Mikroaaltotekniikkaan perustuva aivojen lämpö- ja nestedynamiikan mittausmenetelmän kehittäminen

Ihmisaivot ovat keskeinen elin, jonka monimutkaiset biologiset prosessit heijastavat läheisesti yksilön terveyttä ja hyvinvointia. Aivojen lämpö -ja nestedynaamisten tilojen ajalliset ja paikalliset vaihtelut ovat kliinisesti erittäin tärkeitä niin tehohoitopotilailla kuin terveilläkin henkilöillä. Mikroaaltotekniikkaan perustuvat menetelmät ovat lupaavia tällaisissa mittauksissa, sillä ne tarjoavat ionisoimatonta, ei-kajoavaa mittausta alhaisilla järjestelmäkustannuksilla, kompaktilla ja kannettavalla laitteistolla sekä säädettävällä kudosläpäisykyvyllä.

Tämän väitöskirjan ensisijaisena tavoitteena on kehittää koneoppimiseen ja mikroaaltotekniikkaan perustuva menetelmä aivojen ei-kajoavaa lämpö- ja nestedynaamiikan seurantaa varten. Tässä työssä ehdotettu kvantitatiivinen ja automaattinen menetelmä perustuu mikroaaltosensoreiden amplitudi- ja vaihevasteesta johdettuihin kaksitasoisiin piirteisiin. Ehdotettu menetelmä mahdollistaa automaattisen, lähes reaaliaikaisen toiminnan käyttämällä ainutlaatuista järjestettyä valintamenetelmää.

Toissijaisena tavoitteena on optimoida ehdotettu mittausmenetelmä antennien välisen etäisyyden, kaistanleveyden, näytteenottotaajuuden sekä tiettyyn sovellukseen sopivan regressiomallin osalta. Ehdotettua menetelmää testataan seitsemällä eri mikrosensorilla, joita käytetään erilaisilla sijoittelustrategioilla, käyttäen tässä työssä kehitettyjä ihmisen pään dynaamisia malleja sekä terveitä ihmisiä. Mikrosensorien vaste arvioidaan myös simulointien avulla CST Studio Suite -simulaatio-ohjelmassa käyttäen tasomaisia kerrosmalleja ja realistisen muotoisia ihmismalleja.

Realistisen aivokudosmallin lämpö-ja nestedynamiikan vasteen sekä ehdotetun mikroaaltosysteemin vasteen välillä havaitaan vahva analogia. Ehdotetulla järjestelmällä voidaan mitata nämä muutokset ulkoisesti kohteen pään pinnalta ilman kirurgisia toimenpiteitä tai suoraan kudokseen tunkeutumista, mikä takaa mittausmenetelmän turvallisuuden ja potilasmukavuuden. Lisäksi järjestelmä tarjoaa tarkkoja, toistettavia numeerisia mittauksia, jotka saavutetaan mittaussignaalien tiukan kalibroinnin avulla kudosta imitoivien fantomien ja anatomisesti realististen vokselimallien perusteella.