Hessinger, Carolin (2020)
Dual-Mode Mikrowellenapplikatoren für die Diagnose und Thermische Ablation von Lebertumoren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00014084
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Validierung eines neuartigen Dual-Mode Mikrowellenapplikators für die Detektion und thermische Ablation von Lebertumoren. Neben den schon etablierten Vorteilen der Mikrowellenablation ermöglicht die Einführung eines Detektionsmodus eine verbesserte Lokalisierung des Tumors für die optimale Platzierung des Applikators im Zentrum des Tumors. Hierzu wird die Interaktion des elektromagnetischen Felds mit dem Gewebe ausgewertet, um physiologische Veränderungen, beispielsweise durch eine Tumorerkrankung, zu erhalten. Im Behandlungsmodus des Applikators wird die Mikrowellenleistung erhöht, um den anvisierten Tumor durch Hitze zu zerstören. Durch die charakteristischen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ist zudem eine Überwachung der Behandlung in der Umgebung des Applikators möglich. Auf Basis eines multiphysikalischen Simulationsmodells, welches sowohl die elektromagnetischen, thermischen als auch biologischen Parameter der Mikrowellenablation berücksichtigt, ist ein geeigneter Frequenzbereich zwischen 2,5 GHz und 10 GHz für die Applikatorenentwicklung identifiziert worden, in dem eine klinisch relevante Größe und Temperatur der Läsion erreichbar ist. Zudem dient das realitätsnahe Simulationsmodell der Evaluation der entwickelten Applikatorgeometrien. In einer klinischen Studie zur Bestimmung des patienten-spezifischen dielektrischen Kontrasts von frisch resiziertem menschlichen Lebergewebe ist die generelle Machbarkeit von Mikrowellen-basierter Tumordetektion in der Leber dargestellt. Die Auswertung der Permittivitätsmessung im Frequenzbereich zwischen 0,5 GHz und 26,5 GHz zeigt, dass der dielektrische Kontrast von Patient zu Patient stark variiert mit einem maximalen dielektrischen Kontrast zwischen 28,9% und 60,9% über den untersuchten Frequenzbereich. Zudem liefern die Ergebnisse die Erkenntnis über eine notwendige patienten-spezifische Betrachtung des dielektrischen Kontrasts zur Tumordetektion, da kein genereller Schwellwert für die Differenzierung zwischen gesundem und tumorösem Gewebe definiert werden kann. Um diese Anforderug an eine patienten-spezifischen Tumordetektion zu erfüllen, erfordert die Auslegung der Dual-Mode Applikatoren sowohl die Entwicklung von Methoden zur Permittivitätsextraktion des umliegenden Gewebes als auch die Möglichkeit hohe Energie in das anvisierte Gebiet zu absorbieren. Die Umsetzung unter Berücksichtigung dieser Anforderungen erfolgt in zwei unabhängigen Ansätzen. Zum Einen bietet ein planares Resonatorarray inhärent die Möglichkeit einer sehr empfindlichen Detektion von Permittivitätsänderungen durch die Auswertung von Resonanzfrequenzverschiebungen und anschließender Ablation mit der verschobenen Resonanzfrequenz. Dabei ist in dieser Arbeit auf die Miniaturisierung und Integration des Resonatorarrays für den Einsatz als nadelförmiges Operationswerkzeug mit einem Durchmesser von 2 mm eingegangen worden. Zwar erfüllt dieser resonante Applikator die grundlegenden Anforderungen an ein minimal-invasives Mikrowellenablations-System, jedoch erweist sich der Aufbau als nicht hinreichend robust und zuverlässig für den praktischen Einsatz. Der zweite Ansatz basiert auf der Verwendung eines koaxialen Applikators mit einem Slot als abstrahlendes Element. Die Extraktion der dielektrischen Information erfolgt durch eine, für diese Anwendung zugeschnittene, Kalibrierung, wobei der gemessenen Reflektionsfaktor direkt in die Permittivtätsebene transformiert wird, um die erforderliche Genauigkeit zur Detektion von Permittivitätsänderungen zu erreichen. Diese Messmethode ergibt einen maximalen mittleren Fehler von 3,7%, der vergleichbar gering zu etablierten Messsystemen für die Permittivitätsbestimmung mit einer Fehlertoleranz von bis zu 5% ist. Die Dual-Mode Ablation ergibt eine Ablationszone mit einem Volumen von 7,1 cm³ mit gleichzeitiger Bestimmung der temperaturabhängigen Permittivität, wodurch das Auftreten der Gewebekarbonisierung während des Experiments detektiert werden kann. Zudem entsteht die Möglichkeit einer multimodale Bildgebung durch die MRT-Kompatibilität des vorgestellten Demonstrators.

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