Development of Gel Phantom Having Dielectric Property Equal to Breast Tissue for Medical Metrology and the Effect of SiC Nanopowders on the Dielectric Constant

Year 2019, Volume: 12 Issue: 3, 1567 - 1578, 31.12.2019

Tarık Karabey , Mehmet Ertuğrul , Hayrettin Eroğlu

https://doi.org/10.18185/erzifbed.613462

Abstract

There are major shortcomings of phantoms, which are important for
improving the image quality of medical devices produced by developing
technology and also for calibration settings. The most important of these
shortcomings is the change in the concentration of the structures forming the
phantom and the deterioration of the structure due to external factors. It is
important to design and develop gel phantoms which are longer time resistant to
these negative effects and show electrical properties close to the living
tissue.  As is the case in many areas,
the use of live human subjects in the medical field has not been approved and
banned by many ethics committees due to the possibility of being harmful to
health, and instead of living human subjects, phantoms with close features are
used. In imaging systems, such as MR, Ultrasound, Tomography, X-ray, the
working range of these phantoms should be determined. In addition, the use of
mobile telephones has been widely used today, the absorption of electromagnetic
rays emitted from these devices (SAR) as a result of the loss of the electrical
property of phantom to determine the interval of distortion is important for
future advances and innovations in the medical field.

In the study, 5 g PVA was heated in a beaker containing 45 ml of pure
water for 5 minutes at 80^oC with stirring and a 10% buffer PVA
solution was prepared. Different amounts of Triton X-100 were added to these
buffer solutions and mixed for 15 minutes. After waiting for 24 hours,
dielectric constants of gel phantoms were examined at room temperature. Agilent
85070E Network Analyzer and Performance Probe with Short Block were used to
measure the dielectric constant. Gel phantoms were obtained showing the
dielectric properties of human breast tissue according to the measurements
taken in the frequency range 0 to 20 GHz. 10 ml 10% PVA + 5 ml Triton X-100 gel
phantom from this gel phantom was examined by changing the dielectric constant
by mixing 0.1 g SiC nanopowder. Afterwards, images of this gel phantom obtained
with WETSEM (Wet Scanning Electron Microscope) were examined.

Keywords

Medical Metrology, Breast Tissue, Dielectric Property, Gel Phantom, WETSEM

Medikal Metroloji için Meme Dokusuna Dielektrik Özelliği Eş Jel Fantom Üretimi ve SiC Nanotozlarının Dielektrik Sabitine Etkisi

Abstract

Gelişen teknoloji ile üretilen medikal cihazların hem görüntü kalitesini arttırmak hem de kalibrasyon ayarları için önemli bir yeri olan fantomların büyük eksikleri bulunmaktadır. Bu eksikliklerden en önemlileri fantomu oluşturan yapıların konsantrasyonunun zamanla değişmesi ve dış etkenlere bağlı olarak yapının bozulmasıdır. Bu olumsuz etkilere karşı daha uzun süre dayanıklı olan ve canlı doku özelliğine yakın elektriksel özellikler gösteren jel fantomlar tasarlamak ve geliştirmek önemlidir. Birçok alanda olduğu gibi medikal alanda da canlı insan deneklerin kullanılması sağlığa zararlı olma ihtimalinden dolayı birçok etik kurul tarafından uygun görülmemiştir ve yasaklanmıştır. Canlı insan deneklerin yerine yakın özelliklere sahip fantomlar kullanılmaktadır. Bu fantomların MR, Ultrason, Tomografi, Röntgen gibi görüntüleme sistemlerinde elektriksel özelliklerini kaybettiği çalışma aralığının belirlenmesi gerekir. Buna ek olarak mobil telefonların yaygın olarak kullanıldığı günümüzde bu cihazlardan yayılan elektromanyetik ışınların emilimi (SAR) sonucu fantomun elektriksel özelliğini kaybederek bozulma aralığının saptanması gelecekte medikal alanda yapılacak ilerlemeler ve yenilikler için önemlidir. Yapılan çalışmada 5 g PVA, içerisinde 45 ml saf su bulunan bir beherde karıştırma işlemi ile beraber 80oC sıcaklıkta 5 dakika ısıtıldı ve % 10’luk tampon PVA çözeltisi hazırlandı. Bu tampon çözeltilere farklı miktarlarda Triton X-100 maddeleri eklenerek 15 dakika karıştırıldı. 24 saat beklendikten sonra oda sıcaklığında jel fantomların dielektrik sabitlerine bakıldı. Dielektrik sabitinin ölçümü için Agilent 85070E Network Analiz Cihazı ve Performance Probe ile Short Block kullanıldı. 0 ile 20 GHz frekans aralığında alınan ölçümlere göre insan meme dokusunun dielektrik özelliklerini gösteren jel fantomlar elde edildi. Bu jel fantomlardan 10 ml %10’luk PVA+ 5 ml Triton X-100 jel fantomuna 0,1 gr SiC nanotozu karıştırılarak dielektrik sabitindeki değişim incelendi. Daha sonra elde edilen bu jel fantomun WETSEM (Islak Taramalı Elektron Mikroskobu) ile görüntüleri incelendi.

Keywords

Medikal Metroloji, Meme Dokusu, Dielektrik Özellik, Jel Fantom, WETSEM

References

• Joachimowicz, N., Duch, B., Conessa, C., & Meyer, O. (2016, April). Easy-to-produce adjustable realistic breast phantoms for microwave imaging. In 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) (pp. 1-4). IEEE.
• Lam, A. R., Ding, H., & Molloi, S. (2014). Quantification of breast density using dual-energymammography with liquid phantom calibration. Physics in medicine and biology, 59(14), 3985.
• Lazebnik, M. (2008). Ultrawideband spectroscopy and dielectric-properties contrast enhancement for microwave breast cancer detection and treatment. ProQuest.
• Romeo, S., Di Donato, L., Bucci, O. M., Catapano, I., Crocco, L., Scarfì, M. R., & Massa, R. (2011). Dielectric characterization study of liquid‐based materials for mimicking breast tissues. Microwave and Optical Technology Letters, 53(6), 1276-1280.
• Meo, S. D., M., Pasotti, I., Pasian, L., Matrone, G. (2018). Realization of breast tissue-mimicking phantom materials: dielectric characterization in the 0.5-50 GHz frequency range. IEEE/MTT-S International Microwave Biomedical Conference.
• Meo, S. D., Iliopoulos, I., Pasian, M., Ettorre, M., Pasotti, L., Zhadobov, M., Matrone, G. (2019). Tissue mimmicking materials for breast phantoms using waste oil hardeners. 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP).
• Meo, S. D. R., Pasotti, L., Iliopoulos, I., Pasian, M., Ettorre, M., Zhadobov, M., & Matrone, G. (2019). Tissue-mimicking materials for breast phantoms up to 50 GHz. Physics in medicine and biology, 64(055006), 1-13.
• T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, Biyomedikal Cihaz Teknolojileri,http://www.megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/moduller_pdf/Mr%20Fonksi- yon%20Testi.pdf,Ankara (2012).Son erişim tarihi: 25.07.2017
• Xia, W., Piras, D., Heijblom, M., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G., & Manohar, S. (2011). Poly (vinyl alcohol) gels as photoacoustic breast phantoms revisited. Journal of biomedical optics, 16(7), 075002-075002.