Metamaterial designs to enhance microwave imaging applications

This paper presents an innovative metasurface design for emerging microwave brain imaging applications, such as stroke detection and monitoring. We have modelled different metamaterial designs in diverse setups, and have simulated their interactions with EM waves using CST Microwave Studio. Our results have shown an enhancement of penetration for the transmitted signals when the metamaterial film is placed in contact with the skin tissue. These results suggest that our design can be a significant hardware advance towards scanners for brain imaging

Two 27 MHz Simple Inductive Loops, as Hyperthermia Treatment Applicators: Theoretical Analysis and Development

Background. Deep heating is still the main subject for research in hyperthermia treatment. Aim. The purpose of this study was to develop and analyze a simple loop as a heating applicator. Methods. The performance of two 27 MHz inductive loop antennas as potential applicators in hyperthermia treatment was studied theoretically as well as experimentally in phantoms. Two inductive loop antennas with radii 7 cm and 9 cm were designed, simulated, and constructed. The theoretical analysis was performed by using Green’s function and Bessel’s function technique. Experiments were performed with phantoms radiated by the aforementioned loop antennas. Results. The specific absorption rate (SAR) distributions were estimated from the respective local phantom temperature measurements. Comparisons of the theoretical, simulation, and experimental studies showed satisfying agreement. The penetration depth was measured theoretically and experimentally in the range of 2–3.5 cm. Conclusion. The theoretical and experimental analysis showed that current loops are efficient in the case where the peripheral heating of spherical tumor formation located at 2–3.5 cm depth is required

A Glucose Sensing System Based on Transmission Measurements at Millimetre Waves using Micro strip Patch Antennas

AbstractWe present a sensing system operating at millimetre (mm) waves in transmission mode that can measure glucose level changes based on the complex permittivity changes across the signal path. The permittivity of a sample can change significantly as the concentration of one of its substances varies: for example, blood permittivity depends on the blood glucose levels. The proposed sensing system uses two facing microstrip patch antennas operating at 60 GHz, which are placed across interrogated samples. The measured transmission coefficient depends on the permittivity change along the signal path, which can be correlated to the change in concentration of a substance. Along with theoretical estimations, we experimentally demonstrate the sensing performance of the system using controlled laboratory samples, such as water-based glucose-loaded liquid samples. We also present results of successful glucose spike detection in humans during an in-vivo Intravenous Glucose Tolerance Test (IVGTT). The system could eventually be developed into a non-invasive glucose monitor for continuous monitoring of glucose levels for people living with diabetes, as it can detect as small as 1.33 mmol/l (0.025 wt%) glucose concentrations in the controlled water-based samples satisfactorily, which is well below the typical human glucose levels of 4 mmol/l.</jats:p

