Microwave dielectric property characterization with open-ended coaxial probe and sensing depth analysis of the probes for biological tissues

Abstract

Inherent dielectric property discrepancy at microwave frequencies between the healthy and malignant tissues enabled many different microwave diagnostic technologies among these microwave breast cancer imaging, microwave hyperthermia, and microwave ablation are popular research topics. To develop and test such technologies the dielectric properties of the biological tissues must be quantified. This is mostly done with the open-ended coaxial probes in the laboratory environment due to advantages of the technique including but not limited to minimal sample preparation requirements, commercial availability and broadband measurement capabilities. Despite being commercially available, the technique suffers from high error rates and remains overlooked as a potential diagnostic technology. The error sources can be categorized as the sample and equipment related complications. The sample related error sources can be mitigated via the selection of an appropriate probe for dielectric property characterization. Particularly, biological tissues are known to be heterogeneous contributing to the high measurement error due to sample. Hence, it is important to analyze the sensing depth of the probes under different conditions including using samples with varying dielectric properties and probes with different aperture diameters. Next, the equipment related errors mostly due to the mathematical approach which can potentially be diminished via the introduction of new retrieval methodologies. Towards this end, in an attempt to enable diagnostics applications of the open-ended coaxial probe technique, this thesis focuses on the improvement of the two shortcomings by sensing depth characterization and introducing a deep learning based model for dielectric property retrieval. In the first part of the thesis, sensing depth analysis of the 2.2 mm diameter open-ended coaxial probe was performed using two different double-layered configurations to mimic the tissue heterogeneity. The double-layered configurations are used to mimic the heterogeneous skin tissue in order to establish the potential use of the open-ended coaxial probe method for skin cancer diagnosis. To this end, the sensing depth analysis was performed via simulations and measurements. The double-layered sample configurations are composed using skin-mimicking phantom and olive oil or triton X-100 liquids. In addition, the experiments were carried out by following a newly proposed measurement protocol, which can be easily applied to any tissue type. The results show that the sensing depth was independent of the frequency of operation (0.5-6 GHz) and was affected by the following conditions: by the material located immediately at the probe tip, and by the dielectric property contrast between the two layers. Thus, in order to accurately obtain dielectric property measurement results using the open-ended coaxial probe method, there is a need to establish a pre-measurement protocol to minimize the error due to the skin tissue diversity. The second part of thesis reports the sensing depth analysis of the open-ended coaxial probe for ex vivo experiments on real heterogeneous tissue. The knowledge on the sensing depth of the probe can help eliminate the errors due to tissue heterogeneity. Accurate classification of tissues with similar dielectric properties can be obtained by minimizing the measurement errors. Therefore, this method can be applied in practical applications, such as microwave biopsy. In this work, double-layered sample configuration consisting of an ex vivo rat's breast or wet skin as first layer and pure liquids olive oil or triton X-100 as second layer was utilized to perform the sensing depth analysis of the probe from 0.5 to 6 GHz frequency range. A straight forward, adoptable experimental protocol was established and employed in this study. The analysis was performed by determining five different the percent change in measured dielectric property values. The results indicate a discrepancy of 52%-84% of the measured dielectric property when a membrane layer (between 0.4-0.8 mm thickness) was present on the wet skin tissue and breast tissue. The aim of the third part of this thesis is to analyze and to specify the sensing depth of the open-ended coaxial probe in order to employ the appropriate probe aperture dimension for any given measurement set-up. The proposed method has the potential to reduce the errors due to tissue heterogeneity for skin cancer diagnosis. This work presents the sensing depth comparison of three different probes with different aperture sizes. Simulations of the probes with 0.5, 0.9 and 2.2 mm-diameters terminated with a double-layered skin tissue and olive oil sample configuration were performed. It should be noted that probes with different aperture diameters were investigated in the literature but no information was reported on probes with small aperture sizes. An experimental validation of the simulated scenario was performed with the 2.2 mm-diameter probe and the fully developed double-layered configuration. The acquired simulations and experimental results indicate a proportional relation between the sensing depth and the aperture of the probe. From this relation, it can be concluded that probes with smaller aperture size can possibly help to obtain more precise results from the heterogeneous tissues which can lead to the accurate characterization of thin skin tissue layers. In order to obtained more accurate results especially for tissues with multi-layered structures or membrane-like layers, it is recommended to a establish measurement protocols to prepare the surface of the tissue. In the fourth and last part of the thesis, a novel approach for the determination of material dielectric properties from the reflection coefficient response of the open-ended coaxial probe is proposed. This technique retrieves the Debye parameters of the material under test using a deep learning model which is trained with numerically generated data. The ability to train the deep learning model with synthetic data provide the advantage of rapid generation of a large variety of materials as a dataset. Additionally, the presented method can be easily adapted to any type of probe with desired dimensions and materials. An experimental verification of the trained deep learning model was performed by testing the network with measured reflection coefficients obtained from five different standard liquids, four mixtures, and a gel-like material. A comparison of the acquired results from the deep learning model with literature values is also performed. Finally, a large-scale statistical verification of the retrieved dielectric property from the proposed technique is presented.

