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Complementary Split-Ring Resonator for Non-Invasive Diagnosis of Carotid Artery Atherosclerosis: Towards Future In-Vivo Measurements - 26/02/25

Doi : 10.1016/j.irbm.2025.100883 
Joséphine Dupeyron Masini a, b, , Frédérique Deshours a, Georges Alquie a, Rania Shahbaz a, Sylvain Feruglio b, Olivier Meyer a, Dimitri Galayko b, Hamid Kokabi a, Jean-Michel Davaine c
a Sorbonne Université, CNRS UMR8507, Laboratoire Génie Électrique et Électronique de Paris (GeePs), F-75005 Paris, France 
b Sorbonne Université, CNRS UMR7606, Laboratoire d'Informatique de Paris 6 (LIP6), F-75005 Paris, France 
c Sorbonne Université, Service de chirurgie vasculaire, Pitié Salpêtrière, F-75013 Paris, France 

Corresponding author at: Sorbonne Université, CNRS UMR8507, Laboratoire Génie Électrique et Électronique de Paris (GeePs), F-75005 Paris, France. Sorbonne Université CNRS UMR8507 Laboratoire Génie Électrique et Électronique de Paris (GeePs) Paris F-75005 France

Abstract

Objectives

The limited penetration depth of electromagnetic (EM) waves into biological tissues is a significant challenge for the use of microwave sensors in medical diagnostics. This study proposes a sensor based on a complementary split-ring resonator (CSRR) for the non-invasive detection of carotid atherosclerotic plaques, designed to be placed on the patient's neck.

Material and methods

The sensor employs a widened feed line and an optimized sensing area to concentrate the electric field and store a significant amount of energy within the biological tissue. Validation includes EM simulations and ex-vivo measurements on fresh animal tissues using monolayer and multilayer configurations to simulate human neck anatomy. A three-dimensional carotid artery model is also introduced to extend the analysis to deeper tissue layers and simulate different degrees of stenosis between 25% and 75%.

Results

The sensor demonstrates a sensitivity of 0.72% and a detection resolution of 14 MHz for a dielectric constant range from 1 to 52 in material measurements, which has contributed to enhancing the EM penetration depth in neck tissues. Simulation results for atherosclerotic plaques in the carotid artery revealed a frequency shift difference induced by stable and vulnerable plaques of around 1 to 2 MHz.

Conclusion

These findings highlight the sensor's potential for future use in the in- vivo diagnosis of carotid artery atherosclerosis.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Graphical abstract




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Highlights

Microwave sensors distinguish biological tissues by their dielectric properties.
CSRR with strong coupling and expanded sensing area improves atheroma detection.
Wave penetration through multilayers is studied using excised porcine tissues.
EM simulations using a 3D carotid model predict types of atheroma with the CSRR.
Will allow in-vivo measurements for non-invasive carotid plaque analysis.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Keywords : Complementary split-ring resonator, Microwave sensor, Dielectric characterisation, Frequency sensitivity, Atherosclerosis, Carotid artery


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