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Prof. Dr. Jens Haueisen

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INHALTE

Labor für medizinische Mikrowellensensorik (Bionik, R2125)

Der Einsatz von Mikrowellen in der medizinischen Diagnostik und Therapie als auch in verschiedenen Bereichen des Alltags ist ein Forschungsgebiet, das zunehmend an Bedeutung gewinnt. Das Labor für medizinische Mikrowellensensorik am Institut für Biomedizinische Technik und Informatik bietet zahlreiche Möglichkeiten, Messungen und Experimente auf diesem Gebiet durchzuführen und wird in Forschung und Lehre (Wahlmodul Elektromedizinische Technik im Masterstudiengang BMT, Designprojekt, Bachelor- und Masterarbeiten) genutzt. Die Ausstattung umfasst insbesondere Ultrabreitband-Systeme (UWB), welche bei der Bearbeitung von Forschungsprojekten zum Einsatz kommen.

Abb. 1: Torso gefüllt mit Gewebe imitierendem Phantommaterial

Geräteliste:

  • UWB-Messtechnik:

- M-Sequenz-Radarsysteme (ILMSENS, von 1Tx/2Rx bis 24Tx/48Rx, Bandbreite bis 6.5 GHz)
- 2-Port-Netzwerkanalysator ZVL (Rohde & Schwarz, Bandbreite 3 GHz)
- M-Sequenz-2-Port-Netzwerkanalysator (ILMSENS, Bandbreite 9 GHz)
- PXIe-Messdatenerfassungssystem (National Instruments)

  • Applikatoren:

- Dielectric Probe Kit N 1501A (Keysight)
- Aktive und passive Dipolantennen (TU Ilmenau)
- Doppelsteg-Hornantennen DRH20 (RFspin)

  • Weitere:

- Mechanische Rotationseinheit + Controller iMC-P (ISEL)
- Elektromagnet (TU Ilmenau, 60 kA/m)
- AC-Quelle EAC-S 3000 (ET SYSTEM)
- Gaussmeter BGM 201 (Brockhaus)
- Temperaturmessgerät GMH 3750 (Greisinger, Pt100, 1-kanalig)
- Temperaturmessgerät FOTEMP (OPTOCON, faseroptische Sensoren, 4-kanalig)
- Lötplatz für kleinere Lötarbeiten



Anwendungs- / Forschungsbeispiele:
  • Bildgebung der Brust zur frühzeitigen Erkennung von Brustkrebs

    Die Eigenschaft von Mikrowellen, bei relativ geringer Sendeleistung nichtionisierend Materie durchdringen zu können, prädestiniert sie für die Sensorik in optisch nicht einsehbaren Bereichen (Sicherheitstechnik, Materialprüfung) und somit auch für die medizinische Bildgebung. Bei der aktiven Mikrowellenbildgebung wird das Untersuchungsobjekt mit sehr leistungsschwachen Mikrowellen (im Bereich weniger mW!) bestrahlt. Die reflektierten bzw. transmittierten Empfangssignale gestatten Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der untersuchten Objekte.

    Anwendungsforschungen konzentrieren sich u.a. auf die Brust und die Erkennung und Lokalisierung von Brustkrebs. Hintergrund ist, dass das Streuverhalten von Gewebe maßgeblich von dessen Wassergehalt beeinflusst wird und dass auf Grund des erhöhten Stoffwechsels und des damit einhergehenden erhöhten Wassergehaltes an Tumorgewebe stärkere Reflexionen als an gesundem Gewebe zu erwarten sind. Mikrowellen stellen eine vielversprechende Alternative dar, weil der dielektrische Kontrast zwischen Drüsen- und Fettgewebe relativ groß ist, die schmerzhafte Kompression der Brust (Mammografie) vermieden werden kann und gegenüber dem Mamma-MRT deutlich geringere Systemkosten zu erwarten sind. Dem gegenüber steht die Herausforderung, die physikalisch bedingt zunächst unzureichende Auflösung durch moderne Verfahren der Signalverarbeitung in dem Maße zu erhöhen, dass klinisch verwertbare Informationen abgeleitet werden können.

    Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde ein Demonstrator entwickelt, womit Brustphantome untersucht werden können.

Abb. 2: Demonstrator zur UWB-Bildgebung von Brustphantomen mit Hilfe von 24 aktiven Dipolantennen

  • Dielektrische Spektroskopie

Die Kenntnis der komplexen Permittivität (relative Permittivität und effektive Leitfähigkeit) von Gewebe und Gewebe imitierenden Substanzen im relevanten Frequenzbereich (ggfs. auch in Abhängigkeit von der Temperatur) ist eine wesentliche Grundlage für die Effizienz von Bildgebungs-Algorithmen und Simulationen. Diese Kenngrößen können in unserem Labor im Bereich von 0.5 – 7.5 GHz mit Hilfe eines M-Sequenz-Netzwerkanalysators und verschiedenen Koaxialsonden (Dielectric Probe Kit N 1501A) gemessen werden. Für temperaturabhängige Messungen steht zudem eine Heizplatte zur Verfügung, auf der Substanzen kontrolliert erwärmt werden können.

Abb. 3: Messaufbau zur dielektrischen Spektroskopie von Gewebe und Gewebeimitaten mit Hilfe von Koaxialsonden

  • Im Labor stehen weitere Messaufbauten und Equipment für Forschungs- und Lehrzwecke zur Verfügung, u.a.:

- zur magnetischen Modulation magnetischer Nanopartikel als Kontrastmittel bei der Mikrowellenbildgebung der Brust
- zur Demonstration einer berührungslosen Erfassung von Vitaldaten (Puls und Atmung) mit Hilfe von Mikrowellen und
- zur Entwicklung einer nichtinvasiven Temperaturschätzung im Gewebe während einer Hyperthermie-Behandlung.

Abb. 4: Messaufbau für experimentelle Untersuchungen zur magnetischen Modulation magnetischer Nanopartikel in Brustphantomen