Kanser çağımızda sık görülen hastalık türlerinden biridir. Her ne kadar hastalığın sebebi tam olarak belirlenememiş olsa da tanı ve teşhis yöntemleri geliştirilmeye devam etmektedir. Kanser, anormal doku hücrelerinin kontrolsüz bir şekilde çoğalıp büyümesi ve diğer sağlıklı dokulara yayılması sonucunda ortaya çıkan ve hayati riskin oldukça yüksek olduğu bir hastalık türüdür. Bu hastalığın erken teşhis edilmesi ve tedaviye erken başlanması ölüm riskini önemli ölçüde düşürmektedir. Sağlıklı ve sağlıksız dokular arasındaki mikrodalga frekanslarında görülen dielektrik özellik farklılığı, mikrodalga meme kanseri görüntüleme, mikrodalga hipertermi ve mikrodalga ablasyon gibi birçok farklı mikrodalga tanı ve tedavi teknolojisinin gelistirilmesini mümkün kılmıştır. Böylelikle, hastalığın erken teşhisi mümkün hale gelip tedavi sürecine hemen başlanabilmektedir. Bu tür teknolojileri geliştirmek ve test etmek için biyolojik dokuların dielektrik özelliklerinin ölçülmesi gerekmektedir. Dielektrik özellikleri bilinen dokular sayesinde daha güvenilir ve kapsamlı tanı, teşhis ve tedavi yöntemleri geliştirilebilmektedir. Bu ölçümler, minimum numune hazırlama gereksinimi, piyasadan kolaylıkla satın alınabilir olması ve geniş bant ölçüm özelliği gibi daha fazla avantajlara sahip olması nedeniyle laboratuvar ortamında çoğunlukla açık uçlu koaksiyel problarla yapılır. Piyasada kolay ulaşılabilir olmasına rağmen, bu tür ölçüm teknikleri yüksek hata oranlara sahip olduklarından dolayı, potansiyel bir teşhis teknolojisi olarak kullanılmaktan kaçınılmaktadır. Hata kaynakları, numune ve ekipmanla ilintili olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir. Ekipmanla ilişkili hatalar seçilen ölçüm ekipmanından, ölçüm belirsizliklerinden, ölçüm esnasındaki kalibrasyondan veya kullanılan matematiksel yaklaşımlardan kaynaklanabilmektedir. Ölçüm ekipmanı seçimi, yöntemin avantaj ve dezavantajları göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Ölçüm sisteminin belirsizliği, ölçülen numunenin aynı ölçüm koşullar altında birden fazla ölçüm yapılarak tekrarlanabilirliği ve doğruluğu saptanarak giderilmelidir. Standart bir ölçüm kalibrasyon prosedürü (açık devre, kısa devre ve bilinen dielektrik özelliklere sahip bir sıvı olan saf su ölçümü) kullanılmalıdır. Kalibrasyon başarıyla tamamlandığında, hata oranı düşük dielektrik özellik ölçümleri alınabilir. Ayrıca, ölçüm sisteminin doğru çalıştığının önceden teyit edilmesi için bilinen referans sıvının dielektrik özelliklerinin de ölçülmesi gerekmektedir. Doğrulama yoluyla, kalibrasyon kalitesi kontrol edilebilir ve sistematik hatalar giderilebilir. Ayrıca, ekipmanla ilgili hatalar matematiksel yaklaşımlardan da kaynaklanabilir. Yeni yaklaşımlardan olan makine veya derin öğrenme yöntemleri ile bu hatalar giderilebilir. Dokuyla ilişkili hatalar, sıcaklıktan, prob ile numunenin temasının tam olarak gerçekleştirilemediğinden, probun numune üzerine uyguladığı basınçtan, in vivo ve ex vivo deneylerin farklılığından, doku numunesinin özelliklerinden ve heterojenliğinden kaynaklanabilir. Sıcaklığın dielektrik özellikler üzerinde etkisinin olduğu bildirilmektedir. Açık uçlu koaksiyel probun biyolojik dokuların dielektrik özelliklerini doğru bir şekilde ölçmek için prob-numune temasının tam olarak gerçekleştirilmesi önem arz etmektedir. Ölçüm esnasında prob ile numune arasında herhangi bir hava boşluğu olmaması gerekmektedir. Doku yüzeyinin özelliklerine bağlı olarak, prob-doku teması tam olarak gerçekleştirilemiyorsa, daha küçük bir prob seçilerek temas tam olarak sağlanmalıdır. Biyolojik dokuların dielektrik özelliklerini ölçerken, prob ucunun doku üzerine uyguladığı baskıdan dolayı prob ucunda doku sıvısı birikebilir, bu da ölçüm sonuçlarını