An Integrative Framework for Designing Microwave Imaging Systems Using Patch Antenna Arrays for Hemorrhagic Stroke Detection. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF CGIS_KFUPM_Thesis_desertation_RaneemAlQahtani_Approved.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 January 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تعد السكتة الدماغية أحد أبرز التحديات الصحية عالميًا، مع ازدياد معدل الإصابة وما يترتب عليه من آثار اجتماعية واقتصادية كبيرة، مما يجعل الحاجة إلى أدوات تشخيصية سريعة وسهلة الوصول أكثر أهمية من أي وقت مضى. يقدم هذا البحث إطارًا متكاملًا للتصوير بالميكروويف للكشف عن السكتة النزفية، ويبحث في تأثير عدد الهوائيات، وعرض المجال، ومجال التردد التشغيلي، وخصائص السكتة على جودة الصورة ودقة تحديد موقعها. تم تصميم هوائيين مدمجين من نوع المايكروسترب ليعملا في مجالي التردد ٧٥٫٠–٠٫١ جيجاهرتز و٢٥٫٠–١٫٢ جيجاهرتز، وتم تحسين أدائهما للعمل بشكل موثوق عند وضعهما بالقرب من الرأس. وتم التحقق تجريبيًا من أداء الهوائيات ودمجهما داخل مصفوفة مكونة من ثمانية عناصر مرتبة على شكل رباط بيضاوي يحيط بالرأس، مع طبقة موائمة ونموذج رأس مصنوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تمت دراسة النظام من خلال المحاكاة العددية والقياسات العملية في المختبر. واستخدم نموذج متجانس للرأس يحاكي متوسط الخصائص الكهرومغناطيسية لأنسجة الدماغ، كما تم إنشاء نماذج لسكتات نزفية بأحجام ومواضع مختلفة لتقييم أداء النظام تحت معايير طبية واقعية. جُمعت بيانات الانعكاس في وضع أحادي الارسال والاستقبال ثم تمت معالجتها وإعادة بنائها باستخدام خوارزمية Delay and Sum لتحديد المناطق ذات التباين العالي داخل الرأس. وأظهرت النتائج أن مصفوفة مكوّنة من ثمانية هوائيات تعمل ضمن مجال التردد ٧٥٫٠–٠٫١ جيجاهرتز مع عرض مجال قدره ٢٥٠ ميغاهرتز توفر قدرة عالية على تحديد موقع السكتات النزفية، مع خطأ في التحديد يصل إلى نحو ١٫٥ سم. كما تم الكشف عن السكتات xxi المتوسطة والصغيرة في بيئة المحاكاة وفي التجارب العملية، وتبين أن السكتات السطحية أدت إلى صور أوضح وأداء أفضل في عملية التصوير. وبالإضافة إلى تقديم نظام تصوير عملي، يقدم هذا البحث إطارًا تحليليًا منهجيًا يدرس الموازنة بين الطول الموجي ودقة الصورة وعرض المجال واختيار مجال التردد وكثافة الهوائيات. ويوفر هذا الإطار دليلًا عمليًا للباحثين العاملين في مجال التصوير بالميكروويف للأنسجة الحيوية، ويساعد في فهم كيفية تأثير قرارات التصميم المختلفة في أداء الأنظمة المماثلة. وبشكل عام، تظهر النتائج إمكانية تطوير نظام تصوير مدمج ومنخفض التكلفة وقابل للحمل للكشف السريع عن السكتة النزفية، مما يمهد الطريق للتطورات المستقبلية في هذا المجال.

English Abstract

Stroke remains a major global health challenge, with rising incidence and significant social and economic impact, which makes the need for rapid and accessible diagnostic tools more important than ever. This thesis presents an integrative microwave imaging framework for detecting hemorrhagic stroke and examines how key system parameters such as antenna number, bandwidth, operating frequency range, and stroke charac-teristics influence image quality and localization accuracy. Two compact microstrip patch antennas were designed to operate within 0.75 to 1.0 GHz and 1.25 to 2.0 GHz, and both were optimized to perform reliably when placed close to the phantom. The antennas were experimentally validated and integrated into an eight-element array ar-ranged in an elliptical headband-like structure that includes a matching medium and a 3D-printed head phantom. The system was studied through a combination of nu-merical simulations and laboratory measurements. A homogeneous tissue-mimicking phantom and stroke inclusions of different sizes and depths were used to evaluate the system under clinically relevant scenarios. Reflection data were collected in monos-tatic mode, preprocessed, and reconstructed using the Delay and Sum algorithm to map high contrast regions inside the head. The results show that an eight-antenna array operating in the 0.75 to 1.0 GHz band with a 250 MHz bandwidth provides reliable localization of hemorrhagic strokes, achieving localization errors on the order of 1.5 cm for the best configuration. Both medium and small strokes were detected in sim-ulations and experiments, with clearer reconstructions for superficial cases. Beyond presenting a working imaging system, this thesis introduces a structured investigative framework that explores the trade offs between penetration depth, resolution, band-width, frequency selection, and antenna density. This framework serves as a practical guide for researchers working on microwave imaging in biological tissues, offering insights into how different design choices influence performance. Overall, the work demonstrates the feasibility of a compact, low-cost, and potentially portable microwave imaging system for rapid detection of hemorrhagic stroke and provides a foundation for future development in this field.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Committee Advisor:	Al-Naib, Ibraheem
Committee Members:	Mahnashi, Yaqub and AlQadami, Abdulrahman
Depositing User:	RANEEM ALQAHTANI (g202316570)
Date Deposited:	26 Jan 2026 05:46
Last Modified:	26 Jan 2026 05:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144048