Passive microwave radiometry in biomedical studies

Passive microwave radiometry (MWR) measures natural emissions in the range 1–10 GHz from proteins, cells, organs and the whole human body. The intensity of intrinsic emission is determined by biochemical and biophysical processes. The nature of this process is still not very well known. Infrared thermography (IRT) can detect emission several microns deep (skin temperature), whereas MWR allows detection of thermal abnormalities down to several centimeters (internal or deep temperature). MWR is noninvasive and inexpensive. It requires neither fluorescent nor radioactive labels, nor ionizing or other radiation. MWR can be used in early drug discovery as well as preclinical and clinical studies

DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF AN ULTRA WIDEBAND MINIATURE MEDICAL ANTENNA FOR RADIOMETRIC MULTI-CHANNEL MULTI-FREQUENCY THERMAL MONITORING

The article is devoted to the development of a printed ultra-wideband miniature antenna that can be used for microwave radiometry. An antenna design with a ring-shaped radiator has been proposed, which provides reception of microwave radiation from biological tissues in the 1800–4600 MHz range. The results of mathematical modeling of the antenna electromagnetic field in biological tissues using the finite difference time domain (FDTD) method are presented. Optimization of the antenna design has been carried out to ensure acceptable matching parameters and optimal antenna functionality. The developed antenna has a height of 6 mm and a calculated mass of 5 g; it is planned to manufacture a dielectric substrate based on PDMS polymer with the addition of barium titanate. The issues of calculating the antenna parameters (measurement depth, resolution and distribution of radiation power over the volume of biological tissue, sensitivity, etc.) are considered. The research results and design parameters of the developed antenna demonstrated the effectiveness of the new antenna and the possibility of its adaptation to the object of research. Considering the presence of an ultra-wide band and miniature dimensions, the antenna can be a sensor of a multi-frequency multi-channel microwave radiothermograp

Monitoring Protein Denaturation of Egg White Using Passive Microwave Radiometry (MWR)

Passive microwave radiometry (MWR) is a measurement technique based on the detection of passive radiation in the microwave spectrum of different objects. When in equilibrium, this radiation is known to be proportional to the thermodynamic temperature of an emitting body. We hypothesize that living systems feature other mechanisms of emission that are based on protein unfolding and water rotational transitions. To understand the nature of these emissions, microwave radiometry was used in several in vitro experiments. In our study, we performed pilot measurements of microwave emissions from egg whites during denaturation induced by ethanol. Egg whites comprise 10% proteins, such as albumins, mucoproteins, and globulins. We observed a novel phenomenon: microwave emissions changed without a corresponding change in the water’s thermodynamic temperature. We also found striking differences between microwave emissions and thermodynamic temperature kinetics. Therefore, we hypothesize that these two processes are unrelated, contrary to what was thought before. It is known that some pathologies such as stroke or brain trauma feature increased microwave emissions. We hypothesize that this phenomenon originates from protein denaturation and is not related to the thermodynamic temperature. As such, our findings could explain the reason for the increase in microwave emissions after trauma and post mortem for the first time. These findings could be used for the development of novel diagnostics methods. The MWR method is inexpensive and does not require fluorescent or radioactive labels. It can be used in different areas of basic and applied pharmaceutical research, including in kinetics studies in biomedicine

Use of Microwave Radiometry to Monitor Thermal Denaturation of Albumin

This study monitored thermal denaturation of albumin using microwave radiometry. Brightness Temperature, derived from Microwave Emission (BTME) of an aqueous solution of bovine serum albumin (0.1 mM) was monitored in the microwave frequency range 3.8–4.2 GHz during denaturation of this protein at a temperature of 56°C in a conical polypropylene cuvette. This method does not require fluorescent or radioactive labels. A microwave emission change of 1.5–2°C in the BTME of aqueous albumin solution was found during its denaturation, without a corresponding change in the water temperature. Radio thermometry makes it possible to monitor protein denaturation kinetics, and the resulting rate constant for albumin denaturation was 0.2 ± 0.1 min−1, which corresponds well to rate constants obtained by other methods