büyük ölçüde etkilemektedir. In vivo ve ex vivo deneylerde dielektrik özelliklerinin birbirinden farklı olması da medikal alanda kullanılacak olan bu yöntemin karşılaştığı zorluklardandır. Canlı ve cansız doku özellikleri su içeriği, sıcaklık ve damarlardaki kan akışı, kalp hızı gibi fizyolojik farklılıklara sahip olmasından dolayı ölçüm sonuçları etkilenmektedir. Dokunun heterojenliği, dielektrik özelliklerin ölçümü sırasında yöntemin karşılaştığı zorluklarından biridir. En kritik hata kaynaklarından biri olan numunelerin heterojenliğinin etkisi, dokuların dielektrik özelliklerini ölçerken uygun bir prob seçilerek azaltılabileceği ön görülmektedir. Bu nedenle, yaygın olarak kullanılan 2.2 mm çaplı probun algılama derinliğinin analiz edilmesi ve ölçüm sistemiyle ilgili problemlerin tanımlanarak 0.9 ve 0.5 mm çaplı probların algılama derinliğinin detaylıca analiz edilmesi önemlidir. Bu probların algılama derinliğinin farklı koşullar altında (numune heterojenliği açısından) analiz edilmesi hata kaynağının saptanmasında yardımcı olacaktır. Ayrıca, probun boyutlarına bakılmaksızın ölçümlerden elde edilen yansıma katsayılarını doğrudan kullanarak her tür malzemenin dielektrik özelliğini hesaplayabilen uyarlanabilir bir hesaplama yöntemine sahip olmak önemlidir. Böylece, ekipmanla ilgili hatalardan olan matematiksel yaklaşımlardan kaynaklı olan hataların, önerilen yeni yaklaşım ile azaltılabileceği ön görülmektedir. Tezin ilk bölümünde, doku heterojenliğini benzetmek için iki farklı çift katmanlı numune konfigürasyonları kullanılarak 2.2 mm çaplı açık uçlu koaksiyel probun algılama derinliği analizi yapılmştır. Böylece, cilt kanseri teşhisi için açık uçlu koaksiyel prob yönteminin potansiyel kullanımını belirlemek için cilt dokusu heterojenliğinin 2.2 mm çapındaki probun algılama derinliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çalışmada, benzetimler ve deneysel ölçümler yoluyla algılama derinliği analizi yapılmıştır. Cilt dokusunun heterojenliği, cilt benzeri fantom ve zeytinyağı veya triton X-100 sıvılarından oluşan çift katmanlı numune konfigürasyonları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca deneyler her algılama derinliği, prob ve doku çalışmasına kolaylıkla uygulanabilen bir ölçüm protokolü izlenerek gerçekleştirilmiştir. Bağıl dielektrik (yalıtkanlık) sabiti, 5, 20 ve 80 yüzdesel değişikliklerinde, birden fazla frekans noktalarında analiz edilmiştir. Sonuçlar, algılama derinliğinin çalışma frekansından (0.5-6 GHz) bağımsız olduğunu; prob ucu ile doğrudan temas halinde olan malzemeden ve iki katman arasındaki dielektrik özellik kontrasttan etkilendiğini göstermektedir. Hem benzetim hem de deney sonuçları zeytinyağı ve triton X-100'ün dielektrik özelliklerinin 2 GHz'de %5, %20 ve %80 değişimlerine göre analiz edilmiş ve 0.36-0.86 mm 0.14-0.42 mm ve 0.66-1.2 mm kalınlıklarındaki zeytin yağı ve triton X-100'de %5, %20 ve %80 değişimleri sırasıyla gözlemlenmiştir. Sonuçlara dayanarak deri dokusu üzerindeki bir membran veya keratin tabakasının ölçüm dielektrik özellik sonuçlarını potansiyel olarak %80 etkileyeceği söylenebilmektedir. Bu nedenle, açık uçlu koaksiyel prob yöntemini kullanarak dielektrik özellik ölçüm sonuçlarını doğru bir şekilde elde etmek için, cilt dokusu çeşitliliğinden kaynaklanan hatayı en aza indirecek bir hazırlık protokolünün oluşturulmasına ihtiyaç vardır. Tezin ikinci kısmında, ex vivo deneylerde ölçümü yapılan gerçek heterojen dokular için açık uçlu koaksiyel probun algılama derinliği analizleri sunulmuştur. Probun algılama derinliği hakkında bilgi sahibi olmak, hayvan deneyleri esnasında doku heterojenliğinden kaynaklanan hataların ortadan kaldırılmasında yardımcı olacağı ön görülmektedir. Benzer dielektrik özelliklere