Microwave imaging for brain functional monitoring

Abstract

(English) The use of microwave imaging techniques in medical applications has gained significant interest because of its non-ionizing character, low cost, and body penetrability. Different techniques and systems for microwave imaging have been successfully developed and tested for the diagnosis and monitoring of different parts of the human body to detect certain diseases by means of determining their complex permittivity distribution representing the electrical biological condition. This thesis proposes to open a new avenue adding to the previous biological condition imaging capabilities some trace of its biological activity. With this goal, a novel microwave technique oriented to locate and detect the low-frequency signals approaching the functional activity of a certain biological organ. These electrical signals, responsible for the different biological phenomena, are normally identified as action or membrane potential. Due to their low-frequency character (f ≃ 1 kHz), they stay mostly confined inside the human body and different kinds of contact electrodes are normally employed to measure them. In this work, we propose a novel technique to extract (from the inside of the human body) and wirelessly monitor these low-frequency signals (generated by a number of basic microorganisms as cells or bacteria mimicking the activity of the organ under study) based on the use of an illuminating microwave signal. Differently from the low-frequencies, the microwave signals are able to propagate inside (in and out) of the human body, being focused (with a Ultra-Wideband (UWB) - 0.5 to 2.5 GHz- multi-probe geometry) on a specific zone, and eventually becoming affected (modulated) by the low-frequency functional biological signals. Once extracted (de-modulated) from the interrogative microwave signal, the information of the action potential signal representing the functional activity, is spatially located inside the region of interest using a microwave differential imaging technique. In this work it has been specifically studied, the capability of monitoring localized action potential signals in the brain representing a Parkinson’s disease (PD), characterized by electrical signals generated in the subthalamic nucleus (STN) and the globus pallidus (GPi) with specific action potential patterns. Three main points have been developed:

* Design of an optimized imaging geometry consisting of four (sequentially Tx and Rx) UWB Extended Gap Ridge Horn (EGRH) antennas disposed on two orthogonal sets.

* Design of an UWB-Pulse Amplitude Modulation (PAM) monitoring system producing a nsec interrogation pulse

* Modeling and validation of the UWB Microwave Functional Brain Activity Extraction for Parkinson’s Disease Monitoring concept.

(Català) L'ús de tècniques d'imatge de microones en aplicacions mèdiques ha guanyat un interès important pel seu caràcter no ionitzant, el seu baix cost i la seva penetrabilitat corporal. S'han desenvolupat i provat amb èxit diferents tècniques i sistemes d'imatge per microones per al diagnòstic i seguiment de diferents parts del cos humà per detectar determinades malalties mitjançant la determinació de la seva complexa distribució de permitivitat que representa la condició biològica elèctrica. Aquesta tesi proposa obrir una nova via afegint a les capacitats anteriors d'imatge de la condició biològica algun rastre de la seva activitat biològica. Amb aquest objectiu, una nova tècnica de microones orientada a localitzar i detectar els senyals de baixa freqüència que s'acosten a l'activitat funcional d'un determinat òrgan biològic. Aquests senyals elèctrics, responsables dels diferents fenòmens biològics, s'identifiquen normalment com a potencial d'acció o de membrana. A causa del seu caràcter de baixa freqüència (f ≃ 1 kHz), es mantenen majoritàriament confinats dins del cos humà i normalment s'utilitzen diferents tipus d'elèctrodes de contacte per mesurar-los. En aquest treball, proposem una nova tècnica per extreure (des de l'interior del cos humà) i controlar sense fil aquests senyals de baixa freqüència (generats per una sèrie de microorganismes bàsics com cèl·lules o bacteris que imiten l'activitat de l'òrgan en estudi) basat en sobre l'ús d'un senyal il·luminador de microones. A diferència de les baixes freqüències, els senyals de microones són capaços de propagar-se dins (dins i fora) del cos humà, enfocant-se (amb una banda ultraampla (UWB) - 0,5 a 2,5 GHz- geometria multi-sonda) en una determinada zona, i finalment es veu afectada (modulada) pels senyals biològics funcionals de baixa freqüència. Un cop extreta (desmodulada) del senyal interrogatiu de microones, la informació del senyal de potencial d'acció que representa l'activitat funcional, es localitza espacialment dins de la regió d'interès mitjançant una tècnica d'imatge diferencial de microones. En aquest treball s'ha estudiat específicament, la capacitat de monitoritzar senyals de potencial d'acció localitzats al cervell que representen una malaltia de Parkinson (MP), caracteritzada per senyals elèctrics generats al nucli subtalàmic (STN) i al globus pàl·lid (GPi) amb acció específica. patrons potencials. S'han desenvolupat tres punts principals:

* Disseny d'una geometria d'imatge optimitzada que consta de quatre antenes UWB Extended Gap Ridge Horn (EGRH) (seqüencialment Tx i Rx) disposades en dos conjunts ortogonals.

* Disseny d'un sistema de monitorització de modulació d'amplitud de pols (PAM) UWB que produeix un pols d'interrogació nsec

* Modelització i validació del concepte UWB Microwave Functional Brain Activity Extraction per a la monitorització de la malaltia de Parkinson.

(Español) El uso de técnicas de imagen de microondas en aplicaciones médicas ha ganado un interés significativo debido a su carácter no ionizante, bajo costo y penetrabilidad corporal. Diferentes técnicas y sistemas para la proyección de imagen de la microonda se han desarrollado y probado con éxito para el diagnóstico y la vigilancia de diversas partes del cuerpo humano para descubrir ciertas enfermedades por medio de determinar su distribución compleja de la permitividad que representa el condición biológica eléctrica. Esta tesis propone abrir una nueva vía añadiendo a las capacidades de imagen de condición biológica anteriores algún rastro de su actividad biológica. Con este objetivo, una novedosa técnica de microondas orientada a localizar y detectar las señales de baja frecuencia que se aproximan a la actividad funcional de un determinado órgano biológico. Estas señales eléctricas, responsables de los diferentes fenómenos biológicos, normalmente se identifican como acción o potencial de membrana (respuestas de impulsos con amplitudes normalmente del orden de cientos de mV y frecuencias del orden de kHz -ms duraciones-). Debido a su carácter de baja frecuencia (fsimeq 1 kHz), permanecen confinados en su mayoría dentro del cuerpo humano y se emplean diferentes tipos de electrodos de contacto para medirlos. En este trabajo, proponemos una nueva técnica para extraer (desde el interior del cuerpo humano) y monitorear de forma inalámbrica estas señales de baja frecuencia (generadas por una serie de microorganismos básicos como células o bacterias que imitan la actividad del órgano en estudio) basado en el uso de una señal de microondas iluminadora. A diferencia de las bajas frecuencias, las señales de microondas son capaces de propagarse dentro (dentro y fuera) del cuerpo humano, siendo enfocadas (con una UWB - 0.5 a 2.5 GHz- geometría multi-probe) en una zona específica, y eventualmente se ven afectadas (moduladas) por las señales biológicas funcionales de baja frecuencia. Una vez extraída (de-modulada) de la señal de microondas interrogativa, la información de la señal de potencial de acción que representa la actividad funcional, se encuentra espacialmente dentro de la región de interés utilizando una técnica de imagen diferencial de microondas. En este trabajo se ha estudiado específicamente la capacidad de monitorizar señales potenciales de acción localizada en el cerebro que representan una enfermedad de Parkinson (EP), caracterizada por señales eléctricas generadas en el núcleo subtalámico (STN) y el globo pálido (GPi) con patrones potenciales de acción específicos. Se han desarrollado tres puntos principales:

* Diseño de una geometría de imagen optimizada que consta de cuatro antenas UWB Extended Gap Ridge Horn (EGRH) (secuencialmente Tx y Rx) dispuestas en dos conjuntos ortogonales.

* Diseño de un sistema de monitoreo de Modulación de Amplitud de Pulso (PAM) UWB que produce un pulso de interrogación nsec

* Modelado y validación del concepto de Extracción de Actividad Cerebral Funcional por Microondas UWB para el Monitoreo de la Enfermedad de Parkinson.