Cancer Detection Using Printed Antenna Placed on Human Breast Model

Abstract

In this study electromagnetic properties of female human breast were used for cancer tissue detection. Deviation of the malignant cells’ properties from those of healthy cells’ directly affect the performance of an antenna placed on the breast. Return loss, gain and directivity of an antenna designed on an FR4 substrate were used as parameters for studying the effects of the normal and cancerous tissues. Planar and hemispherical shaped, multilayer breast models, composed of skin, fat and part of the connected lymph nodes were modeled and designed. The antenna was designed, fabricated, and return loss measurements were taken by a network analyzer (Rohde & Schwarz ZWB20). Separate measurements were taken in free space and when placed on a healthy human breast. Simulations of normal breast models carried out by CST Microwave Studio were in a good agreement with the measured results. Tumors in breast and lymph nodes with different sizes and numbers defined according to American Joint Committee on Cancer (AJCC) were used to model the first and second stages of cancer. The presented work is shown to be a promising method for breast cancer studies, thereby reducing the need for invasive surgical operations. Keywords: Breast cancer, Microstrip antenna, Biomedical.

ÖZ: Bu çalışmada, kadın memesinin elektromanyetik özellikleri ile elektromagnetik alanlar kanserli doku tespiti için kullanılmıştır. Kötü huylu hücrelerle sağlıklı hücreler arasındaki elektriksel farklılıklar, meme üzerine yerleştirilen antenin performansını farklı şekilde etkilemektedir. Bu amaçla FR4 materiyal kullanılarak bir anten tasarlanmıştır. Meme üzerine yerleştirilen antenin, geri dönüş kaybı, kazanç ve yönlülük gibi parametreleri incelenerek normal ve kanserli dokular arasındaki farklılıklar ortaya konmuştur. Deri, yağ dokusu ve lenf bezlerinin bir kısmını kapsayan düzlemsel ve yarım küre şeklinde iki farklı meme modeli kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca, tasarlanan anten üretilmiş ve bir ağ çözümleyicisi (Rohde & Schwarz ZWB20 ) ile normal kadın memesi üzerinde ve hava ortamında geri dönüş kaybı ölçülmüştür, benzetim sonuçları ile karşılaştırma yapılmıştır. American Joint Committee on Cancer (AJCC) tanımına göre, meme kanserinin birinci ve ikinci evresi ile ilgili farklı boyut ve sayıdaki meme ve lenf bezi tümörleri modellenerek benzetim sonuçları elde edildi. Normal kadın memesi üzerine yerleştirilen anten ve CST Mikrodalga Simülatörü kullanarak, tasarlanan aynı özellikteki normal kadın memesi modelinden elde edilen geri dönüş kayıbı sonuçları iyi bir uyum içerisindedir. Ancak, kanserli doku içeren kadın memesi üzerinde ölçüm gerçekleştirilememiş, sadece benzetim sonuçlarına dayalı bir çalışma yapılabilmiştir. Sunulan çalışma geliştirilmesi durumunda, meme kanseri tespiti için gerekli invazif cerrahi işlemlere olan ihtiyacı azaltıcı yararlar sağlayacaktır. Anahtar Kelimeler: Meme kanseri, Mikroşerit anten, Biyomedikal.