Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
In Vivo Evaluation of Microwave Probe for Early-Stage Malignant Melanoma Diagnostics: Measurements on Murine Tumor Model
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Micro and Nanosystems.ORCID iD: 0000-0002-1934-5856
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
National Category
Medical Engineering Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-252546OAI: oai:DiVA.org:kth-252546DiVA, id: diva2:1319419
Note

QC 20190603

Available from: 2019-05-31 Created: 2019-05-31 Last updated: 2019-06-03Bibliographically approved
In thesis
1. Micromachined Microwave Sensors for Non-Invasive Skin Cancer Diagnostics
Open this publication in new window or tab >>Micromachined Microwave Sensors for Non-Invasive Skin Cancer Diagnostics
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Malignant melanoma is one of the cancers with the highest incident rates. It is also the most dangerous skin cancer type and an early diagnosis is crucial for the successful treatment of malignant melanoma patients. If it is diagnosed and treated at an early stage, the survival rate for patients is 99%, however, this is reduced to only 25% if diagnosed at a later stage. The work in this thesis combines microsystem technology, microwave engineering and biomedical engineering to develop a sensing tool for early-stage malignant melanoma diagnostics. Such a tool could not only increase the clinical accuracy of malignant melanoma diagnosis, but also reduce the time needed for examination, and lower the number of unnecessary biopsies. Furthermore, a reliable and easy-to-use tool can enable non-specialist healthcare personnel, including primary care physicians or nurses, to perform a prescreening for malignant melanoma with a high sensitivity. Consequently, a large number of patients could receive a timely examination despite the shortage of dermatologists, which exists in many healthcare systems. The dielectric properties of tumor tissue differ from healthy tissue, which is mainly accounted to a difference in the water content. This difference can be measured by a microwave-based sensing technique called microwave reflectometry. Previously reported microwave-based skin measurements largely relied on standard open-ended waveguide probes that are not suitable for early-stage skin tumor diagnosis. Thus, alternative near-field probe designs based on micromachined dielectric-rod waveguides are presented here. The thesis focuses on a broadband microwave probe that operates in the W-band (75 to 110 GHz), with a sensing depth and resolution tailored to small and shallow skin tumors, allowing a high sensitivity to early-stage malignant melanoma. Prototypes of the probe were fabricated by micromachining and characterized. For the characterization, a novel type of silicon-based heterogeneous sample with tailor-made permittivity was introduced. Furthermore, the performance of the probe was evaluated in vivo. First, through measurements on human volunteers, it was shown that the probe is sensitive to artificially induced changes of the skin hydration. Then, measurements on murine skin melanoma models were performed and small early-stage skin tumors were successfully distinguished from healthy skin. Additionally, a resonant probe for microwave skin sensing was designed and micromachined protoypes were tested on phantom materials. However, the resonant probe was found less suitable than the broadband probe for the measurements on skin. The broadband probe presented in this thesis is the first microwave nearfield probe specifically designed for early-stage malignant melanoma diagnostics and successfully evaluated in vivo.

Abstract [sv]

Malignt melanom är en av våra vanligaste cancertyper och samtidigt den farligaste typen av hudcancer. Tidig diagnosticering är avgörande för en framgångsrik behandling: 99% överlever om den upptäcks tidigt men endast 25% överlever om den upptäcks i sent skede. Denna avhandling kombinerar mikrosystemteknik, mikrovågsteknik, och biomedicinsk forskning för att ta fram ett sensor-verktyg som hjälpmedel för tidig diagnostisering av malignt melanom. I händerna på hudläkare skulle ett sådant verktyg öka noggrannheten på diagnostiseringen, minska undersökningstiden samt antalet onödiga biopsier. Ett pålitligt och lättanvänt verktyg skulle dessutom kunna användas av icke-specialisthälsopersonal t.ex. primärvårdspersonal eller sjuksköterskor. Eftersom många sjukvårdssystem har brist på hudläkare skulle detta möjliggöra att fler patienter får tillgång till tidig undersökning. De dielektriska egenskaperna hos tumörvävnad skiljer sig från hälsosam vävnad vilket huvudsakligen beror på skillnad i vattenhalten. Denna skillnad kan mätas med en mikrovågsbaserad sensorteknik som kallas mikrovågsreflektometri. Tidigare mikrovågsbaserade hudmätningar har i huvudsak förlitat sig på vanliga öppna vågledarprober som inte är lämpliga för att upptäcka hudtumörer i tidigt stadium. I denna avhandling presenteras därför alternativa designer av s.k. närfälts-prober, baserade på mikrotillverkade dielektriska stångvågledare. Avhandlingen fokuserar på en bredbandsprob som arbetar i W-bandet, dvs. 75 till 110 GHz. Dess sensordjup och upplösning är skräddarsydda för små och grunda hudtumörer för att uppnå en hög känslighet för malignt melanom i tidigt stadium. Prototyper av proben framställdes genom mikrotillverkning och karakteriserades med vävnadsliknande material. Det vävnadsliknande materialet specialutvecklades för ändamålet och baseras på en ny typ av kiselbaserade heterogena material med skräddarsydd permittivitet. Sondens prestanda utvärderades dessutom in vivo. Genom mätningar på frivilliga personer bevisades att sonden är känslig för artificiellt inducerad förändring av vattenhalten i huden. Därefter utfördes mätningar på hudcancer i tidigt skede hos möss, där tumörerna framgångsrikt särskildes från frisk hudvävnad. Dessutom konstruerades, tillverkades och testades en s.k. resonans-prob på liknande sätt som tidigare prober. Resonans-proben visade sig dock redan i tester på vävnadsliknande material vara mindre lämplig för hudmätningar. Bredbandsproben som presenteras i denna avhandling är den första närfältsprob som framgångsrikt utvärderats in vivo för diagnosticering av malignt melanom i tidigt stadium.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. 84
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2019:55
Keywords
microwave probe, microwave sensor, skin cancer diagnostics, malignant melanoma, microwave reflectometry, non-invasive diagnostics, micromachining, dielectric-rod waveguide
National Category
Medical Laboratory and Measurements Technologies Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-252543 (URN)978-91-7873-236-4 (ISBN)
Public defence
2019-08-23, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190603

Available from: 2019-06-03 Created: 2019-05-31 Last updated: 2019-06-03Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Töpfer, Fritzi

Search in DiVA

By author/editor
Töpfer, Fritzi
By organisation
Micro and Nanosystems
Medical EngineeringOther Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 55 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf