Monitoring of microwave liver ablation by surface body-matched antennas

Abstract

Microwave liver ablation monitoring is a current research issue. In this work, a transmission-based method is proposed to correlate the growth in the ablation zone in the liver during microwave ablation to the power received on the liver surface. A surface antennamatched to the liver is used to receive the signal from a microwave applicator inserted in three different kinds of materials: phantom materials mimicking the dielectric properties of liver, sweet potatoes which have similar dielectric properties as liver, and ex-vivo animal liver. The measured results are corroborated by the simulation and the results obtained from the theoretical model developed for the transmission of EM waves froma hot liver to a cold liver. A correlation is found between growth in the ablation zone and the received power at the surface antenna. The 2.4-2.5 GHz ISM band is used for microwave ablation in this work. During thiswork, different phantommaterials are prepared using Polyvinylpyrrolidone and Triton X-100 materials for mimicking the dielectric properties of the liver. Moreover, the capacitance model is used to derive the mathematical formulation to calculate the dielectric properties of these phantom materials from the measurement of reflection loss of a dielectric probe in the phantom materials for different frequencies and temperatures. Moreover, a high-power microwave source is developed fromoff-the-shelf components for stimulating high power up to 80 W in the materials under test. The surface antennas are designed for body-matched application which in this case is the liver. The designs of linearly polarized bowtie-slot surface and submerged (dipped) antennas are presented. For orientation independence in the azimuth plane for placing the antenna on the liver surface, a circularly polarized circular patch antenna is designed with and without a matching mediumwhich enhances the performance of the circular patch antenna. Secondly, the design of a single-slot microwave applicator is presented which is used to stimulate high power in materials under test used during this work. The antennas are designed using CST studio suite 2020. Two types of simulations are performed in this work. In the first simulation, the transmission of EMwave through a two-layer model consisting of a hot and a cold liver similar to the theoretical model is simulated. The second is an EM-thermal co-simulation which is carried out for obtaining different temperature profiles at different time instants while stimulating 50Wpower in the liver at 2.45 GHz. Then using these temperature profiles resulting in the temperature-dependent dielectric properties variation, the EM simulations are carried out to see the variation in the received power on the surface antenna. The second simulation approach is the equivalent of monitoring changes in the received power on a surface antenna during microwave ablation in an ex-vivo liver. Corresponding to these simulations, experiments are performed with the hot and cold liver phantoms, sweet potatoes, and animal livers. There is a measured increase of 4.5 dB in the received power in two-layer phantom experiments when the hot liver tissue radius increases from 1 cm to 2 cm for an overall distance of 4 cm between the microwave applicator and the dipped antenna. On the other hand, there is a 3 dB measured loss in the received power after 10 minutes of microwave ablation in the ex-vivo liver with 50Wmicrowave power at 2.45 GHz when the distance between the applicator and the antenna is again 4 cm. The change in received power is related to the growth in the ablation zone. Hence, the transmission-based method for monitoring microwave ablation in the liver is validated.

