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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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