Development of active microwave imaging techniques for applications in mammography

Breast cancer is the most common non - skin malignancy in women and a leading cause of female morality. A potentially important strategy for reducing this menace is the detection at an early stage . The invention of non-invasive and non-ionizing microwave technique, to reveal the internal structure of biological objects was a break through in the field of medical diagnostics. Electrical properties of biological tissues and their interaction with electromagmetic waves have direct impact on human life. This thesis focuses on theoretical and experimental investigations of active microwave imaging techniques for breast cancer detection.

Strategies for Inverse Profiling of Two Dimensional Dielectric Scatterers Using Electromagnetic Illumination

Electromagnetic tomography has been applied to problems in nondestructive evolution, ground-penetrating radar, synthetic aperture radar, target identification, electrical well logging, medical imaging etc. The problem of electromagnetic tomography involves the estimation of cross sectional distribution dielectric permittivity, conductivity etc based on measurement of the scattered fields. The inverse scattering problem of electromagnetic imaging is highly non linear and ill posed, and is liable to get trapped in local minima. The iterative solution techniques employed for computing the inverse scattering problem of electromagnetic imaging are highly computation intensive. Thus the solution to electromagnetic imaging problem is beset with convergence and computational issues. The attempt of this thesis is to develop methods suitable for improving the convergence and reduce the total computations for tomographic imaging of two dimensional dielectric cylinders illuminated by TM polarized waves, where the scattering problem is defmed using scalar equations. A multi resolution frequency hopping approach was proposed as opposed to the conventional frequency hopping approach employed to image large inhomogeneous scatterers. The strategy was tested on both synthetic and experimental data and gave results that were better localized and also accelerated the iterative procedure employed for the imaging. A Degree of Symmetry formulation was introduced to locate the scatterer in the investigation domain when the scatterer cross section was circular. The investigation domain could thus be reduced which reduced the degrees of freedom of the inverse scattering process. Thus the entire measured scattered data was available for the optimization of fewer numbers of pixels. This resulted in better and more robust reconstructions of the scatterer cross sectional profile. The Degree of Symmetry formulation could also be applied to the practical problem of limited angle tomography, as in the case of a buried pipeline, where the ill posedness is much larger. The formulation was also tested using experimental data generated from an experimental setup that was designed. The experimental results confirmed the practical applicability of the formulation.

Microwave studies of a poly vinyl acetate (PVA)-based phantom for applications in medical imaging

A phantom that exhibits complex dielectric properties similar to low-water-content biological tissues over the electromagnetic spectrum of 2000–3000 MHz has been synthesized from carbon black, graphite powder, and poly vinyl acetate (PVA)-based adhesive. The material overcomes various problems that are inherent in conventional phantoms such as decomposition and deterioration due to the invasion of bacteria or mold. The absorption coefficients of the material for various concentrations of carbon and graphite are studied. A combination of 50% poly-vinyl-acetate-based adhesive, 20% carbon, and 30% graphite exhibits a high absorption coefficient, which suggests another application of the material as a good microwave absorber for the interior lining of tomographic chamber in microwave imaging. The cavity-perturbation technique is adopted to study the dielectric properties of the material.

Active Microwave Imaging for Breast Cancer Detection

Active microwave imaging is explored as an imaging modality for early detection of breast cancer. When exposed to microwaves, breast tumor exhibits electrical properties that are significantly different from that of healthy breast tissues. The two approaches of active microwave imaging — confocal microwave technique with measured reflected signals and microwave tomographic imaging with measured scattered signals are addressed here. Normal and malignant breast tissue samples of same person are subjected to study within 30 minutes of mastectomy. Corn syrup is used as coupling medium, as its dielectric parameters show good match with that of the normal breast tissue samples. As bandwidth of the transmitter is an important aspect in the time domain confocal microwave imaging approach, wideband bowtie antenna having 2:1 VSWR bandwidth of 46% is designed for the transmission and reception of microwave signals. Same antenna is used for microwave tomographic imaging too at the frequency of 3000 MHz. Experimentally obtained time domain results are substantiated by finite difference time domain (FDTD) analysis. 2-D tomographic images are reconstructed with the collected scattered data using distorted Born iterative method. Variations of dielectric permittivity in breast samples are distinguishable from the obtained permittivity profiles.

