Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 6 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

Investigation of the method of near-field microwave tomography of lungs parameters

K.P. Gaikovich1, Y. Maksimovitch2,3, V.A. Badeev2

1 Institute for physics of microstructures RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Institute of Applied Physics NAS of Belarus, Minsk, Belarus
3 Belarusian State University, Belarus
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.6.10 UDC 621.371 EDN HMQAPO

Abstract

The results of theoretical and experimental studies of near-field microwave tomography of inhomogeneities in the parameters of relative blood content and air filling of the lungs are presented. Methods and algorithms for solving inverse problems of 3D tomography of the mentioned parameters of the lungs are proposed based on the data of pulse and multifrequency multisensory measurements of the scattered signal, as well as on the basis of the multi-position application of the previously developed 1D tomography (profiling) method. An experimental study of this method was carried out: based on the data of sequential bistatic measurements of the parameters of a scattered ultra-wideband pulse signal in a two-dimensional (square) region of the chest, a three-dimensional tomographic distribution of air content in the lungs in the inhalation phase was obtained.

  • near-field microwave sounding
  • inverse scattering problems
  • medical-biological diagnostics
  • lungs tomography
Аннотация (на русском)

Исследование метода ближнепольной СВЧ томографии параметров легких

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований ближнепольной СВЧ томографии неоднородностей параметров относительного кровесодержания и воздухонаполнения легких. Предложены методы и алгоритмы решения обратных задач 3D томографии указанных параметров легких по данным импульсных и многочастотных измерений рассеянного сигнала, а также на основе многопозиционного применения ранее разработанного метода 1D томографии (профилирования). Выполнено экспериментальное исследование этого метода - по данным последовательных бистатических измерений параметров рассеянного сверхширокополосного импульсного сигнала в двумерной (квадратной) области грудной клетки, получено трехмерное томографическое распределение воздухонаполнения легких в фазе вдоха.

For citation

Gaikovich K.P., Maksimovitch Y., Badeev V.A. Investigation of the method of near-field microwave tomography of lungs parameters // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.10

References

  1. Iskander M.F., Durney C.H., Shoff D.J., Bragg D.G. Diagnosis of pulmonary edema by a surgically noninvasive microwave technique. Radio Science. 1979. V.14. №6S. P. 265-269. https://doi:10.1029/RS014i06Sp00265
  2. Celik N., Gagarin R., Youn H.S., and Iskander M.F.A Non-Invasive microwave sensor and signal processing technique for continuous monitoring of vital signs. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. V.10. P.286-289. https://doi:10.3390/s21072448
  3. Celik N., Gagarin R., Huang G. Ch., et al. Microwave stethoscope: Development and Benchmarking of a vital signs sensor using computer-controlled Phantoms and human studies. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014. V.61. №8. P.2341-2349. https://doi:10.1109/TBME.2013.2241763
  4. Perron R.R.G., Iskander M.F., Seto T.B., Huang G.C., Bibb D.A. Electromagnetics in Medical Applications: The Cardiopulmonary Stethoscope Journey. In: Lakhtakia A., Furse C. (eds) The World of Applied Electromagnetics. Cham. Springer. 2018. Ch.18. P.443-479. https://doi:10.1007/978-3-319-58403-4_18
  5. Gaikovich K.P. Subsurface near-field scanning tomography. 2007. Phys. Rev. Letters. V.98. №18. P.183902. https://doi:10.1103/PhysRevLett.98.183902
  6. Gaikovich K.P., Gaikovich P.K. Inverse problem of near-field scattering in multilayer media. Inverse Problems. 2010. V.26. №12. P.125013. https://doi:10.1080/17415977.2017.1417405
  7. Gaikovich K.P., Gaikovich P.K., Maksimovitch Ye.S., Badeev V.A. Pseudopulse near-field subsurface tomography. Phys. Rev. Letters. 2012. V.108. №16. P.163902. https://doi:10.1103/PhysRevLett.108.163902
  8. Gaikovich K.P., Gaikovich P.K., Maksimovitch Ye.S., Badeev V.A. Subsurface near-field microwave holography. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. V.9. №1. P.74-82. https://doi:10.1109/JSTARS.2015.2443035
  9. Gaikovich K.P., Gaikovich P.K., Maksimovitch Ye. S., Smirnov A.I., and Sumin M.I. Dual regularization in non-linear inverse scattering problems. Inverse Problems in Science and Engineering. 2016. V.24. №7. P.1215-1239. https://doi:10.1080/17415977.2016.1160389
  10. Gaikovich K.P., Maksimovitch Ye.S., Sumin M.I. Inverse scattering problems of near-field subsurface pulse diagnostics. Inverse Problems in Science and Engineering. 2018.V.26. №11. P.1590-1611.
  11. Gaikovich K.P., Maksimovitch Ye.S., Badeev V.A. Near-field subsurface tomography and holography based on bistatic measurements with variable base. Inverse Problems in Science and Engineering. 2021. V.29. №5. P.663-680. https://10.1080/17415977.2020.1800686
  12. Bokeria L.A., Kakuchaya T.T., Badeev V.A, Maksimovicth Ye.S., Smirnov A.S., Gaikovich K.P. Achievements and Prospects in Near-Field Subsurface Diagnostics. Proceedings of 21st International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2019). Anger. France. 2019. P.Th.D4.5. https://doi:10.1109/ICTON.2019.8840017
  13. Бокерия Л.А., Какучая Т.Т., Максимович Е.С., Бадеев В.А., Гайкович К.П. Ближнепольное импульсное СВЧ зондирование динамики подповерхностной структуры тканей тела при дыхании и сердечной деятельности. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №8. https://doi:10.30898/1684-1719.2020.8.5
  14. Бокерия Л.А., Какучая Т.Т., Куулар А.М., Максимович Е.С., Бадеев В.А., Гайкович К.П. Динамическая ближнепольная СВЧ диагностика легких. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.8.16