Diseño e implementación de sistemas de medida no invasivos basados en microondas para aplicaciones médicas: detección del desplazamiento cerebral, detección de aneurismas de aorta abdominal y evaluación de la calidad de las suturas de anastomosis intestinal

Abstract

La imagen médica es una tecnología no invasiva que se utiliza para visualizar el interior del cuerpo humano con el fin de diagnosticar, monitorizar o detectar alguna anomalía. En los últimos años los sistemas de imágenes por microondas para aplicaciones médicas se han convertido en una técnica ampliamente investigada debido a su potencial para proporcionar herramientas de diagnóstico portátiles, seguras, de bajo coste y no ionizantes. Esta Tesis Doctoral está centrada en el desarrollo de tres sistemas de imagen médica por microondas basadas en radar para distintas aplicaciones de diagnóstico médico, en concreto la detección del desplazamiento cerebral, la detección de aneurismas de aorta abdominal y la evaluación de la calidad de las suturas de anastomosis intestinal mediante la determinación de fugas anastomóticas. Los sistemas desarrollados se han adaptado a cada una de las aplicaciones tanto a nivel hardware como software. En la parte software se ha utilizado un procesado de señal en el dominio del tiempo y algoritmos de imagen médica para obtener una mejor interpretación de los resultados. Con respecto a los elementos más importantes del sistema de la parte hardware, casi todo el esfuerzo se ha centrado en la realización de tres tipos distintos de antenas monopolo impresas de banda ancha de pequeño tamaño adaptadas a las necesidades del sistema y de la aplicación. El primer sistema de imagen médica por microondas basado en radar presentado en este trabajo muestra una prueba de concepto para la detección del desplazamiento cerebral. Este sistema utiliza 12 antenas idénticas para la transmisión y recepción de señales de banda ancha hacia el objeto bajo estudio. Las antenas son de tipo monopolo impresas de banda ancha con alimentación coplanar y una geometría rectangular escalonada, que se sitúan sobre una especie de casco. Este sistema se basa en la estimación de las variaciones tanto de la posición como de la geometría del cerebro para detectar si se han producido variaciones destacables. El segundo sistema desarrollado en esta Tesis muestra una prueba de concepto para la detección de aneurismas de aorta abdominal. Este sistema utiliza 16 antenas idénticas que se sitúan sobre una lámina de metacrilato que se ha posicionado encima de un modelo de torso. La antena propuesta es una antena de parche rectangular monopolo impresa de banda ancha con alimentación microstrip y dos slots o ranuras en el plano de tierra. Este prototipo tiene la capacidad de generar imágenes en un plano que permite la detección, localización y la fácil identificación visual, de posibles aneurismas de aorta abdominal con un bajo error en su posicionamiento. El ultimo sistema propuesto en este trabajo está centrado en la evaluación de la calidad de las suturas de anastomosis intestinal mediante la determinación de fugas anastomóticas. El sistema está compuesto de dos aplicadores y cada uno presenta cuatro antenas independientes. Las antenas son de tipo monopolo impreso de banda ancha con alimentación microstrip, la geometría seleccionada en este caso es de tipo rectangular y presenta una transición entre la línea de alimentación y el parche radiante. Los aplicadores han sido diseñados con distintos materiales para focalizar la radiación hacia la zona de medida. Se ha desarrollado un modelo digital de los aplicadores junto con un modelo de intestino, en el que se han analizado las distintas fases y procesos de la anastomosis. En base a los resultados obtenidos, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, se concluye que el sistema permite detectar las diferentes fases del proceso de anastomosis, así como una posible fuga anastomótica.

Medical imaging is a non-invasive technology used to visualise the inside of the human body in order to diagnose, monitor or detect any abnormalities. In recent years, microwave imaging systems for medical applications have become a widely researched technique due to their potential to provide portable, safe, low-cost and non-ionising diagnostic tools. This Doctoral Thesis is focused on the development of three radar-based microwave medical imaging systems for different medical diagnostic applications, specifically the detection of the brain-shift effect, the detection of abdominal aortic aneurysms and the quality assessment of intestinal anastomosis sutures by determining anastomotic leaks. The systems developed have been adapted to each of the applications in both hardware and software level. In the software part, time domain signal processing and medical imaging algorithms have been used to obtain a better interpretation of the results. Regarding the most important elements of the hardware part of the system, almost all the effort has been focused on the realisation of three different types of small-sized broadband printed monopole antennas adapted to the needs of the system and the application. The first radar-based microwave medical imaging system presented in this work shows a proof of concept for the detection of the brain-shift. This system uses 12 identical antennas for the transmission and reception of broadband signals towards the object under study. The antennas are broadband printed monopole type with coplanar feed and a stepped rectangular geometry, which are placed on a kind of helmet. This system is based on the estimation of variations in both the position and geometry of the brain to detect if there have been significant variations. The second system developed in this Thesis shows a proof of concept for the detection of abdominal aortic aneurysms. This system uses 16 identical antennas that are placed on a methacrylate sheet on top of a torso model. The proposed antenna is a broadband printed monopole rectangular patch antenna with microstrip feed and two slots in the ground plane. This prototype has the capacity to generate images in a plane that allows the detection, localisation and easy visual identification of possible abdominal aortic aneurysms with a low error in their positioning. The last system proposed in this work focuses on the evaluation of the quality of intestinal anastomotic sutures by determining anastomotic leaks. The system is composed of two applicators and each one has four independent antennas. The antennas are broadband printed monopole type with microstrip feed, the geometry selected in this case is rectangular and has a transition between the feed line and the radiating patch. The applicators have been designed with different materials to focus the radiation towards the measurement area. A digital model of the applicators has been developed together with a model of the intestine in which the different phases and processes of the anastomosis have been analysed. Based on the results obtained, both in the time and frequency domain, it is concluded that the system allows the detection of the different phases of the anastomosis process, as well as a possible anastomotic leak.