Dielectric studies of polyvinyl-acetate-based phantom for applications in microwave medical imaging

Phantoms that exhibit complex dielectric properties similar to low water content biological tissues over the electromagnetic spectrum of 2–3 GHz have been synthesized from carbon black powder, graphite powder and polyvinyl-acetate-based adhesive. The materials overcome various problems that are inherent in conventional phantoms such as decomposition and deterioration due to the invasion of bacteria or mold. The absorption coefficients of the materials for various compositions of carbon black and graphite powder are studied. A combination of 50% polyvinylacetate- based adhesive, 20% carbon black powder and 30% graphite powder exhibits high absorption coefficient, which suggests another application of the material as good microwave absorber for interior lining of tomographic chamber in microwave imaging. Cavity perturbation technique is adopted to study the dielectric properties of the material.

3D Simultaneous Inversion for Seismic Structure and Local Hypocenters in Germany under Consideration of Seismic Anisotropy in the Upper Mantel

The main task of this work has been to investigate the effects of anisotropy onto the propagation of seismic waves along the Upper Mantle below Germany and adjacent areas. Refraction- and reflexion seismic experiments proved the existence of Upper Mantle anisotropy and its influence onto the propagation of Pn-waves. By the 3D tomographic investigations that have been done here for the crust and the upper mantle, considering the influence of anisotropy, a gap for the investigations in Europe has been closed. These investigations have been done with the SSH-Inversionprogram of Prof. Dr. M. Koch, which is able to compute simultaneously the seismic structure and hypocenters. For the investigation, a dataset has been available with recordings between the years 1975 to 2003 with a total of 60249 P- and 54212 S-phase records of 10028 seismic events. At the beginning, a precise analysis of the residuals (RES, the difference between calculated and observed arrivaltime) has been done which confirmed the existence of anisotropy for Pn-phases. The recognized sinusoidal distribution has been compensated by an extension of the SSH-program by an ellipse with a slow and rectangular fast axis with azimuth to correct the Pn-velocities. The azimuth of the fast axis has been fixed by the application of the simultaneous inversion at 25° - 27° with a variation of the velocities at +- 2.5 about an average value at 8 km/s. This new value differs from the old one at 35°, recognized in the initial residual analysis. This depends on the new computed hypocenters together with the structure. The application of the elliptical correction has resulted in a better fit of the vertical layered 1D-Model, compared to the results of preceding seismological experiments and 1D and 2D investigations. The optimal result of the 1D-inversion has been used as initial starting model for the 3D-inversions to compute the three dimensional picture of the seismic structure of the Crust and Upper Mantle. The simultaneous inversion has showed an optimization of the relocalization of the hypocenters and the reconstruction of the seismic structure in comparison to the geology and tectonic, as described by other investigations. The investigations for the seismic structure and the relocalization have been confirmed by several different tests. First, synthetic traveltime data are computed with an anisotropic variation and inverted with and without anisotropic correction. Further, tests with randomly disturbed hypocenters and traveltime data have been proceeded to verify the influence of the initial values onto the relocalization accuracy and onto the seismic structure and to test for a further improvement by the application of the anisotropic correction. Finally, the results of the work have been applied onto the Waldkirch earthquake in 2004 to compare the isotropic and the anisotropic relocalization with the initial optimal one to verify whether there is some improvement.

Tratamiento del deslizamiento epifisiario capital femoral con fijación in situ versus luxación quirúrgica

Introducción: El Deslizamiento Epifisiario Capital Femoral es la enfermedad de la cadera más común en adolescentes entre los 9 y 16 años. Es de causa idiopática, más frecuente en hombres, se clasifica en 4 estadios según criterios clínicos y radiológicos. Se buscó evaluar la evolución de los deslizamientos moderados y severos tratados con una de las dos técnicas propuestas. Metodología Se realizó un estudio descriptivo con pacientes que fueron llevados a fijación in situ o luxación controlada entre 2008 y 2011. Resultados: Se incluyeron 26 pacientes, los cuales el 65.4% se les realizó luxación quirúrgica controlada y el 34.6% fijación in situ. El 70,6% de pacientes tenían DECF inestable y 70,5% tenían desplazamiento severo. La evaluación de la escala WOMAC para dolor, rigidez y capacidad funcional encontró mejores beneficios para el grupo de fijación in situ, estadísticamente significativos (p<0,05), no solo en términos de dolor, rigidez y capacidad funcional sino menor frecuencia de complicaciones. Las complicaciones más frecuentes en el grupo de luxación quirúrgica controlada fueron un caso de infección, 7 casos (41,2%) de necrosis avascular de cabeza femoral, 5 casos (29,4%) de condrolisis y 2 casos (11,8%) de pseudoartrosis; En el grupo de fijación in situ, solo 1 (11,1%) presentó Infección del Sitio Operatorio y 1 (11,1%) Condrolisis. Resultados significativos solo para necrosis avascular. Discusión: Los pacientes con deslizamientos moderados y severos manejados con fijación in situ tuvieron una mejor resultado con menor proporción de complicaciones.

