TU Darmstadt / ULB / TUprints

Dual-Mode Mikrowellenapplikatoren für die Diagnose und Thermische Ablation von Lebertumoren

Hessinger, Carolin (2020):
Dual-Mode Mikrowellenapplikatoren für die Diagnose und Thermische Ablation von Lebertumoren.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014084,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
2020-10-05_Hessinger_Carolin.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (16MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dual-Mode Mikrowellenapplikatoren für die Diagnose und Thermische Ablation von Lebertumoren
Language: German
Abstract:

Die vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Validierung eines neuartigen Dual-Mode Mikrowellenapplikators für die Detektion und thermische Ablation von Lebertumoren. Neben den schon etablierten Vorteilen der Mikrowellenablation ermöglicht die Einführung eines Detektionsmodus eine verbesserte Lokalisierung des Tumors für die optimale Platzierung des Applikators im Zentrum des Tumors. Hierzu wird die Interaktion des elektromagnetischen Felds mit dem Gewebe ausgewertet, um physiologische Veränderungen, beispielsweise durch eine Tumorerkrankung, zu erhalten. Im Behandlungsmodus des Applikators wird die Mikrowellenleistung erhöht, um den anvisierten Tumor durch Hitze zu zerstören. Durch die charakteristischen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ist zudem eine Überwachung der Behandlung in der Umgebung des Applikators möglich. Auf Basis eines multiphysikalischen Simulationsmodells, welches sowohl die elektromagnetischen, thermischen als auch biologischen Parameter der Mikrowellenablation berücksichtigt, ist ein geeigneter Frequenzbereich zwischen 2,5 GHz und 10 GHz für die Applikatorenentwicklung identifiziert worden, in dem eine klinisch relevante Größe und Temperatur der Läsion erreichbar ist. Zudem dient das realitätsnahe Simulationsmodell der Evaluation der entwickelten Applikatorgeometrien. In einer klinischen Studie zur Bestimmung des patienten-spezifischen dielektrischen Kontrasts von frisch resiziertem menschlichen Lebergewebe ist die generelle Machbarkeit von Mikrowellen-basierter Tumordetektion in der Leber dargestellt. Die Auswertung der Permittivitätsmessung im Frequenzbereich zwischen 0,5 GHz und 26,5 GHz zeigt, dass der dielektrische Kontrast von Patient zu Patient stark variiert mit einem maximalen dielektrischen Kontrast zwischen 28,9% und 60,9% über den untersuchten Frequenzbereich. Zudem liefern die Ergebnisse die Erkenntnis über eine notwendige patienten-spezifische Betrachtung des dielektrischen Kontrasts zur Tumordetektion, da kein genereller Schwellwert für die Differenzierung zwischen gesundem und tumorösem Gewebe definiert werden kann. Um diese Anforderug an eine patienten-spezifischen Tumordetektion zu erfüllen, erfordert die Auslegung der Dual-Mode Applikatoren sowohl die Entwicklung von Methoden zur Permittivitätsextraktion des umliegenden Gewebes als auch die Möglichkeit hohe Energie in das anvisierte Gebiet zu absorbieren. Die Umsetzung unter Berücksichtigung dieser Anforderungen erfolgt in zwei unabhängigen Ansätzen. Zum Einen bietet ein planares Resonatorarray inhärent die Möglichkeit einer sehr empfindlichen Detektion von Permittivitätsänderungen durch die Auswertung von Resonanzfrequenzverschiebungen und anschließender Ablation mit der verschobenen Resonanzfrequenz. Dabei ist in dieser Arbeit auf die Miniaturisierung und Integration des Resonatorarrays für den Einsatz als nadelförmiges Operationswerkzeug mit einem Durchmesser von 2 mm eingegangen worden. Zwar erfüllt dieser resonante Applikator die grundlegenden Anforderungen an ein minimal-invasives Mikrowellenablations-System, jedoch erweist sich der Aufbau als nicht hinreichend robust und zuverlässig für den praktischen Einsatz. Der zweite Ansatz basiert auf der Verwendung eines koaxialen Applikators mit einem Slot als abstrahlendes Element. Die Extraktion der dielektrischen Information erfolgt durch eine, für diese Anwendung zugeschnittene, Kalibrierung, wobei der gemessenen Reflektionsfaktor direkt in die Permittivtätsebene transformiert wird, um die erforderliche Genauigkeit zur Detektion von Permittivitätsänderungen zu erreichen. Diese Messmethode ergibt einen maximalen mittleren Fehler von 3,7%, der vergleichbar gering zu etablierten Messsystemen für die Permittivitätsbestimmung mit einer Fehlertoleranz von bis zu 5% ist. Die Dual-Mode Ablation ergibt eine Ablationszone mit einem Volumen von 7,1 cm³ mit gleichzeitiger Bestimmung der temperaturabhängigen Permittivität, wodurch das Auftreten der Gewebekarbonisierung während des Experiments detektiert werden kann. Zudem entsteht die Möglichkeit einer multimodale Bildgebung durch die MRT-Kompatibilität des vorgestellten Demonstrators.