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.

Лекция посвящена обзору методов медицинской визуализации, в которых используются относительно низкочастотные электромагнитные поля. К таким методам относятся электроимпедансная, магнитоиндукционная и электрополевая томография. Их объединяет то, что длина волны зондирующего поля существенно превосходит размеры исследуемого объекта. Это позволяет исследовать внутреннюю структуру сред с высокой электропроводностью, в частности, биологических, но делает задачу обработки результатов измерений и реконструкции изображений весьма сложной.

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.

Our presentation will be focused on recent Czech research activities in the area of applications of microwaves in medicine and biology. It will deal with description of microwave technologies in thermotherapy, especially oriented on cancer treatment. Projects on new type hyperthermia applicators (e.g. based on MTM technology, etc.) will be mentioned. Further perspective of microwave methods for medical diagnostics will be described, namely project on Microwave Differential Tomography and project oriented on UWB radar system (both with potential for medical diagnostics and for non-invasive temperature measurement as well) will be mentioned. Last but not least, examples of research of biological effects of EM fields (both thermal and non-thermal) will be presented. We will underline international cooperation of Czech researchers with experts from other countries.

Биорадиолокация - это метод дистанционного обнаружения и диагностики биологических объектов с помощью радиолокационных средств, даже за оптически непрозрачными препятствиями и в условиях плохой видимости. Устройства, связанные с этим методом, называются биорадарами.

Этот метод основан на модуляции отраженного сигнала, вызванной движениями человеческого тела и внутренних органов. В условиях, когда испытуемый сохраняет спокойное состояние (например, спит или сидит в фиксированной позе), модуляция биорарадиолокационного сигнала вызвана в основном респираторными движениями (0,2-0,5 Гц) и пульсациями его сердца и поверхностных артерий (0,7-1,5 Гц). Амплитуда смещения поверхности грудной клетки, вызванная сокращениями дыхательных мышц, составляет около 1 см, тогда как тот же параметр, связанный с биениями сердца всего лишь несколько мм. Существует также возможность записи движения органов речи человека (артикуляции): языка, губ, горла и грудной клетки.

Биорадиолокатор, способный дистанционно обнаруживать и проводить диагностику состояния человека за препятствиями и в условиях плохой видимости, может быть использован для многообразных применений. Потенциальными потребителями такого рода радара являются: спасательные службы, антитеррористические подразделения и правоохранительные органы. Возможно также использовать это устройство в медицинских целях.

Экспериментальные результаты иллюстрируются на примере монохроматического биорадиолокатора с непрерывным излучением. Представлены записанные осциллограммы и их частотные спектры для биения сердца, дыхания и артикуляции человека, проходящего за стеной. Во второй части лекции представлена простейшая теория монохроматического биорадара и эффектов, которые сопровождают это устройство.

В заключительной части описаны возможные применения биорадиоляции.

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 ходе лекции будут обсуждаться вопросы использования радиолокаторов малой дальности и термографов в исследованиях с участием лабораторных животных, в том числе, связанные с дистанционным и бесконтактным мониторингом различных физиологических параметров животного. Будет представлена информация о технических характеристиках биорадиолокаторов, разработанных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также приведено описание экспериментов, проводимых при участии сотрудников Лаборатории дистанционного зондирования, с использованием бесконтактных методов для случаев, когда объектом исследований являлось лабораторное животное. На основе анализа экспериментальных данных будет показано, что метод биорадиолокации может быть использован для бесконтактной регистрации паттернов дыхания и двигательной активности животного, кроме того на основе анализа биорадиолокационных данных возможно проведение оценок продолжительности фаз цикла сон - бодрствование.

Дан краткий обзор существующих радаров, предназначенных для обнаружения людей за оптически непрозрачными преградами.Приведены результаты работ, выполненных в ФГУП СКБ ИРЭ РАН по разработкам радаров ближнего действия, предназначенных для обнаружения местонахождения и параметров движения людей скрытых лесной растительностью, строительными конструкциями, завалами; для дистанционной диагностики параметров жизнедеятельности человека таких, как частота и амплитуда дыхания, пульса. Рассматривается вопрос выбора параметров зондирующих сигналов, особенности схемного решения радаров. Дано описание алгоритма сбора и обработки данных. Представлены экспериментальные данные обнаружения движущихся и неподвижных людей.