Grados altos en la Escala de Fisher predicen el desarrollo de hidrocefalia en pacientes con hemorragia subaracnoidea espontanea

Objetive. To determine if high grades of Fisher scale are useful to predict the development of hydrocephalus in consecutive Colombian patients with spontaneous subarachnoid hemorrhage (SAH) assessed from January 2005 to April 2012 with 12 month follow-up. Methods. 251 patients were included in a restrospective manner. The association between Fisher scale and hydrocephalus was analyzed bivariate and multivariate analysis. In addition, a systematic literature review (SLR) was done. Results. In our cohort of patients, the etiology of SAH was due to aneurysms; 78,5%. The prevalence of hydrocephalus was found to be of 27,1%. Overall survival with a 12 month follow-up was of 65,7%. Average age of included patients was 55,5 ± 15 years, and most of them were women; 65,7%. Having Fisher 4 and Hunt-Hess III are significantly associated with hydrocephalus: adjusted OR: 2.93 95% CI: 1.51-5.65, P <0.001, adjusted OR: 2.83 95% CI: 1.31-6.17 P=0.008 respectively. The SRL showed an overall prevalence of hydrocephalus between 17 and 68% and mortality varied between 3.0% and 33%. 50% of the included studies significantly associated intraventricular hemorrhage ( Fisher 4) with hydrocephalus. Conclusion. Our results confirm current concepts on post-SAH hydrocephalus and the fact that is obstructive and secondary to Fisher 4 and having neurological impairment on admission (Hunt and Hess III).

Escala de Fisher como factor predictor de hidrocefalia en hemorragia subaracnoidea espontanea

Objetivo. Determinar si la cantidad de sangre y su localización es el espacio subaracnoideo, medible con la escala de Fisher en las primeras 24 horas de ocurrido el ictus hemorrágico, es un factor predictor para el desarrollo de hidrocefalia en pacientes con diagnóstico de hemorragia subaracnoidea (HSA) espontánea, vistos en el Hospital Universitario Clínica San Rafael (HUCSR) con seguimiento de 12 meses. Métodos. 251 pacientes fueron incluidos en una cohorte retrospectiva. La asociación entre la escala de Fisher y el desarrollo de hidrocefalia en pacientes con HSA espontánea fue analizada a través de un análisis bivariado y multivariado. Resultados. La edad promedio de los pacientes fue de 55,5 ± 15 años; con predominancia en el sexo femenino 65,7%. La prevalencia de hidrocefalia fue de 27,1% en la cohorte y la etiología de la HSA fue en su mayoría por ruptura de aneurismas de arterias cerebrales; 78,5%. La sobrevida a 12 meses fue de 65,7%. Tanto el grado 4 en la escala de Fisher como Hunt-Hess III se asocian con el desarrollo de hidrocefalia: ORA; 2.93 IC 95%: 1.51-5.65, P <0.001, ORA 2.83 IC 95%: 1.31-6.17 P=0.008 respectivamente. Conclusión. La presencia de sangrado Intraventricular o intraparenquimatoso ( Fisher 4) en las primeras 24 horas, asociado a un deterioro neurológico al ingreso Hunt-Hess III están asociados con el desarrollo de hidrocefalia en los 251 pacientes evaluados con diagnóstico de HSA espontánea; hallazgos consistentes con lo reportado en la literatura mundial.

Factores asociados a recuperación visual deficiente después de cirugía exitosa para desprendimiento de retina regmatógeno

