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MR-Messtechnik

Arbeitsgruppe 8.11

UWB-Radar als medizinisches Sensorsystem


Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben ultraMEDIS, das innerhalb des DFG-Schwerpunktprogramms 1202 "Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik" (UKoLoS) angesiedelt ist, zielt auf die Nutzung der Ultrabreitband-Radartechnik ("UWB-Radar", Bandbreite 1-10 GHz) für biomedizinische Anwendungen.

Hierbei nutzt man die hohe zeitliche und räumliche Auflösung der Radar-Sensoren, deren Kompatibilität zu Schmalbandsystemen, sowie die geringe Leistung der Sondierungssignale einschließlich deren Fähigkeit zur Objektdurchdringung. Gerade letztere Eigenschaft macht das UWB-Radar so attraktiv für Anwendungen in der Medizin.

Wird der menschliche Körper mit breitbandigen elektromagnetischen Pulsen geringer Leistung (< 1mW) bestrahlt (s. Abb. 1), so dringen diese in den Körper ein und werden an den aufeinander folgenden Grenzschichten der verschiedenen Gewebearten teilreflektiert.

Abb. 1: Untersuchung des menschlichen Körpers mit breitbandigen elektromagnetischen Pulsen Oben: Gesendeter Puls und empfangener Puls (Impulsantwort, IRF) der durch die Vitalfunktionen moduliert wird. Unten: Rekonstruierte physiologische Signatur, Atmung mit überlagertem Herzschlag, rekonstruiert aus UWB-Radar Daten. Anatomische Aufnahme aus "The Visible Human Project", U.S. National Library of Medicine, 8600 Rockville Pike, Bethesda, MD 20894, http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html.

Abb. 1: Untersuchung des menschlichen Körpers mit breitbandigen elektromagnetischen Pulsen Oben: Gesendeter Puls und empfangener Puls (Impulsantwort, IRF) der durch die Vitalfunktionen moduliert wird. Unten: Rekonstruierte physiologische Signatur, Atmung mit überlagertem Herzschlag, rekonstruiert aus UWB-Radar Daten. Anatomische Aufnahme aus "The Visible Human Project", U.S. National Library of Medicine, 8600 Rockville Pike, Bethesda, MD 20894, http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html.


Mit einer Empfangsantenne werden die reflektierten Signale aus unterschiedlichen Tiefen des Körpers detektiert. Atmung und Herzschlag verschieben und verformen die Grenzschichten und beeinflussen damit das gemessene Signal. Derzeit werden spezielle Algorithmen entwickelt, um diese anatomischen Bewegungen aus den Messdaten ortsabhängig zu rekonstruieren und die ihnen zugrunde liegenden, gekoppelten physiologischen Prozesse zu trennen.

Abb. 2: Aufbau des Demonstrators im MR-Scanner. Die Einfügung zeigt eine Vergrößerung der Phantom/Antennen/Kopfspulen-Anordnung.

 

Zur Evaluierung der prinzipiellen Durchführbarkeit einer MR-UWB-Kombination wurde ein Demonstrator (s. Abb. 2) aufgebaut [1, 3]. Mit einem MR-kompatiblen UWB-Radar können markante Strukturen des Brustkorbs und des Herzmuskels mit hoher Genauigkeit in ihrer Bewegung verfolgt werden, ohne die MR-Messung zu beeinflussen. Mit den online erhobenen Positionsdaten des Herzens könnte sowohl eine "Nachjustage" der MR-Messsequenz auf die aktuelle Herzposition in Echtzeit, als auch eine nachträgliche Positionskorrektur der MR-Daten erfolgen (s. Abb. 3).

 

Eine Modellvorstellung der Signalpfade ist sowohl für ein fundamentales Verständnis der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in geschichteten dielektrischen Medien als auch für ein Studium der Variation des reflektierten Signals aufgrund definierter Schichtverschiebungen hilfreich. Hierzu wurde ein analytisches Kanal-Modell entwickelt [3], in dem die Antennen, der menschliche Körper und die Signalprozessierung berücksichtigt werden. Insbesondere wird die Frequenzabhängigkeit der komplexen dielektrischen Eigenschaften biologischen Gewebes einbezogen und die kontinuierliche Bewegung individueller intrathorakaler Schichten erlaubt. Damit kann der Einfluss ausgewählter physiologischer Signaturen wie der Atmung oder der myokardialen Verformung auf das reflektierte Signal getrennt oder überlagert modelliert werden. Mit diesen künstlichen Signalen können dann verschieden Algorithmen zur Bewegungsdetektion getestet und verbessert werden. Darüber hinaus kann deren Robustheit gegenüber definiert in das Model eingebrachten Störungen evaluiert werden.

