Breedbandige elektrische sensoren en ablatie-apparaten voor de endoscopische diagnose en behandeling van kanker

Kanker is momenteel de op één na meest voorkomende doodsoorzaak in de ontwikkelde landen. Binnen deze groep vertoont dikkedarmkanker de grootste toename in incidentie, en het is momenteel de op één na dodelijkste. Daarom worden voortdurend nieuwe technieken gepresenteerd om de opsporingsgraad in vroegere stadia te verhogen, waar de overlevingskans veel groter is. In de laatste eeuw, sinds de ontdekkingen van H.P. Schwan, heeft het gebruik van diëlektrische eigenschappen van weefsels aan interesse gewonnen. Deze nieuwe inzichten hebben geleid tot nuttige technieken en toepassingen in de strijd tegen kanker. Deze doctoraatsscriptie volgt dit spoor en tracht een nieuw perspectief te brengen in dit brede onderzoeksdomein. Ten eerste worden suggesties gedaan voor een beter gestructureerd meetprotocol. Vervolgens wordt dit protocol toegepast voor diëlektrische metingen van spierweefsel in een breed temperatuursbereik. Tenslotte wordt een topologie voor een applicator voorgesteld voor diëlektrische detectie en thermische therapie.

Verschillende methoden bestaan en worden op grote schaal gebruikt om diëlektrische gegevens te meten in het frequentiegebied van enkele Hz tot THz. Door het ontbreken van een gestandaardiseerd kader blijven deze vergelijkende studies echter een uitdaging. De vraag blijft of de aanwezige verschillen tussen verschillende weefsels hun oorsprong vinden in weefselkenmerken, of dat het gebruikte meetprotocol deze verschillen introduceert. Doorheen de jaren zijn verschillende factoren vastgesteld die de diëlektrische metingen beïnvloeden. In deze scriptie worden bovendien twee bijkomende factoren aangehaald die niet verwaarloosd mogen worden. De eerste betreft de uitdroging van het weefselstaal. Deze uitdroging is vooral belangrijk tijdens metingen bij lichaamstemperatuur of bij ablatie temperaturen. Het gepresenteerde onderzoek toont aan dat relatieve veranderingen in diëlektrische eigenschappen tot 9% werden waargenomen gedurende 35 minuten bij metingen bij lichaamstemperatuur. Door de luchtstroom rond het weefselstaal te verminderen door het in een afgesloten container te bewaren, worden de diëlektrische eigenschappen gestabiliseerd en is een langere meetperiode haalbaar.

Ten tweede werd de invloed van de contactdruk tussen de probe en het weefsel van de meest gebruikte meetprobe gerapporteerd. Bij het proben van het weefsel werd een exponentieel afnemende contactdruk waargenomen waarbij het weefsel zich aanpast aan de vorm van de probe. Dit proces heeft tijdconstanten tot een minuut. Daarom werd een gecontroleerd liftplatform in de meetopstelling geïntroduceerd om een stabiele druk te garanderen. Voor een contactdruk van 7.74 kPa tot 77.4 kPa, zijn de gemiddelde waargenomen relatieve veranderingen in het reële en imaginaire deel van de complexe permittiviteit -0.31 ± 0.09% en -0.32 ± 0.14% per kPa, respectievelijk. Gezien deze significante veranderingen beveelt dit werk een constante contactdruk aan die gerapporteerd wordt met de diëlektrische gegevens.

Bovendien, om de gewenste applicatoren te ontwerpen, is een adequaat diëlektrisch weefselmodel vereist. Hiernaast zal de weefseltemperatuur de diëlektrische eigenschappen sterk beïnvloeden en het diëlektrische model moet dus worden uitgebreid om deze temperatuurafhankelijkheid op te nemen. Daarom meet dit werk de diëlektrische eigenschappen van varkensspierweefsel in het bereik van 0.5-40 GHz bij temperaturen van 20°C tot 45°C. Op basis van de metingen wordt een éénpolig Cole-Cole model voorgesteld waarin de vijf Cole-Cole parameters gegeven worden door een eerste orde polynoom als functie van de temperatuur. Het diëlektrische model komt goed overeen met de beperkte diëlektrische modellen die in de literatuur bekend zijn voor spierweefsel bij 37°C. Dit maakt het geschikt voor het ontwerp van in vivo applicatoren. Bovendien zijn de diëlektrische gegevens bij 41°C tot 45°C van groot belang bij thermische therapie. Naast het diëlektrische model wordt een frequentiebereik van 2-6 GHz voor applicatoren gesuggereerd.