Introducción: Varias características pueden afectar el pronóstico visual después de resolver quirúrgicamente el desprendimiento de retina. Existen características no observables por el ojo humano por si solo pero si por tomografía óptica coherente que se relacionan con la recuperación visual. Objetivo: Describir las características clínicas y topográfica en los periodos pre y postquirúrgico de ojos que ha sufrido DR regmatógeno con compromiso macular y su relación con la calidad de recuperación visual después de una cirugía considerada exitosa desde el punto de vista anatómico. Materiales y métodos: Estudio descriptivo en el que se comparan algunas características en tres periodos perioeperatorios, uno antes y dos después de cirugía (3 y 6 meses) de 24 ojos con DRregmatógeno y compromiso macular intervenidos mediante retinopexia combinada con vitrectomía pars plana. Resultados: La recuperación visual mejor o igual que logMAR 0,397 (20/50) se dió en 41,7% de ojos y 16,7%. alcanzaron agudeza visual logMAR 0,301 (20/40). Cinco ojos no alcanzaron una ganancia de líneas de visión mayor a cinco. El líquido submacular ausente se observó en la mayoría de ojos que recuperaron más de cinco líneas al igual que aquellos con elipsoide conservado. La regularidad del neuroepitelio y el edema en el periodo posquirúrgico no mostraron comportamientos claros respecto a recuperación visual al igual que la altura del desprendimiento y el número de cuadrantes afectados. Una mejor recuperación visual fue más frecuente en aquellos con menos de cinco semanas de desprendimiento de retina. Conclusiones: El retraso menor a cinco semanas en la resolución del desprendimiento de retina, la conservación del elipsoide y la ausencia de líquido submacular en el periodo postquirúrgico se observó más frecuentemente en ojos con mejor recuperación visual.

Factores relacionados con el manejo quirúrgico de estrechez de la unión pieloureteral en niños

Objetivo: Describir los factores relacionados con la toma de decisión de manejo quirúrgico en pacientes con hidronefrosis secundaria a estrechez de la unión pieloureteral en el servicio de Urología Pediátrica de una institución de IV nivel. Materiales y Métodos: Se realizó un estudio descriptivo retrospectivo. Se seleccionaron por conveniencia a 100 pacientes con diagnóstico antenatal de hidronefrosis, 37 fueron llevados a manejo quirúrgico por estrechez de la unión pieloureteral (EUPU) entre los años 2009 y 2012. Se evaluaron los factores que llevaron a la toma| de esta decisión. Resultados: Los pacientes con diagnóstico postnatal de EUPU representaron el 37% de la población, la indicación de manejo quirúrgico en 13 pacientes (35,1%) fue dilatación caliceal (SFU 3), en 21 pacientes (56,8%) de deterioro de la función renal y en los restantes (8,1%) infección urinaria recurrente. Se encontró una progresión de 30% en la severidad de la dilatación en el periodo postnatal, habían 9 pacientes (24% de la muestra) SFU de 3 y 4 en el periodo prenatal y 20 (54%) en el periodo postnatal que fueron llevados a manejo quirúrgico. De los pacientes que disponíamos de datos precisos de valores de variación porcentual de gammagrafía 16% de la muestra, se encontró que había una variación del 50% en deterioro de la función renal. Conclusión: En el grupo de pacientes colombianos de la consulta externa del servicio de urología pediátrica estudiado se encontró que la decisión de manejo quirúrgico en pacientes con EUPU, está en concordancia con lo encontrado en la literatura mundial, siendo estos la presencia de dilatación caliceal deterioro de la función renal en gammagrafía DMSA.

Evaluación de la vía aérea superior en pacientes con sahos mediante cefalometría 3D y multiplanar

Objetivo: determinar parámetros biométricos para evaluación y diagnóstico de pacientes con SAHOS por medio de Cefalometría Tridimensional y reconstrucción Multiplanar escanográfica. Materiales y Métodos: se realizó estudio observacional tipo cross-sectional, con 25 pacientes diagnosticados con SAHOS, a los cuales se les hizo TAC simple de cara con reconstrucción multiplanar y tridimensional, evaluando volumen de vía aérea, longitud, promedio del área en corte transversal, área retropalatal, área reglosal, espacio retrogloso lateral y anteroposterior. Resultados: se incluyeron 25 pacientes y realizaron medidas de volumen, longitud, promedio del área en corte transversal, área retropalatal, área retroglosal y espacios regloso lateral y anteroposterior, realizando análisis estadístico mediante el programa SPSS 17.0 reportando medidas de tendencia central como promedio, media, moda, rango, desviación estándar, y concordancia inter e intra observador. Conclusión: la Cefalometría tridimensional con reconstrucción multiplanar ha mostrado ser un excelente método de evaluación de vía aérea en pacientes con SAHOS, obteniendo propias clasificaciones dentro del estudio de estos pacientes. Sin embargo, ante la escasa literatura y difícil obtención de parámetros de referencia es necesario promover el estudio y la investigación de este método diagnostico en pacientes con SAHOS.

