Desenvolvimento de sonda cirúrgica de ondas milimétricas para assistência na ressecção de tumores neuronais

Abstract

O cancro é uma doença que afeta cada vez mais pessoas em todo o mundo, sendo o desenvolvimento de medicamentos e ferramentas que auxiliem na sua cura, um dos tópicos mais importantes e mais falados nos dias de hoje. Em particular, o cancro cerebral, apesar de apenas representar 3 % dos casos de cancro em todo o mundo, inclui-se no grupo dos gastos iniciais mais elevados por paciente, assim como na lista dos prognósticos mais devastadores e com menos soluções de tratamento. Estes resultados são consequências associadas sobretudo à dificuldade inerente na cirurgia de remoção tumoral, conhecida por ser bastante delicada. São várias as técnicas que hoje em dia são utilizadas para auxiliar na ressecção tumoral, sendo que todas elas têm vantagens na sua utilização, mas também diversas limitações. Assim sendo, o objetivo desta dissertação passa por propor uma nova técnica de auxílio à ressecção tumoral que, utilizando ondas milimétricas e tendo por base os conceitos de propriedades dielétricas dos tecidos, permita a sua diferenciação, em particular a diferenciação de tumores do parênquima cerebral. Com o intuito de estudar esta nova técnica, foram analisados diferentes métodos que permitem medir a interação entre ondas milimétricas e os tecidos, tendo-se optado por um método de interferência utilizando guias de ondas. Posteriormente, foram criados modelos do cérebro e tumor, com base nas suas propriedades dielétricas, calculadas através de modelos empíricos presentes na literatura. Com os modelos criados foi possível estudar, numa primeira fase, a possibilidade de discriminação de diferentes tecidos e posteriormente desenvolver sondas de ondas milimétricas para aplicação de sinais de 60 e 50 GHz. Através da utilização das sondas desenvolvidas, foram estudados diferentes métodos de discriminação de tecidos com base na medição de diferentes grandezas, isto é, parâmetros-S, campo elétrico e campo magnético, concluindo-se que todos eles permitem uma discriminação dos tecidos. Em particular, foi estudada a influência da frequência da onda eletromagnética aplicada nos tecidos na sua distinção, tendo sido também determinado o tamanho mínimo de tumor possível de ser discriminado pelos métodos, verificando-se a discriminação de tumores simples e sem infiltrações com espessuras até 0.1 mm e, em alguns casos, com espessuras inferiores. Por fim, foi projetado um protótipo da sonda com o intuito de testar o método de fabrico. Desta forma, o guia de ondas foi fabricado e posteriormente validado através de diversas análises estruturais e de funcionamento. A sua estrutura foi analisada microscopicamente e o parâmetro S21 medido, numa gama de frequências especifica, sendo comparado, posteriormente, com os resultados provenientes das simulações.

Cancer is a disease that increasingly affects people around the world and the development of medicines and tools to help cure it is one of the most important and talked topics in daily life. Particularly, brain cancer, despite only representing 3 % of cancer cases around the world, is included in the cancers group with the higher initial cost per patient, it has one of the most devastating prognoses and it is one of the cancers that has fewer treatment solutions. These results are consequences mainly associated with the difficulty inherent in tumor removal surgery, which is known to be quite delicate. Today, there are several techniques that are used to aiding surgeons during a resection brain tumor surgery and most of them have their advantages but, also, their limitations. Therefore, the goal of this thesis is to propose a new technique for tumor resection aid that, using millimeter waves and based on tissue dielectric properties concepts, allows its differentiation, in particular, the tumor differentiation from de surrounding brain parenchyma. In order to study this new technique, different methods that allow the measurement of the interaction between millimeter waves and tissue were analyzed and an interference method, using waveguides, it was chosen. Subsequently, brain and tumor models were created based on their dielectric properties, calculated through empirical models present in the literature. With the created models it was possible to study, in the first place, the discrimination possibility of different tissue and later the development of millimeter probes for the application of 50 and 60 GHz signals. By using the developed probes, it was studied different tissue discrimination methods based on the measurement of different quantities, as S-parameters, electric field and magnetic field and it was concluded that all of them allowed tissue discrimination. Particularly. it was studied the influence of the applicate electromagnetic wave frequency into the tissues in the tumor discrimination and, also the minimum tumor size possible to be discriminated using the proposed methods, where it was verified the discrimination of simple tumors, without infiltration, with a thickness until 0.1 mm, and in some cases, with smaller thicknesses. Finally, a prototype probe was designed in order to test the fabrication method. Therefore, the waveguide was fabricated and later validated through various structural and functional analyses. Its structure was analyzed microscopically and the S21 parameter was measured, in a specific frequency band, and later compared with the simulated results.