Szeles, Y. Michel, 1 ,¡ !l ji ll h i! 1' ¡! 1' .¡ !i ~ ~ : i! :~ '1' .. : ; J . L Gue quin-Ke n, "A Mic owa e Di ac ion Tomog aphy sys em o . Biomedical Applica ions", 13 h EMC Nue enbe g, Sep . 1983, pp. 529-533. [2) Ch. Picho , L. Jo e, G. Pe onne , J.Ch. Bolomey, "Ac i e Mic owa e Imaging o Inhomo- geneous Bodies", IEEE, T ans.An .P op., ol. AP-33, n 4 1 Ap il 1985 1 pp. 416-425. [3] J.Ch. Bolomey, L. Jo e, G. Pe onne , "On he ~ossible Use o Ac i e Mic owa e Imaging o Remo e The mal Sensing", IEEE, T ans. Mic owa e Theo y Tech., ol. MTT-31, n 9, Sep . 1983' pp777-781. [4] L.E. La sen, J.H. Jacobi, "Mic owa e o e p omise as imaging modali y", Diagnos ic Imag- ing, No . 1982 , pp 42-47 . [ 5] J.c. Lin, "F equency Op imiza ion ... . ..... S o N ""' <(..-+ o zo O.-+ S o N '- ~ H ~ ;:::¡ ..... z ¡.¡ E-< ,e( GHZ Figu a l. A enuación y esolución en medios biológicos. lemen al Figu a 2. Balance de po encias. Figu a 3. Esquema de bloques del sis ema o 8 Mic owa e Imaging o Biological Tissues", P oc . IEEE, ol 73 1 n 2, Feb ua y 1985, pp 374-375. [6] J.Ch Bolomey, G. Pe onne , Ch. Picho , L. Jo e, M.E. Gau he i, "L image ie mic oonde ac i e en genie biomedical", Capi ulo de lib o "L Appo de la Physique pou l aide au diag- nos ic", Edi ions de la Socie é de Physique, Pa is 1984. [7] F.T. Ulaby, R.P. Jedliclca, "Mic owa e Dielec ic P ope ies o Plan Ma e ials", IEEE ans. on Geoscience and Remo e Sensing, Vol. GE-22, n 4 1 July 1984,pp.406-415. [8] L. Jo e, M. Fe ando, E. de los Reyes, A. Ca dama, J.Ch . Bolomey, Ch. Picho , "Cylind i- cal Nea -Field Mic owa e Imaging Sys em". Mele- con 85, ol.III Mad id Oc . 1985 1 pp 131-134. Tabla I. Cons an e dieléc ica de medios biológicos (F=3GHz) • 0 s/m IJ 1• eq • IJ~~ Agua a 25°c 76.7 2.01 o - G asa 55 0.13 24.5 152.5 Hueso 8 0.22 69.5 171.1 Músculo 46 2 30.7 179.9 ( *SuposiciOn E ~ E ) 1 Tabla II. Ca ac é is icas del sis ema. G~ Ci cula , di &me o: 25 Cll la ecuencia: banda 2.45 GHZ Gene ado ancho de banda : 10 densidad po encia < 500~w /cm' Aplicado nQ de di ecciones de iluminaci6n M : 64 .. 8 Q nQ de pun os ., Re ina :0: : 64 ., de medida N Q .. elocidad i adquisic16n 1/1 : 1000 < pun / seq ~ Recep o sensibilidad : -130 dBm Ul ma gen din!mico: 80 dB ac o de uido: 3 dB ancho de banda : 10 KHZ Du ación de la (M X N)T < 10 seg adquisici6n PRESENTACION CORTES TOMOGRAFICOS DIAM 20 cm "' 8 CALCULO: PROCEDIMIENTOS ESPECTRALES (ITERAC) u u ::> "' PARAMETRO: PERMITIVIDAD COMPLEJA (e: ,o) < Ul "' o u RESOLUCION A/2 ( 7 mm . en agua a 2 .45 GHz) ::! ESPACIAL: • "' Q (loC) RESOLUCION DIFERENCIAL: = 1% ~ ., < Ng DE OPERACIONES: = 2N M' • 5.10s (N • M = 64) ~ Ul DURACION DE LA 10 RECONSTRUCCION : < seg (HP- 9050)