Study and development of antennas for microwave and THz biomedical applications

Various biomedical applications regarding diagnostic and therapeutic medicine are based on different properties of electromagnetic radiation, at a variety of frequency ranges such as microwaves and THz waves. Microwave imaging offers the possibility to spatially detect differences in the dielectric properties of biological tissues. THz radiation, while interacting with large biomolecules and proteins, produces a characteristic spectral response, or “fingerprint”. Consequently, the future clinical application of the aforementioned techniques requires developing effective antennas.In the framework of the present PhD Thesis, planar antennas suitable for biomedical applications are designed and measured. Specifically, regarding the microwave spectrum, two prototype uniplanar antennas are designed for microwave breast and brain imaging. Moreover, THz planar antennas with enhanced gain and directivity, in order to be used in THz spectroscopy of biomolecules, are presented.The uniplanar antennas, introducing a design of overlapping ellipses, operate at various frequencies over a wide spectrum from1 GHz to 9 GHz. The design and construction techniques used herein ensure preservation of antenna small dimensions, even while operating at the lower part of the selected frequency ranges. Both antennas are studied while radiating a breast and brain model including the use of a liquid matching medium to minimize reflections in both cases. In parallel, a metamaterial layer is designed to couple the radiation from the antenna to the breast phantom. Finally, three-overlapping-ellipse uniplanar antenna is studied in phantom experiments that exhibit its suitability for effective microwave imaging. At the THz frequency regime, bow-tie and rectangular planar antennas over a substrate with a printed split-ring resonators array are studied. The innovation of the presented antennas lies on the utilization of SRRs (metamaterial) substrate that improves antennas’ properties within the frequency band from 900 GHz to 1100 GHz. Various designs for the SRRs array are developed and examined as antenna substrates. The beneficial effect that the SRRs substrate has on the antenna performance is validated by scale measurements of the rectangular planar antennas on single SRRs at microwave frequencies.Πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές που σχετίζονται με τη διαγνωστική και θεραπευτική ιατρική βασίζονται στην εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαφόρων συχνοτήτων, όπως είναι τα μικροκύματα και η THz ακτινοβολία. H μικροκυματική ακτινοβολία προσφέρει τη δυνατότητα απεικόνισης των βιολογικών ιστών μέσω του χαρακτηρισμού των διηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα THz συχνοτήτων όταν αλληλεπιδρούν με μεγάλα βιομόρια και πρωτεΐνες δημιουργείται μία χαρακτηριστική φασματική απόκριση, «αποτύπωμα», που επιτρέπει την ταυτοποίησή τους. Συνεπώς, η ανάπτυξη κατάλληλων κεραιών αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για τη μελλοντική κλινική εφαρμογή των τεχνικών αυτών. Σε αυτό το πλαίσιο, το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η σχεδίαση, ανάπτυξη και μέτρηση επίπεδων κεραιών για βιοϊατρικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, όσων αφορά το μικροκυματικό φάσμα συχνοτήτων, αναπτύσσονται πρωτότυπες ομοεπίπεδες κεραίες για απεικόνιση μαστού και εγκεφάλου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται THz επίπεδες κεραίες με ενισχυμένο κέρδος και κατευθυντικότητα για φασματοσκοπία βιομορίων. Η σχεδίαση των ομοεπίπεδων κεραιών, των οποίων η γεωμετρία προκύπτει από επικαλυπτόμενες ελλείψεις, βασίζεται σε τεχνικές που επιτρέπουν τη λειτουργία τους σε διάφορα διαστήματα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, 1 - 9 GHz, ενώ ταυτόχρονα διεγείρονται χαμηλές συχνότητες διατηρώντας το μικρό μέγεθος των κεραιών. Οι δύο κεραίες εξετάζονται κατά την ακτινοβόληση σε ομοιώμα μαστού και εγκεφάλου. Επιπλέον, αναπτύσσεται στρώμα ματαϋλικού, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό προσαρμογής μεταξύ των κεραιών και του ιστού. Τέλος, η μέτρηση της ομοεπίπεδης κεραίας από τρεις επικαλυπτόμενες ελλείψεις επαληθεύει την αποτελεσματικότητα της κεραίας για τη χρησιμοποίησή της στις πιο πάνω εφαρμογές.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, μελετώνται THz επίπεδες κεραίες, παπιγιόν και τετραγωνικές, σε υπόστρωμα από τυπωμένες μήτρες συντονιστών δακτυλίου με διάκενο (split-ring resonators, SRRs). Η καινοτομία των σχεδίων έγκειται στο υπόστρωμα μεταϋλικού, το οποίο βελτιώνει τα χαρακτηριστικά των κεραιών σε συχνότητες 900 – 1100 GHz. Για αυτό το σκοπό, εξετάζονται πρωτότυπα σχέδια για υποστρώματα με μήτρες από SRRs και η επίδρασή τους στις επίπεδες THz κεραίες. Για επιβεβαίωση των βασικών αρχών σχεδίασης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε κλίμακα της τετραγωνικής κεραίας σε υπόστρωμα με απλούς συντονιστές με διάκενο ενισχύοντας την υπόθεση ότι η χρήση του μεταϋλικού ενισχύει την απόδοση της κεραίας