Die Überwachung der Leberablation durch Mikrowellen ist ein aktuelles Forschungsthema. In dieser Arbeit wird eine transmissionsbasierte Methode vorgeschlagen, um das Wachstum in der Ablationszone in der Leber während der Mikrowellenablation mit der auf der Leberoberfläche empfangenen Leistung zu korrelieren. Eine an die Leber angepasste Oberflächenantenne wird verwendet, um das Signal von einem Mikrowellenapplikator zu empfangen, der in drei verschiedene Arten von Materialien eingeführt wird: Phantommaterialien, die die dielektrischen Eigenschaften der Leber nachahmen, Süßkartoffeln, die ähnliche dielektrische Eigenschaften wie die Leber haben, und Ex-vivo-Tierleber. Die Messergebnisse werden durch die Simulation und die Ergebnisse des theoretischen Modells bestätigt, das für die Übertragung von EM-Wellen von einer heißen Leber auf eine kalte Leber entwickelt wurde. Es wurde eine Korrelation zwischen dem Wachstum in der Ablationszone und der empfangenen Leistung an der Oberflächenantenne festgestellt. In dieser Arbeit wird das ISM-Band von 2,4-2,5 GHz für die Mikrowellenablation verwendet. In dieser Arbeit werden verschiedene Phantommaterialien aus Polyvinylpyrrolidon und Triton X-100 hergestellt, um die dielektrischen Eigenschaften der Leber nachzuahmen. Darüber hinaus wird das Kapazitätsmodell verwendet, um die mathematische Formulierung zur Berechnung der dielektrischen Eigenschaften dieser Phantommaterialien aus der Messung des Reflexionsverlustes einer dielektrischen Sonde in den Phantommaterialien für verschiedene Frequenzen und Temperaturen abzuleiten. Darüber hinaus wird eine Hochleistungs- Mikrowellenquelle aus handelsüblichen Komponenten entwickelt, um hohe Leistungen bis zu 80Win den zu prüfenden Materialien anzuregen. Die Oberflächenantennen sind für eine körperangepasste Anwendung, in diesem Fall die Leber, ausgelegt. Die Designs der linear polarisierten Bowtie-Slot-Oberflächen und Tauchantennen werden vorgestellt. Für die Orientierungsunabhängigkeit in der Azimut-Ebene zur Platzierung der Antenne auf der Leberoberfläche wird eine zirkular polarisierte zirkulare Patch-Antenne mit und ohne Anpassungsmedium entworfen, was die Leistung der zirkularen Patch-Antenne verbessert. Zweitens wird der Entwurf eines Einschlitz-Mikrowellenapplikators vorgestellt, der zur Anregung hoher Leistungen in den in dieser Arbeit verwendeten Testmaterialien verwendet wird. Die Antennen werden mit der CST Studio Suite 2020. entworfen. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Simulationen durchgeführt. In der ersten Simulation wird die Übertragung von EM-Wellen durch ein zweischichtiges Modell, bestehend aus einer heißen und einer kalten Leber, ähnlich dem theoretischen Modell, simuliert. Die zweite ist eine EM-thermische Co-Simulation, die durchgeführt wird, um verschiedene Temperaturprofile zu verschiedenen Zeitpunkten zu erhalten, während die Leber mit einer Leistung von 50Wbei 2,45 GHz stimuliert wird. Anhand dieser Temperaturprofile, die zu einer Veränderung der temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften führen, werden dann die EM-Simulationen durchgeführt, um die Veränderung der an der Oberflächenantenne empfangenen Leistung zu ermitteln. Der zweite Simulationsansatz ist das Äquivalent zur Überwachung der Änderungen der empfangenen Leistung an einer Oberflächenantenne während der Mikrowellenablation in einer Ex-vivo- Leber. Entsprechend diesen Simulationen werden Experimente mit dem heißen und kalten Leberphantom, Süßkartoffeln und Tierlebern durchgeführt. In Experimenten mit zweischichtigen Phantomen wird eine Zunahme der empfangenen Leistung um 4,5 dB gemessen, wenn der Radius des heißen Lebergewebes bei einem Gesamtabstand von 4 cm zwischen dem Mikrowellenapplikator und der getauchten Antenne von 1 cm auf 2 cm erhöht wird. Andererseits gibt es einen gemessenen Verlust von 3 dB in der empfangenen Leistung nach 10 Minuten Mikrowellenablation in der Ex-vivo-Leber mit 50WMikrowellenleistung bei 2,45 GHz, wenn der Abstand zwischen dem Applikator und der Antenne wieder 4 cm beträgt. Die Änderung der empfangenen Leistung steht im Zusammenhang mit dem Wachstum der Ablationszone. Damit ist die transmissionsbasierte Methode zur Überwachung der Mikrowellenablation in der Leber validiert.