In the recent years, there has been a growing interest in microwave medical imaging. Compared to the conventional technologies, the main advantages of microwave imaging systems are their portability, low-cost, and non-ionizing radiation. The majority of clinical applications have focused on breast imaging, but lately the efforts have been extended to other modalities such as bone and brain imaging. Numerous techniques have been proposed for this purpose. Some examples are the time-domain beamforming, the conjugate gradient approach, Gauss-Newton optimization etc.

In this presentation, we will consider the application of the compressive sensing for the three-dimensional breast-cancer and brain tumor localization. Compressive sensing techniques (sparse imaging) are known to yield clean and focused images with suppressed artifacts. These techniques are particularly suitable for situations in which targets occupy only a small part of the observed domain. Typically, this is the case in differential microwave imaging, where the goal is to locate small changes between consecutive measurements instead of retrieving the permittivity of the whole investigated domain. Examples of differential microwave imaging apparatuses are the wearable breast-cancer detection system and the stroke-finder system.

In the development of the electromagnetic model, we will assume that variations the tissue parameters between two measurements are small in order to linearize the scattering equation. Assuming that some prior-knowledge of the breast and brain tissue is available, we will study models in which the trans-polarization is fully taken into account. By considering various array configurations, we will also investigate the robustness of the algorithm to the errors in the electromagnetic parameters of the tissue.

Спектрофотометрия биологических тканей в красном и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн от 650 нм до 900 нм (NIRS - near infrared spectroscopy, fNIRS – functional NIRS) является активно развивающимся направлением функциональной диагностики с широкими возможностями и широким спектром решаемых задач в различных областях: неонатологии, хирургии, анестезиологии, реанимации, спортивной медицины, реабилитации, неврологии, психофизиологических исследованиях и нейрофизиологии.

В данном сообщении речь пойдёт о возможностях спектрофотометрического метода для исследования биологических тканей in vivo, в том числе применительно к проблеме микрогемоциркуляции. Будут рассмотрены варианты технической реализации метода и решаемые задачи для обеспечения количественных измерений, многоканального картирования, проблема обратной задачи, вопросы интерпретации данных, проблема бесконтактных измерений и дополнительные потенциальные возможности метода.

На сегодняшний день применение метода спектрофотометрии биотканий в клинической практике базируется в основном на оценке поглощения оптического излучения в биоткани, оценке параметров локального кровотока и их динамики в абсолютных единицах неинвазивно и с высоким временным разрешением. Это позволяет судить об уровне функциональной активности ткани, реакции на внешние стимулы, об адекватности поставки кислорода текущим метаболическим потребностям исследуемого объема ткани в условиях стресса и повышенной психоэмоциональной нагрузки. Фазовый анализ сигналов тканевой оксиметрии позволяет выделять и количественно характеризовать индивидуальную реакцию испытуемого на внешние воздействия. Анализ медленных гемодинамических колебаний по спектрофотометрическому сигналу позволяет оценивать метаболические изменения в тканях и нейровегетативное обеспечение в различных ситуациях.

Наиболее перспективны многоканальные измерения для исследования пластичности мозга, изучения когнитивных и двигательных функций и их нарушений, для ранней диагностики в неонатологии, в неврологии, при реабилитации после травм и инсультов. Особое место занимает новая область спектрофотометрических многоканальных исследований, называемая гиперсканированием, изучающая процессы синхронизации активности головного мозга у взаимодействующих двух и более испытуемых. Разработка нейрокомпьютерного интерфейса на основе спектрофотометрического подхода является важным направлением.

Over the last two decades, Microwave Imaging (MWI) has been investigated as a novel imaging and diagnostics technique for detection of breast cancer. A number of early small-scale clinical experiments have clearly illustrated the potential of the technology, while also revealing some significant remaining challenges. The talk will comprise the description of radar based methods to identify the presence and location of significant dielectric scatterers within the breast. Apart from using reflected microwave energy to reconstruct images of the breast, the tumour reflections (or Radar Target Signatures) may contain additional information on the shape and size of the tumour. This information could potentially be used for tumour classification. Numerical and physical models, which can be used to realistically mimic the size, shape and growth patterns of breast tumours in electromagnetic numerical models, are presented. Next, a range of tumour classification algorithms based on the Radar Target Signatures of tumours is presented.

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.