Passive Microwave Radiometry and microRNA Detection for Breast Cancer Diagnostics

Breast cancer prevention is an important health issue for women worldwide. In this study, we compared the conventional breast cancer screening exams of mammography and ultrasound with the novel approaches of passive microwave radiometry (MWR) and microRNA (miRNA) analysis. While mammography screening dynamics could be completed in 3–6 months, MWR provided a prediction in a matter of weeks or even days. Moreover, MWR has the potential of being complemented with miRNA diagnostics to further improve its predictive quality. These novel techniques can be used alone or in conjunction with more established techniques to improve early breast cancer diagnosis

Passive Microwave Radiometry for the Diagnosis of Coronavirus Disease 2019 Lung Complications in Kyrgyzstan

The global spread of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, which causes coronavirus disease 2019 (COVID-19), could be due to limited access to diagnostic tests and equipment. Currently, most diagnoses use the reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and chest computed tomography (CT). However, challenges exist with CT use due to infection control, lack of CT availability in low- and middle-income countries, and low RT-PCR sensitivity. Passive microwave radiometry (MWR), a cheap, non-radioactive, and portable technology, has been used for cancer and other diseases’ diagnoses. Here, we tested MWR use first time for the early diagnosis of pulmonary COVID-19 complications in a cross-sectional controlled trial in order to evaluate MWR use in hospitalized patients with COVID-19 pneumonia and healthy individuals. We measured the skin and internal temperature using 30 points identified on the body, for both lungs. Pneumonia and lung damage were diagnosed by both CT scan and doctors’ diagnoses (pneumonia+/pneumonia−). COVID-19 was determined by RT-PCR (covid+/covid−). The best MWR results were obtained for the pneumonia−/covid− and pneumonia+/covid+ groups. The study suggests that MWR could be used for diagnosing pneumonia in COVID-19 patients. Since MWR is inexpensive, its use will ease the financial burden for both patients and countries. Clinical Trial Number: NCT04568525

Розробка мініатюрні мікрохвильова радіотермографи для моніторингу внутрішньої температури головного мозку

