Dokuların elektromanyetik kaynaklar kullanılarak ısıtılması ve tedavisi - hipertermiya
Heating and medical treatment of biological tissues using electromagnetic sources-hypertermia
Yazar: SERAP ÇEKLİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2003
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde, kanser hastalığını tedavi etmeye yönelik tedavi yöntemleri arasında hipertermiya (kanserli hücrelerin yüksek sıcaklığa maruz bırakılarak öldürülmesi) önemli bir yere sahiptir. Hipertermiya bir tedavi yöntemi olarak oldukça etkili ve verimli bir seçenek olmaktadır. Bu tezde, elektromagnetik kaynaklar kullamlarak tümörlü dokunun ısıtılarak tedavi edilmesi konusu elektromagnetik benzetim yöntemiyle çalışılmıştır. Tezde bu tedavi yönteminin özellikleri, hastalıklı hücrelerin yapısal özellikleri ile ilişkileri anlatılarak belli bir geometrik yapıda meydana gelen alan dağılımlannm bilgisayar simülasyonlan gerçeMeştirilmiştir. Sağlıklı bir dokuda belli bir kan akış oram mevcuttur ve doku sıcaklığı çeşitli etmenler nedeni ile arttığında, örneğin; ısıya maruz kaldığında, kan akış oram beyin tarafından uyarılan termal denge merkezinin uyartısı ile artmaktadır. Bu bölgede kan sirkülasyonu artış gösterdiğinden doku sıcaklığı normal değerine dönme yönünde bir eğilim göstermektedir. Bununla beraber kanserli dokularda meydana gelen yapısal bir takım değişimler sonucunda ısıya karşı duyarlılık artmaktadır. Bu duyarlılığın temel nedenlerinden biri şu şekilde açıklanabilir; hastalıklı dokunun pH asit-baz denge sabiti normal değerinden farklılık göstermektedir. Normal dokularda bu değer pH 7,4 değerinden büyük olduğu halde hastalıklı dokuda pH 7,4 değerinden küçük olmaktadır. Yüksek pH değerine sahip hücreler yüksek ısıya maruz kaldığında meydana gelen yüksek sıcaklıkta hayatta kalma olasılığı düşük pH değerine sahip hücrelerden daha fazla olmaktadır. Hücrelerin hayatta kalma olasılığı sıcaklıkla ve artan süre ile doğru orantılı bir şekilde azalmaktadır. Ayrıca kanser hücrelerinde kan akış hızı sıcaklık artışı ile beraber yeterince artış gösterememektedir. Normal, sağlıklı dokuda sıcaklık artışı ile birlikte kan akış oram doğrusal olmayan şekilde artış göstermekte fakat hastalıklı dokuda bu artış hemen hemen hiç görülmemektedir. Sıcaklık artışına karşı normal doku hücreleri direnç gösterirken, kanser hücreleri direnç gösteremeyerek hayatta kalamamaktadır. Elektromagnetik kaynaklardan sağlanan güç çeşitli arabirimler kullanılarak tedavi edilecek dokuya aktanlmaktadır. Tedavinin amacı, uygulanacağı bölge ve diğer faktörler gözönüne alınarak değişik frekanslar Icdlanılmaktadır. Frekans değerlerinin seçimi bölgesel (lokalizasyon) çalışmaya izin vermeli ve diğer başka amaçlar için kullanılan frekans bandlan dışında yer alacak şekilde olmalıdır. Yüksek frekanslarda, belli bir ortamda yol alan dalga hızlıca sönümlenerek enerji kaybına uğramaktadır. Benzer şekilde biyolojik dokularda da enerji taşıyan ve belli şiddette bir elektrik alan etkisi ile bölgeyi ısıtma işlemim sağlayan mikrodalga doku içerisinde sönümlenir. Dolayısıyla, yüzeyden belli bir uzaklıkta bulunan tümör kitleleri etkili bir şekilde ısıtıldığından bu tür bölgelerde etkin bir tedavi yöntemi olmaktadır. Ancak yüksek frekanslarda dalga boyunun küçük olması ve düşükfrekanslara nazaran sönümlenme ve güç kayıplarının daha fazla olması nedeni ile istenen doku bölgesinde odaklanmak mümkün olabilmektedir. Tedavi esnasında elektromagnetik alan etkisi ile gerçekleştirilen ısıtma işleminde aktarılan enerjinin sağlıklı doku hücrelerine az, hastalıklı doku hücrelerine ise olabildiğince fazla olması gerekmektedir. Tezde, elektromagnetik etkileşimi incelemek üzere zaman domeni sayısal hesaplama yöntemi olan sonlu farklar yöntemi FDTD kullanılmış, seçilen frekans anten ve doku özellikleri için bulunan sonuçlar sunulmuştur.

Abstract:
Nowadays, hyperthermia (killing malignant cells by exposing elevated temperature) has an important place among the other known treatment methods corresponding to cure of cancer. Hyperthermia is a very effective and productive option as a treatment method. In this thesis, the subject of treatment of tumors by means of heating using electromagnetic sources is studied by virtue of manipulating electromagnetic simulations. The properties of the treatment method and specific features of malignant cells are mentioned, and computer simulations of electrical field distributions related to the defined geometrical structure are executed. There exist a defined blood perfusion rate in a healty tissue, and when the temperature of tissue is increased due to any reason, for example; exposing excessive heat, the blood perfusion rate is increased via triggering of central thermal balance point stimulated by brain. Since the blood circulation is increased, the temperature of tissue tends to turn back its normal value. However, malignant tissue is sensitive to heat as the result of some specific changes at cancer cells. One of the fundamental reason of the sensitivity of cancer cells is that the pH value of malignant tissue is different from its normal value. The pH value of a healty tissue is equal or greater than pH 7,4 despite of this pH value is little than pH 7,4. The probability value of the survaving factor for cells having higher pH value is greater than the cells having less pH value when the cells are exposed to excessive heat. The probability value of the survaving factor of the heated cells are decreased proportional to the heat and the increasing time duration. Moreover, the blood perfusion rate can not go up by heating, sufficiently. The blood perfusion rate is increased nonlinearly in normal and healty tissue relating to heat but when the malignant tissue is taken into consideration almost there is no increase in the blood perfusion rate. Normal tissue cells are resistant to the elevated temperatures as the cancer cells can not resist the heating and the malingnant cells perishes. The power supplied from the electromagnetic sources is transferred to the tissue to be cured by using an interface. Different frequency values are used by taking into consideration of the aim of the therapy, the treatment location and the other factors. The selected frequency value should obtain localization and take part the frequency bands except for the frequency band used for another aims. A wave propagate in a medium attenuates and lose its power fastly at high frequency values. Similarly, the microwave that transporting the energy in a biological tissue and supplying the heating process as a means of a defined electrical field intensity is damps in a tissue. Consequently, hiperthermia is an effective treatment method since the tumor tissue taken place at a certain distance from the skin is heated adequately. Focusing to any tissue area and localization could be possible because of thewavelenght is small at the high frequency values and high power losses compared to low frequency values. The energy that transported to the healty tisuue cells should be less than that of tumor cells at the heating process mamtaining by electromagnetic field affect during the treatment therapy, and the energy amount transferred to the malignant cells should be as much as possible. In this thesis, as a time domain numerical calculation method, finite difference time domain FDTD is used for examination of the electromagnetic interaction, and the given results are obtained for selected ferquency, antenna, and the tissue properties.