Das Vorhaben wird in Kooperation mit der Technischen Universität Ilmenau und den medizinischen Partnern der Universität Jena durchgeführt, deren besonderes Augenmerk auf die Detektion von Tumoren gerichtet ist.

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Arbeitsfelder

  • Radargestützte Detektion von Atmung und Herzschlag zur Reduktion von Bewegungsartefakten im MRT [1]
  • Entwicklung von UWB/MR Phantomen [2]
  • Modellierung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in geschichteten Dielektrika, insbesondere in biologischem Gewebe [3]
  • Komponentenzerlegung physiologischer Signaturen aus UWB Radar Signalen

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Ausgewählte Literatur

Übersichtsartikel

F. Thiel, O. Kosch, F. Seifert
Ultra-wideband Sensors for Improved Magnetic Resonance Imaging, Cardiovascular Monitoring and Tumour Diagnostics,
Sensors, Special Issue "Sensors in Biomechanics and Biomedicine", 10(12), 10778-10802, doi:10.3390/s101210778, ISSN 1424-8220, 25 pages, (2010).
Abstract Full Text: [ PDF (1228 kB) ].

F. Thiel, M. Helbig, U. Schwarz, C. Geyer, G. Rimkus, W. A. Kaiser, I. Hilger, M. Hein, J. Sachs, F. Seifert
Implementation of ultra-wideband sensors for biomedical applications
Frequenz, Journal of RF-Engineering and Telecomunications, vol. 63, no. 9-10, pp.221-224, (2009).
Full Text: [ PDF (3352 kB) ].

Kombination von MRI und UWB RADAR

F. Thiel, M. Hein, J. Sachs, U. Schwarz, F. Seifert
Combining magnetic resonance imaging and ultrawideband radar: A new concept for multimodal biomedical imaging
Rev. Sci. Instrum., Vol. 80, Issue 1, 014302, Melville, NY: AIP (2009), (10 pages).
Abstract Full Text: [ PDF (1271 kB) ].

F. Thiel, W. Hoffmann, F. Wojcik, M. Hein, J. Sachs, U. Schwarz, M. Helbig, F. Seifert
Evaluation of a combined magnetic resonance (MR)/ultra-wideband (UWB) radar technique
Proc.Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16, p. 349, ISSN 1545-4428, (2008).

F. Thiel, M. Hein, J. Sachs, U. Schwarz, F. Seifert
Fusion of magnetic resonance and ultra-wideband radar for medical applications
IEEE Int. Conf. on Ultra-Wideband (ICUWB), Vol. 1, pp. 97-100, ISBN 978-1-4244-2216-6, (2008)
Abstract

F. Thiel, M. Hein, J. Sachs, U. Schwarz, T. D. Lindel, F. Seifert
Exploring the benefits of ultra-wideband radar for high- and ultra-high field magnetic resonance imaging
Eur. Microwave Conf. (39th EuMC 2009), Rom, Italy, 28.09-02.10., pp. 866-69, ISBN 978-2-87487-010-1, referenced at IEEE Xplore, (2009).

 

Modellierung der Wellenausbreitung

F. Thiel, F. Seifert
Reflection Coefficient of the Human Thorax: Sensitivity to Intrathoracic Displacements and Incorporation into an Ultra-Wideband Channel
Proc. Eur. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2009), pp. 268 - 272, 23-27.03.2009, Berlin, Germany, ISBN 978-1-4244-4753-4, referenced at IEEE Xplore, (2009)
Abstract

F. Thiel, F. Seifert
Non-invasive probing of the human body with electromagnetic pulses: Modelling of the signal path
J. Appl. Phys., Vol.105, Issue 4, 044904, ISSN 0021-8979, Melville, NY: American Institute of Physics (2009)
Abstract
Full Text Link
Full Text [ PDF (924 kB) ].

F. Thiel, F. Seifert
Modeling of physiological signatures in ultrawideband radar signals
in H.Malberg, T. Sander-Thömmes, N. Wessel, W. Wolf (Eds.), "Biosignalverarbeitung: Innovationen bei der Erfassung und Analyse bioelektrischer und biomagnetischer Signale" , pp. 130-2, ISBN 978-3-9810021-7-1, (2008).

F. Thiel, F. Seifert
Reconstruction of physiological signatures from synthetic biomedical ultra-wideband signals
Eur. Microwave Conf. (39th EuMC 2009), Rom, Italy, 28.09-02.10., pp.1579 - 82, ISBN 978-2-87487-010-1, referenced at IEEE Xplore, (2009).

