Human body twins for realistic modeling of microwave technique towards its medical use
Särestöniemi, Mariella (2024-11-28)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202411136730
Kuvaus
Tiivistelmä
The development of realistic human body models, digital and physical twins, facilitates the development of health technologies. These adjustable models enable the assessment of new techniques and early usability evaluations of emerging medical monitoring and diagnostic methods. The microwave technique is a promising method for future medical monitoring and pre-diagnostics, offering noninvasive, low-cost, safe and deep tissue monitoring suitable for portable and wearable applications.
The primary objective of this thesis was to develop realistic and customizable simulation and emulation platforms, termed human body twins, for precise assessment of microwave-based medical monitoring applications. Simulations utilized 3D organ models, Magnetic Resonance Images (MRI), and adjustable human voxel models. For emulations, tissue-mimicking phantoms were designed to cover the microwave spectrum and 3D phantom molds were used to achieve realistic shapes. This study introduces new recipes for human tissue and organ-mimicking phantoms and innovative techniques to validate these phantoms under realistic conditions.
The secondary objective was to explore the potential of the microwave technique using developed human body twins in selected medical monitoring applications, focusing on detecting breast and brain tumors and skull fractures. Results showed that the dielectric properties of the phantoms closely resemble actual human tissue. The novel verification technique for phantoms in practical scenarios confirmed their suitability for evaluating microwave applications. Additionally, the study examined how the temperature used in phantom preparation significantly influenced the dielectric properties of the final phantom.
The evaluation results using developed human body twins demonstrated the potential of the microwave technique for detecting breast and brain tumors and skull fractures. Findings showed the technique’s efficiency: a breast tumor monitoring vest could detect tumors smaller than 1 cm across various breast densities, and realistic-shaped brain tumors and skull fractures of different sizes could be detected using even small flexible antennas. The developed human body twins and the presented evaluation results provide essential information for advancing research in new health technologies, highlighting the significance of employing realistic models.
Realististen ihmismallien, digitaalisten ja fyysisten kaksosten kehittäminen edistää terveysteknologioiden kehitystä. Nämä säädettävät mallit mahdollistavat uusien lääketieteellisten seuranta- ja diagnostiikkamenetelmien varhaiset käytettävyystestit. Mikroaaltotekniikka on lupaava menetelmä tulevaisuuden lääketieteen käyttöön mahdollistaen ei-invasiivista syväkudosten diagnostiikkaa ja seurantaa soveltuen myös kannettaviin ja puettaviin sovelluksiin.
Väitöskirjan ensisijaisena tavoitteena oli kehittää realistisia ja muokattavia simulaatio- ja emulointialustoja mikroaaltoihin perustuvien lääketieteellisten sovellusten tutkimus- ja kehitystarpeisiin. Simulaatioissa käytettiin 3D-elin malleja, magneettikuvia ja säädettäviä ihmismalleja, joita kutsutaan ihmiskaksosiksi. Emulointeihin suunniteltiin ihmiskudosmalleja, jotka kattavat mikroaaltoalueen, ja kolmiulotteisia (3D) muotteja realististen muotojen saavuttamiseksi. Tämä tutkimus esittelee uusia reseptejä kudosmalleille sekä innovatiivisia tekniikoita niiden validointiin realistisissa olosuhteissa. Tulokset osoittivat, että kehitettyjen kudosjäljitelmien dielektriset ominaisuudet muistuttavat läheisesti todellista ihmiskudosta. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin, kuinka jäljitelmien valmistuksessa käytetty lämpötila vaikutti merkittävästi lopullisen jäljitelmän dielektrisiin ominaisuuksiin.
Väitöskirjan toissijaisena tavoitteena oli tutkia mikroaaltotekniikan potentiaalia ihmiskaksosten avulla valituissa lääketieteellisissä seurantakohteissa, keskittyen rinta- ja aivokasvainten sekä kallonmurtumien havaitsemiseen. Tässä vaiheessa myös vahvistettiin ihmiskaksosten soveltuvuus mikroaaltosovellusten tutkimukseen.
Ihmiskaksosmalleihin perustuvat arviointitulokset osoittivat mikroaaltotekniikan potentiaalin rinta- ja aivokasvainten sekä kallonmurtumien havaitsemisessa. Tulokset osoittivat, että rintakasvainten seurantaliivi pystyi havaitsemaan alle 1 cm:n kokoisia kasvaimia eri rintatiheysluokissa. Lisäksi realistisen muotoiset aivokasvaimet ja kallonmurtumat eri kokoisina voitiin havaita jopa pienillä joustavasta materiaalista valmistetuilla antenneilla. Kehitetyt ihmiskaksoset ja esitetyt arviointitulokset tarjoavat olennaista tietoa mikroaaltotekniikkaan perustuvan terveysteknologian tutkimus- ja kehitystyön edistämiseksi, korostaen realististen mallien merkitystä.