Gezien de bestaande verschillen in diëlektrische gegevens tussen gezond en kankerachtig darmweefsel, wordt in deze thesis een complementaire splitring resonator topologie voor diagnostische doeleinden voorgesteld die in het bovengenoemde frequentiegebied werkt. Drie ontwerpen worden gefabriceerd op een oppervlakte van 5 mm bij 5 mm en worden geëvalueerd op gevoeligheid en penetratiediepte. Een verschuiving in de resonantiefrequentie van 2.544 GHz wordt waargenomen over een breed permittiviteitsbereik van 1 tot 80 en een penetratiediepte tot 7 mm wordt vastgesteld. Bovendien wordt een deconvolutiegebaseerd algoritme voorgesteld dat  de ruimtelijke resolutie van de sensor verbetert. Met behulp van een conformal mapping functie en de specifieke point spread functie van de sensor worden objecten gedetecteerd die kleiner zijn dan de sensor zelf. Een ruimtelijke resolutie van 2 mm wordt verkregen volgens het Rayleigh-criterium, en meerdere objecten met variërende permittiviteitswaarden worden met succes gereconstrueerd.

Vervolgens wordt de complementaire split-ring resonator topologie geïmplementeerd op een hulpstuk voor gebruik tijdens een colonoscopie. In dit werk wordt een flexibel, buisvormig ontwerp met zes afzonderlijke segmenten op een dun polyimidesubstraat voorgesteld. De segmenten zetten zich zo uit dat de geïntegreerde sensoren rechtstreeks in contact komen met het weefsel. Gezien de aard van het flexibele ontwerp zijn verschillende dilatatatieniveaus mogelijk voor variërende darmdiameters. Wanneer de sensor in contact komt met het weefsel, wordt een gevoeligheid tot 1.487 GHz waargenomen. Bovendien kunnen meerdere sensoren worden ingebouwd terwijl het aantal interconnecties wordtbeperkt door frequentiemultiplexing. Voorts wordt de lijvige vector netwerk analysator vervangen door een compacte en goedkope meetuitvoering zonder dat dit ten koste gaat van de meetnauwkeurigheid.

Tenslotte wordt de voorgestelde topologie gebruikt voor thermische therapie. Hier levert een vermogensversterker een 1.5 W signaal om de complementaire split-ring resonator te exciteren. Met een elektronisch geregelde verwarmingslus kan het staal tot 50°C worden  erwarmd met een gemiddelde verwarmingssnelheid van 0.72°C per seconde. Bovendien wordt, gezien de twee resonantiefrequenties van de complementaire split-ring resonator topologie, een bimodale werking onderzocht. Hier wordt de eerste frequentieband aangewend voor verwarming, terwijl de tweede de resonantiefrequentie volgt die afhangt van de diëlektrische eigenschappen van het verwarmde weefselstaal. Aangezien de temperatuur van het weefsel zijn diëlektrische eigenschappen beïnvloedt, en dus ook de resonantiefrequentie beïnvloedt, kan de temperatuur van het weefsel worden afgeleid uit de resonantiefrequentie. In het waargenomen temperatuurbereik van 20°C tot 50°C werd een positieve correlatie gemeten tussen de temperatuur van het weefsel en de resonantiefrequentie. Thermische therapie en thermometrie zijn dus mogelijk met slechts één enkele applicator, terwijl andere bestaande systemen telkens nog een bijkomend thermometriesysteem vereisen.