Utilidad de la tomografía en el diagnóstico y tratamiento de fracturas proximales del humero en tres y cuatro partes en mayores de 65 años

Las fracturas proximales del húmero en tres y cuatro partes en mayores de 65 años son un reto diagnóstico y de tratamiento por su complejidad. La clasificación de Neer ha sido una herramienta de ayuda para la caracterización y el tratamiento de las fracturas proximales del húmero y se basa en la evaluación radiográfica la cual puede no dejar claros patrones fractuarios complejos; la tomografía computarizada logra identificar estos patrones complejos los cuales son comunes en pacientes mayores de 65 años, aun así, no es claro el impacto de realizar la tomografía. Este estudio está diseñado para evidenciar si existe un cambio en la clasificación e indicación de manejo en fracturas proximales del húmero en tres y cuatro partes interpretadas con radiografías al ser posteriormente valoradas con tomografía. 15 expertos interpretan e indican manejo de 20 estudios radiográficos de fracturas en tres y cuatro partes del húmero proximal de pacientes mayores de 65 años, previamente asintomáticos, funcionales con única fractura, se realiza la valoración tomográfica y se relaciona a los resultados radiográficos, allí se evidencia si existe o no el cambio de clasificación y manejo de las fracturas. Mediante un estudio observacional, descriptivo y retrospectivo se encuentra que la valoración de la tomografía puede variar la clasificación y el tratamiento indicados inicialmente por los estudios radiográficos en un 60.3% y 54.3% respectivamente, siendo una variación de conducta en más de la mitad de los casos se aprecia la necesidad de realizar el estudio tomográfico.

Concordancia en el tratamiento de fracturas de radio distal basado en el estudio de radiografía y tomografía

Introducción: La utilidad de la tomografía computarizada como prueba de rutina en la toma de decisiones para las fracturas de radio distal no ha sido bien establecida. Metodología: Estudio de concordancia intra e interobservador en el tratamiento de fracturas de radio distal Fernández V. Se realizaron dos visitas, con intervalo de 2 semanas entre ellas a 15 ortopedistas de trauma quienes evaluaron 22 radiografías de muñeca y sus respectivas tomografías con fracturas de radio distal Fernández V, determinaron para cada caso la mejor opción de tratamiento. Se utilizó el coeficiente Kappa para evaluar la concordancia intra e interobservador para el plan de tratamiento propuesto y se analizaron los resultados según la interpretación de este coeficiente según Landis y Koch. Resultados: La concordancia entre radiografía y tomografía fue moderada kappa 0,47 – 0,51 en las dos evaluaciones respectivamente, manteniéndose el cambio de tratamiento entre 24,9% y 26,7% (p‹0,001). La concordancia observada intraobservador para radiografía y tomografía evaluadas de manera individual fue buena (72,1% y 64,2% respectivamente) evidenciándose cambio en la decisión de tratamiento hasta en el 35,8% de las evaluaciones (p‹0,001); se determinó concordancia observada muy buena en los casos a los que se propuso manejo abierto. No se identificó influencia de la edad en la decisión de tratamiento. Conclusiones: Existe buena concordancia entre radiografía simple y tomografía en fracturas de radio distal Fernández V en cuanto a la decisión de tratamiento, siendo alta la concordancia en los casos en los que se decide manejo abierto.

Hallazgos radiológicos de la enfermedad pulmonar en pacientes Colombianos con esclerodermia

La esclerosis sistémica (ES) es una enfermedad autoinmune multisistémica que afecta principalmente la piel, los pulmones, el tracto gastrointestinal, el corazón y los riñones. La enfermedad pulmonar, presente en casi el 100% de los casos, es el factor con mayor influencia en la mortalidad. El propósito de este estudio es realizar un análisis detallado de la enfermedad pulmonar por tomografía computarizada de alta resolución(TCAR) en pacientes Colombianos con ES, para lo cual se realizó un estudio de prevalencia analítica en 44 pacientes con ES valorados en el Hospital Universitario Mayor Méderi en los últimos 7 años. Los resultados mostraron características demográficas y clínicas similares a las previamente descritas. La prevalencia de enfermedad pulmonar intersticial fue alta, y los hallazgos de fibrosis pulmonar como vidrio esmerilado y panal de abejas se asociaron con la presencia del autoanticuerpo antiSCL70. La medida del diámetro esofágico por TCAR fue mayor en los pacientes con disfagia, antiSCL 70 y linfopenia, los cuales son marcadores de mal pronóstico.