Original papers
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Dessai, R., Heredia, C., Myllymäki, S., & Myllylä, T. (2024). Realistic 3D phantoms for validation of microwave sensing in health monitoring applications. Sensors, 24(6), 1975. https://doi.org/10.3390/s24061975 https://doi.org/10.3390/s24061975
-
Särestöniemi, M., Dessai, R., Myllymäki, S., & Myllylä, T. (2023). A novel durable fat tissue phantom for microwave based medical monitoring applications. In Y. Chen, D. Yao, & T. Nakano (Eds.), Bio-inspired Information and Communications Technologies (512, pp. 166–177). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-43135-7_16 https://doi.org/10.1007/978-3-031-43135-7_16
-
Särestöniemi, M., Singh, D., & Myllylä, T. (in press). Novel bone phantoms and effect of temperature on bio-mimicking phantoms.
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Heredia, C., Nikkinen, J., Von Und Zu Fraunberg, M., & Myllylä, T. (2024). Digital twins for development of microwave-based brain tumor detection. In M. Särestöniemi, P. Keikhosrokiani, D. Singh, E. Harjula, A. Tiulpin, M. Jansson, M. Isomursu, M. Van Gils, S. Saarakkala, & J. Reponen (Eds.), Digital Health and Wireless Solutions (2083, pp. 240–254). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-59080-1_18 https://doi.org/10.1007/978-3-031-59080-1_18
-
Särestöniemi, M., Reponen, J., Sonkki, M., Myllymäki, S., Pomalaza-Raez, C., Tervonen, O., & Myllylä, T. (2022). Breast cancer detection feasibility with UWB flexible antennas on wearable monitoring vest. 2022 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), 751–756. https://doi.org/10.1109/PerComWorkshops53856.2022.9767512 https://doi.org/10.1109/PerComWorkshops53856.2022.9767512
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Reponen, J., & Myllylä, T. (2024). Tailored 3D breast models for development of microwave based breast tumor screening. Finnish Journal of eHealth and eWelfare, 16(1), 23–34. https://doi.org/10.23996/fjhw.140947 https://doi.org/10.23996/fjhw.140947
-
Dessai, R., Singh, D., Sonkki, M., Reponen, J., Myllylä, T., Myllymäki, S., & Särestöniemi, M. (2024). A breast tumor monitoring vest with flexible UWB antennas—A proof-of-concept study using realistic breast phantoms. Micromachines, 15(9), 1153. https://doi.org/10.3390/mi15091153 https://doi.org/10.3390/mi15091153
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Von Und Zu Fraunberg, M., & Myllylä, T. (2024). Microwave technique for linear skull fracture detection—Simulation and experimental study using realistic human head models. Biosensors, 14(9), 434. https://doi.org/10.3390/bios14090434 https://doi.org/10.3390/bios14090434
Osajulkaisut
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Dessai, R., Heredia, C., Myllymäki, S., & Myllylä, T. (2024). Realistic 3D phantoms for validation of microwave sensing in health monitoring applications. Sensors, 24(6), 1975. https://doi.org/10.3390/s24061975 https://doi.org/10.3390/s24061975
-
Särestöniemi, M., Dessai, R., Myllymäki, S., & Myllylä, T. (2023). A novel durable fat tissue phantom for microwave based medical monitoring applications. In Y. Chen, D. Yao, & T. Nakano (Eds.), Bio-inspired Information and Communications Technologies (512, pp. 166–177). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-43135-7_16 https://doi.org/10.1007/978-3-031-43135-7_16
-
Särestöniemi, M., Singh, D., & Myllylä, T. (in press). Novel bone phantoms and effect of temperature on bio-mimicking phantoms.
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Heredia, C., Nikkinen, J., Von Und Zu Fraunberg, M., & Myllylä, T. (2024). Digital twins for development of microwave-based brain tumor detection. In M. Särestöniemi, P. Keikhosrokiani, D. Singh, E. Harjula, A. Tiulpin, M. Jansson, M. Isomursu, M. Van Gils, S. Saarakkala, & J. Reponen (Eds.), Digital Health and Wireless Solutions (2083, pp. 240–254). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-59080-1_18 https://doi.org/10.1007/978-3-031-59080-1_18
-
Särestöniemi, M., Reponen, J., Sonkki, M., Myllymäki, S., Pomalaza-Raez, C., Tervonen, O., & Myllylä, T. (2022). Breast cancer detection feasibility with UWB flexible antennas on wearable monitoring vest. 2022 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops and other Affiliated Events (PerCom Workshops), 751–756. https://doi.org/10.1109/PerComWorkshops53856.2022.9767512 https://doi.org/10.1109/PerComWorkshops53856.2022.9767512
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Reponen, J., & Myllylä, T. (2024). Tailored 3D breast models for development of microwave based breast tumor screening. Finnish Journal of eHealth and eWelfare, 16(1), 23–34. https://doi.org/10.23996/fjhw.140947 https://doi.org/10.23996/fjhw.140947
-
Dessai, R., Singh, D., Sonkki, M., Reponen, J., Myllylä, T., Myllymäki, S., & Särestöniemi, M. (2024). A breast tumor monitoring vest with flexible UWB antennas—A proof-of-concept study using realistic breast phantoms. Micromachines, 15(9), 1153. https://doi.org/10.3390/mi15091153 https://doi.org/10.3390/mi15091153
-
Särestöniemi, M., Singh, D., Von Und Zu Fraunberg, M., & Myllylä, T. (2024). Microwave technique for linear skull fracture detection—Simulation and experimental study using realistic human head models. Biosensors, 14(9), 434. https://doi.org/10.3390/bios14090434 https://doi.org/10.3390/bios14090434
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38865]