To improve efficiency of non-invasive monitoring of the internal brain temperature, a small-size single-channel microwave radiothermograph consisting of a miniature radiometer and a radiometric sensor based on a printed antenna was developed. Such solution is necessary to provide physicians with a system of non-invasive monitoring of diagnosis and treatment processes. Mathematical modeling and experimental verification of the technical solutions obtained are described in this paper. A miniature radiothermometer was developed. It is a balance modulation radiometer designed on the basis of the R.H. Dicke’s circuit with two loads. Taking into account the requirements of miniaturization, a radiometric sensor was developed by means of numerical simulation. As a result of calculations, optimum antenna dimensions were determined (the total size: ø30 mm, the size of the foil flane substrate: ø23 mm, dimensions of the emitter slot: 16 mm×2 mm). According to the mathematical modeling, the depth of detection of thermal anomalies was not less than 20 mm for the printed antenna which is practically the same as for the waveguide antenna successfully used at present in brain radiothermometry.The standing wave coefficient was determined for various head regions: frontal, temporal, parietal, occipital and the transient between the occipital and parietal regions. Experimental tests of the radiothermograph on water phantoms and biological objects have been carried out. A very good coincidence between the data of numerical simulation and the physical SWR experiment in a range of 1.04–1.8 was obtained. As a result of the study, it has been found that the radiothermograph with a printed slot antenna enabled measurement of internal brain temperature with an acceptable accuracy (±0.2 °C). This will ensure control of craniocerebral hypothermia in patients with brain stroke and allow doctors to promptly change the hypothermia tactics. Small size of the created unit will make it possible to combine it with medical robotic systems to improve treatment effectiveness.Для повышения эффективности неинвазивного мониторинга внутренней температуры головного мозга осуществлена разработка малогабаритного одноканального микроволнового радиотермографа, состоящего из миниатюрного радиометра и радиометрического датчика на основе печатной антенны. Подобное решение необходимо для того, чтобы обеспечить врачей системой неинвазивного бездозового мониторинга лечения и диагностики. В работе описаны математическое моделирование и экспериментальная верификация полученных технических решений. Разработан миниатюрный радиотермометр, являющийся балансным модуляционным радиометром, построенным на основе схемы R. H. Dicke с двумя нагрузками. С учётом требований миниатюризации создан радиометрический датчик с помощью численного моделирования. В результате расчётов определены оптимальные размеры конструкции антенны: общий размер ø30 мм, размер подложки из фольгированного флана составил – ø23 мм, размер щели излучателя – 16×2 мм. По данным математического моделирования глубина выявления тепловых аномалий составила не менее 20 мм для печатной антенны, что практически не отличается от волноводной антенны, успешно применяемой в радиотермометрии мозга.Выполнены измерения коэффициента стоячей волны для различных точек головы человека: лобной, височной, теменной, затылочной и переходной между затылочной и теменной областями головы. Проведены экспериментальные исследования радиотермографа на водном фантоме и биологическом объекте. Показано очень хорошее совпадение между данными численного моделирования и физического эксперимента КСВ в диапазоне 1.04–1.8. В результате исследований установлено, что радиотермограф с печатной щелевой антенной позволяет осуществлять измерение внутренней температуры головного мозга с приемлемой точностью (±0.2 °C). Это обеспечит контроль краниоцеребральной гипотермии мозга у пациентов с инсультом и позволит оперативно менять тактику проведения гипотермии. Небольшие размеры созданной аппаратуры позволят совмещать её с другими медицинскими роботизированными системами для повышения эффективности леченияДля підвищення ефективності неінвазивного моніторингу внутрішньої температури головного мозку здійснено розробку малогабаритного одноканального мікрохвильового радіотермографа, що складається з мініатюрного радіометра і радіометричного датчика на основі друкованої антени. Подібне рішення необхідно для того, щоб забезпечити лікарів системою неінвазивного бездозового моніторингу лікування та діагностики. В роботі описані математичне моделювання та експериментальна верифікація отриманих технічних рішень. Розроблено мініатюрний радіотермометрії, що є балансним модуляційним радіометром, побудованим на основі схеми R. H. Dicke з двома навантаженнями. З урахуванням вимог мініатюризації створений радіометричний датчик за допомогою чисельного моделювання. В результаті розрахунків визначено оптимальні розміри конструкції антени: загальний розмір ø30 мм, розмір підкладки з фольгованого Флан склав – ø23 мм, розмір щілини випромінювача – 16×2 мм. За даними математичного моделювання глибина виявлення теплових аномалій склала не менше 20 мм для друкованої антени, що практично не відрізняється від хвилеводної антени, яка успішно застосовується в радіотермометрії мозку.Виконано вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі для різних точок голови людини: лобової, скроневої, тім'яної, потиличної і перехідною між потиличної і тім'яної областями голови. Проведено експериментальні дослідження радіотермографи на водному фантомі і біологічному об'єкті. Показано дуже гарний збіг між даними чисельного моделювання та фізичного експерименту КСВ в діапазоні 1.04–1.8. В результаті досліджень встановлено, що радіотермограф з друкованою щілинною антеною дозволяє здійснювати вимірювання внутрішньої температури головного мозку з прийнятною точністю (±0.2 °C). Це забезпечить контроль краніоцеребральної гіпотермії мозку у пацієнтів з інсультом і дозволить оперативно змінювати тактику проведення гіпотермії. Невеликі розміри створеної апаратури дозволять поєднувати її з іншими медичними роботизованими системами для підвищення ефективності лікуванн