Международная школа для молодых ученых:
«Применение радиолокаторов малой дальности в медицине»
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
Конференц-зал Учебно-лабораторного корпуса (3 этаж УЛК)
Москва, Рубцовская наб., 2/18
16-18 октября 2017

The application of microwave imaging technologies for medical diagnostics is an emerging topic within the electromagnetic engineering community and is now gaining an increasing interest by clinicians. As a matter of fact, microwave imaging is a very appealing tool due to its intrinsic safety, which descends from the non-ionizing nature of microwaves and the low required power. Moreover, the same hardware used in telecommunications is exploited, so that this medical imaging modality is inherently low cost, thus being sustainable for public healthcare systems. The lecture will provide an introductory overview of the physical and mathematical foundations of microwave medical imaging, address the challenges that have to be faced in exploiting this technology and then present recent results achieved at the Medical Electromagnetics (MeDeM) Laboratory at IREA-CNR concerned with some promising applications in monitoring cerebrovascular diseases, tumor diagnosis and image-guided treatment.

In stroke health care today, a great challenge is to deliver treatment to the patients rapidly and soon after the occurrence of the stroke. Earlier treatment increases the likelihood of a successful treatment result and that the patient recovers well. The inherent challenge in reaching this goal is that approximately 85% of all strokes are ischemic (blood clot induced) and 15% hemorrhagic (bleeding) strokes. Thrombolysis (blood clot resolving medication), has been shown to significantly improve the outcome from ischemic stroke, if given within four and a half hours from the onset of the stroke. Giving thrombolysis to a patient with hemorrhagic stroke must be avoided; it would worsen the bleeding and could be directly fatal. Unfortunately, less than 5% of the patients with a clot-induced stroke, who could benefit from thrombolytic treatment, are presently receiving it in time. The reason is at least partly due to the limited time windows for treatment, and delays in the diagnosis of the stroke. Thus a more rapid procedure between occurrence of stroke and diagnosis than today is very much needed. Microwave techniques have great potential in solving this clinical challenge. First, microwaves have the potential to detect the dielectric changes caused by a bleeding or the lack of circulation in part of the brain caused by a clot. Second, portable microwave systems could also be built for use in the pre-hospital field to facilitate early diagnosis and potentially also earlier treatment. In this presentation, our work with designing and building a microwave stroke detection system is described and results from our clinical trials are presented.

В докладе приведены общие сведения о сверхширокополосных радиолокаторах, используемых в медицинских целях, их характеристиках и принципах построения; даны основные технические характеристики, рассмотрены основные виды проведения радиолокационного медицинского обследования. Приведены структурные схемы тракта приема и выделения сигналов, способы приема и обработки сигналов РЛС; особенности их технической реализации; изложены принципы построения устройств отображения радиолокационной информации.

В докладе рассмотрены особенности СВЧ радиометров, применяемых для функциональных исследований головного мозга. Показано, что, с одной стороны, для обеспечения инвариантности результатов измерения радиояркостной температуры тела от согласования антенны радиометра и биологической ткани, а также от других дестабилизирующих факторов при формировании термодинамического равновесия системы тело – входные цепи СВЧ радиометра - эталоны теплового излучения применяется «подшумливание» антенны от специального управляемого источника шума, который обеспечивает термодинамическое равновесие на границе этих сред. Приводится доказательная база, позволяющая интерпретировать флуктуации собственного электромагнитного излучения головного мозга человека как изменения определенных физических констант: в диапазоне частот от 0,15 до 0,025 Гц эти флуктуации преимущественно отражают динамику транспорта жидкости в межклеточных и внутриклеточных пространствах тканей головного мозга, а в области частот менее 0,025 Гц – термодинамические изменения в них. Этот вывод относится к излучению в полосе частот менее 850 МГц и базируется на результатах анализа феноменологических моделей собственного излучения тканей мозга и термодинамических процессов в них, а также экспериментальных данных, полученных с помощью радиофизического комплекса МРТРС.

This talk discusses the importance of dielectric properties in consideration of how electromagnetic fields interact with body tissue, the gaps in knowledge that arise from the scarcity of reliable in-vivo measurements as a function of frequency and temperature, and the current state of the art in methods of measurement. Recent advancements in the use of ex-vivo tissue measurements to obtain quasi in-vivo dielectric properties will be discussed as well as measurement uncertainties and the consequence of these in medical application design and procedures. Part of the presentation will focus on the ongoing work in the Electromagnetics Research Group at the Department of Physics, University of Malta and will include some preliminary results on the dielectric properties of blood.