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work investigates the development and validation of a novel dual-mode microwave applicator for the detection and thermal ablation of liver tumors. In addition to the advantages offered by microwave ablation treatment, the introduction of an additional detection mode enables inproved localization of the tumor for optimal positioning of the applicator in the center of the tumor. Therefore, the interaction between the electromagnetic field and tissue is evaluated to detect physiological changes such as those that occur for a tumor. In the treatment mode of the applicator, high microwave power leads to the destruction of the targeted tumor cells via heat. In addition, the characteristics of the temperature dependent dielectric properties of organic tissue enables a treatment monitoring of the surrounding tissue during the intervention. Based on a multiphysical simulation model, that includes electromagnetic, thermal and biological parameters, a reasonable frequency range between 2.5 GHz and 10 GHz is identified as the operating frequency range for microwave ablation. Furthermore, the performance of the applicators developed in this work is evaluated through a realistic simulation model. The feasability of the microwave-based diagnostic of liver tumors is investigated in a clinical trial in order to determine the dielectric contrast between human liver tumors and their host tissue. The broadband analysis focuses on the evaluation between healthy and diseased liver tissue between 0.5 GHz and 26.5 GHz. The evaluation of patient-specific dielectric contrasts yields high variations between 28.9% and 60.9%. Due to the large variations between the dielectric properties of patients, the need for individual thresholds to distinguish between healthy and malignant tissue can be derived. In order to meet the demand for patient-specific detection, the design of dual-mode applicators indicates methods for permittivity extraction of the surrounding tissue as well as the possibility of a high microwave power absorption in the targeted region. In order to satisfy these requirements, two approaches are pursued in this work. Firstly, a planar resonator array reveals a sensitive detection of permittivity changes by evaluating resonance frequency shifts, and subsequently, thermal ablation treatment at the specific resonance frequency. This work focuses on the miniaturization and integration of the planar structure into a needle like surgery tool with a maximum diameter of 2 mm. This resonant approach meets the basic requirements to a minimal-invasive surgery tool, however, it is not sufficiently robust and reliable for the practical use. The second approach is based on a coaxial applicator with a slot as radiating element. The dielectric properties are extracted through the use of a dedicated calibration procedure that maps the measured reflection coefficient directly into the permittivity plane to achieve the required sensitivity for the detection of permittivity changes. The accuracy analysis of this measurement method yields a maximum mean error of 3.7% which is as low as established measurement systems with an error of up to 5%. The dual-mode ablation experiment with ex-vivo liver tissue reveals an ablation zone volume of 7.1 cm³ with simultaneous determination of the temperature dependent dielectric properties. As a result, the detection of carbonized tissue during the ablation is enabled. Furthermore, a mulitmodality imaging concept is realized through the MRI compatibility of the presented demonstrator.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
Date Deposited: 27 Oct 2020 14:21
Last Modified: 27 Oct 2020 14:22
DOI: 10.25534/tuprints-00014084
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-140845
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf and Vogl, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 4 September 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14084
Export:
Actions (login required)
View Item View Item