sahip dokuların doğru sınıflandırılması için ölçüm hatalarını en aza indirmek gerekmektedir. Bu sayede, bu yöntem mikrodalga biyopsisi gibi pratik uygulamalarda uygulanabilir. Bu çalışmada, 0.5-6 GHz çalışma frekansları arasında, probun algılama derinliği analizini gerçekleştirmek üzere ilk katmanı bir ex vivo sıçanın göğsü veya ıslak derisi ve ikinci katmanı saf sıvı zeytinyağı veya triton X-100'den oluşan çift katmanlı numune konfigürasyonları tasarlanmıştır. Bu çalışmada kolaylıkla uyarlanabilir bir deney protokolü oluşturulmuş ve kullanılmıştır. Analiz gerçekleştirilirken ölçülen dielektrik özellik değerlerinin beş farklı yüzde değişimi göz önünde bulundurulmuş ve analiz hesaplamaları bu değişimler üzerinden yapılmıştır. Sonuçlara göre, dielektrik özelliği ölçülen ıslak cilt dokusu ve meme dokusu üzerinde herhangi bir membran tabakası (0.4-0.8 mm kalınlık arasında) bulunması durumunda ölçüm sonuçlarının %52-%84 oranında etkinlendiği saptanmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, herhangi bir ölçüm düzeneğinde kullanılmak üzere uygun prob boyutunu belirlemek için açık uçlu koaksiyel probun algılama derinliği analiz edilmiştir. Önerilen bu yöntem, cilt kanseri teşhisi için doku heterojenliğinden kaynaklanan hataları azaltma potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada, farklı açıklık boyutlarına sahip üç adet probun algılama derinliğinin karşılaştırması yapılmıştır. Çift katmanlı deri dokusu ve zeytinyağı numune konfigürasyonu içeren 0.5, 0.9 ve 2.2 mm çaplı probların benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Literatürde farklı açıklık çaplarına sahip probların çalışmaları yapılmıştır ancak küçük açıklık boyutlarına sahip problar hakkında detaylı bilgi belirtilmemiştir. Benzetim ile gerçekleştirilen senaryonun deneysel doğrulaması, 2.2 mm çapındaki prob ve birebir benzetimi yapılan çift katmanlı konfigürasyon ile gerçekleştirilmiştir. Benzetimlerin ve deneylerin sonuçları, algılama derinliği ile probun açıklığı arasında orantılı bir ilişki olduğunu göstermektedir. Bu orantısal ilişki sayesinde, daha küçük yarıçapa sahip problar ile heterojen dokuların ölçümünün daha hassas yapılacağı ve böylece ince cilt dokusu katmanlarının daha yanlışsız karakterizasyonunun yapılacağı sonucuna varılmaktadır. Özellikle çok katmanlı yapılara veya zar benzeri katmanlara sahip dokularda daha doğru sonuçlar elde edebilmek için doku yüzeyini hazırlayacak ölçüm protokollerinin oluşturulması bu çalışma sonucunda önerilmektedir. Tezin dördüncü ve son bölümünde, açık uçlu koaksiyel probun yansıma katsayısı ölçümlerinden malzemelerin dielektrik özelliklerinin belirlenmesi için yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Bu teknik, sayısal olarak üretilen verilerle eğitilmiş bir derin öğrenme modeli kullanarak deneysel verilerle test edilen bir modeldir. Bu derin öğrenme modeli, malzemenin yansıma katsayısılarından Debye parametreleri elde edebilmektedir. Teorik olarak üretilen verilerle derin öğrenme modelini eğitme yöntemi, çok çeşitli materyallerin bilgisini barındıran büyük bir veri setini hızlı bir şekilde üretilmesi avantajını sağlamaktadır. Ek olarak, önerilen bu yöntem, istenilen boyut ve malzemeye sahip herhangi bir prob tipine kolayca uyarlanabilmektedir. Eğitilmiş bu derin öğrenme modelinin deneysel doğrulanması, beş farklı standart sıvıdan, dört karışımdan ve bir jel-benzeri bir malzemeden elde edilen yansıma katsayıları ölçümleriyle ile test edilerek gerçekleştirilmiştir. Derin öğrenme modelinden elde edilen Debye parametresi sonuçları, literatürdeki sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Son olarak, önerilen modelden elde edilen dielektrik özellikleri için büyük-ölçekli istatistiksel doğrulama yapılmıştır.