В докладе рассмотрены особенности СВЧ радиометров, применяемых для функциональных исследований головного мозга. Показано, что, с одной стороны, для обеспечения инвариантности результатов измерения радиояркостной температуры тела от согласования антенны радиометра и биологической ткани, а также от других дестабилизирующих факторов при формировании термодинамического равновесия системы тело – входные цепи СВЧ радиометра - эталоны теплового излучения применяется «подшумливание» антенны от специального управляемого источника шума, который обеспечивает термодинамическое равновесие на границе этих сред. Приводится доказательная база, позволяющая интерпретировать флуктуации собственного электромагнитного излучения головного мозга человека как изменения определенных физических констант: в диапазоне частот от 0,15 до 0,025 Гц эти флуктуации преимущественно отражают динамику транспорта жидкости в межклеточных и внутриклеточных пространствах тканей головного мозга, а в области частот менее 0,025 Гц – термодинамические изменения в них. Этот вывод относится к излучению в полосе частот менее 850 МГц и базируется на результатах анализа феноменологических моделей собственного излучения тканей мозга и термодинамических процессов в них, а также экспериментальных данных, полученных с помощью радиофизического комплекса МРТРС.

Judgment and early danger warning of obstructive sleep apnea (OSA) is meaningful to the diagnosis of sleep illness. To judge the occurrence of OSA , the compact and portable 24GHz micro bio-radar was developed to bedside monitor the heartbeat and breathing signals. Then, using self-correlation and adaptive line enhancer methods to minimize the interferences of any moving objects around the human subject. Finally,based on wavelet information entropy spectrum to make an apnea judgment of the OSA respiratory signal detected by bio-radar in wavelet domain. The experimental results demonstrated that the occurrence of sleep apnea can be judged with the accuracy of 93.1% resulting from 10 groups of OSA data, which is promising for the non-contact aided-diagnosis of the OSA.

В современном мире широко распространена проблема старения населения, особенно в развитых и развивающихся странах. В России, ситуация такова, что на начало 2016 года каждому 5 человеку страны было 60 и более лет, и около 24% из них жили в одиночестве. Организм человека в процессе старения испытывает определенные негативные изменения, такие как нарушение координации, склонность к обморокам, и др, которые могут приводить к увеличению количества травм, в том числе полученным при падениях. При этом, падения и их последствия являются третьей по частоте причиной инвалидности среди пожилых людей. Немедленная медицинская помощь в таких случаях играет ключевую роль в восстановлении и возвращении человека к естественному ритму жизни. В настоящее время на рынке имеются серийно выпускаемые носимые датчики падения (акселерометры), сочетающие в себе функции "тревожной кнопки". Основным недостатком такого рода устройств является "носимый " характер такого типа устройств. Так пожилой человек может забыть надеть данное устройство или отказаться от его ношения из соображений комфорта. Кроме того, в результате падения человек может оказаться не в состоянии нажать тревожную кнопку для вызова медиков. Основными вопросами, не решенными на данный момент для бесконтактных методов детекции падений на основе оптических сенсоров являются проблема ложных тревог и вопросы неприкосновенности частной жизни. В лекции будут рассмотрены вопросы использования радиолокаторов малой дальности для детекции падений, а также достоинства и недостатки данного подхода на практике.

В современном мире широко распространена проблема старения населения, особенно в развитых и развивающихся странах. В России, ситуация такова, что на начало 2016 года каждому 5 человеку страны было 60 и более лет, и около 24% из них жили в одиночестве. Организм человека в процессе старения испытывает определенные негативные изменения, такие как нарушение координации, склонность к обморокам, и др, которые могут приводить к увеличению количества травм, в том числе полученным при падениях. При этом, падения и их последствия являются третьей по частоте причиной инвалидности среди пожилых людей. Немедленная медицинская помощь в таких случаях играет ключевую роль в восстановлении и возвращении человека к естественному ритму жизни. В настоящее время на рынке имеются серийно выпускаемые носимые датчики падения (акселерометры), сочетающие в себе функции "тревожной кнопки". Основным недостатком такого рода устройств является "носимый " характер такого типа устройств. Так пожилой человек может забыть надеть данное устройство или отказаться от его ношения из соображений комфорта. Кроме того, в результате падения человек может оказаться не в состоянии нажать тревожную кнопку для вызова медиков. Основными вопросами, не решенными на данный момент для бесконтактных методов детекции падений на основе оптических сенсоров являются проблема ложных тревог и вопросы неприкосновенности частной жизни. В лекции будут рассмотрены вопросы использования радиолокаторов малой дальности для детекции падений, а также достоинства и недостатки данного подхода на практике.

В докладе рассматриваются применяемые в клинической практике способы оценки цикла сна-бодрствования и структуры сна. Обосновывается актуальность длительного мониторинга структура сна. Проводится обзор физиологических параметров, потенциально применимых для решения задачи, и методов их регистрации. Обосновывается возможность определения структуры сна посредством биорадиолокационного мониторинга. Раскрываются основные этапы разработки алгоритма определения структуры сна на основе биорадиолокационного мониторинга.