F. Thiel, O. Kosch, F. Seifert
Intracranial pulsation detected by ultra-wideband radar: Detectability analysis using synthetic signals
Proc. Eur. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2010), 12-16.04.2010, Barcelona, Spain, ISBN 978-3-8007-3152-7, referenced at IEEE Xplore, (2010).

F. Thiel, O. Kosch, F. Seifert
Contrast agent based tumour detection by ultra-wideband radar: A model approach
Proc. Eur. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2010), 12-16.04.2010, Barcelona, Spain, ISBN 978-3-8007-3152-7, referenced at IEEE Xplore, (2010).

Detektion physiologischer Signaturen und Methoden der Quellentrennung

F. Thiel, D. Kreiseler, F. Seifert
Non-contact detection of myocardium's mechanical activity by ultra-wideband rf-radar and interpretation applying electrocardiography
Rev. Sci. Instrum., vol. 80, 11, 114302, Doi:10.1063/1.3238506, ISSN 0034-6748, Melville, NY:
American Institute of Physics (AIP), (2009).
Abstract Full Text: [ PDF (1749 kB) ].

F. Thiel, M. Hein, J. Sachs, U. Schwarz, F. Seifert
Physiological signatures monitored by ultra-wideband-radar validated by magnetic resonance imaging
IEEE Int. Conf. on Ultra-Wideband (ICUWB), Vol. 1, pp. 105-8, ISBN 978-1-4244-2216-6, (2008).
Abstract

F. Thiel, T. Lindel, M. Hein, U. Schwarz, F. Seifert
Multimodal biomedical sensing applying ultra-wideband electromagnetic excitation:
Ultra-wideband sounding of the human myocardium from different radiographic standard positions and simultaneous high resolution electrocardiography

IEEE Intl. Conf. on Ultra-Wideband (ICUWB), Vancouver, Canada, 09-11.09.2009, pp. 495-500, ISBN 978-1-4244-2931-8, (2009).

O. Kosch ,   F. Thiel,    F. Scotto di Clemente ,   M.A. Hein,    F. Seifert
Monitoring of human cardio-pulmonary activity by multi-channel UWB-radar
IEEE Intl. Conf. on Antennas and Propagation in Wireless Communications(APWC), Torino, 2011, pp. 382-385,
ISBN: 978-1-4577-0046-0
Abstract Full Text: [ PDF (1088 kB) ].

 

Phantome

F. Thiel, F. Schubert, W. Hoffmann, F. Seifert
Tissue-mimicking phantoms for a combined magnetic resonance (MR)/ultra-wideband (UWB) radar technique
Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16, p. 1054, ISSN 1545-4428, (2008).

Ultra-Breitband Antennen für biomedizinische Anwendungen

U. Schwarz, F. Thiel, F. Seifert, R. Stephan, M. Hein
Ultra-Wideband Antennas for Magnetic Resonance Imaging Navigator Techniques
IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 58, 6, p. 2107-2112, (2010)
Abstract

M. Hein, C. Geyer, M. Helbig, I. Hilger, J. Sachs, U. Schwarz, F. Seifert, R. Stephan, F. Thiel
Antennas for Ultra-Wideband Medical Sensor Systems (invited)
Proc. Eur. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2009), pp. 1868 - 1872, 23-27.03.2009, Berlin, Germany, ISBN 978-1-4244-4753-4, referenced at IEEE Xplore, (2009)
Abstract

U. Schwarz, F. Thiel, F. Seifert, M. Hein
Magnetic Resonance Imaging Compatible Ultra-Widebande Antennas
Proc. Eur. Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2009), pp. 1102 - 1105, 23-27.03.2009, Berlin, Germany, ISBN 978-1-4244-4753-4, referenced at IEEE Xplore, (2009)
Abstract

U. Schwarz, M. Helbig, J. Sachs, F. Seifert, R. Stephan, F. Thiel, M. Hein
Physically small and adjustable double ridged horn antenna for biomedical UWB radar applications
Int. Conf. on Ultra-Wideband (ICUWB), Vol. 1, pp. 5-8, ISBN 978-1-4244-2216-6, (2008)
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Weiterführende Links

Kooperationen

DFG Schwerpunktprogramm SPP1202 Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS).
http://www-emt.tu-ilmenau.de/ukolos/

Fachgebiet Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.
http://www.tu-ilmenau.de/it_hmt/

Fachgebiet Elektronische Messtechnik der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.
http://www-emt.tu-ilmenau.de/WWW/Index.php?lang=DE

AG Experimentelle Radiologie, Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Jena.
http://www.idir.uniklinikum-jena.de

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