Tümörlü doku tespiti için pennes'in biyoısı transfer yaklaşımıyla kan perfüzyon parametresinin tahmininde hibrit bir model: zaman domeninde sonlu farklar yöntemi ve sezgisel algoritmalar
A hybrid model for estimating blood perfusion parameter by pennes' bioheat transfer approach for tumor tissue detection: finite differences time domain method and heuristic algorithms
Yazar: BARIŞ GÜRSU
Danışman: PROF. DR. ELÇİN ÖZGÜR BÜYÜKATALAY
Gazi Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı / Biyofizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Biyobelirteçler-tümör = Biomarkers-tumor ; Biyolojik dokular = Biological tissues ; Diferansiyel gelişim algoritması = Differential evolution algorithm ; Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı geçişi modeli = Heat transfer model ; Isı transferi =   ; Sezgisel algoritmalar = Heuristic algorithms ; Sonlu farklar zaman alanı yöntemi = Finite differences time domain method

Özet:
İnsan vücudunda, vücut içi metabolik faaliyetlerle ısı üretimi olur. Dokuların aynı, tek tip sıcaklıkları yoktur. Dokulardaki sıcaklık farklılıkları, ısı transferine neden olur. İnsan vücudu, çevre ortamla bir ısı alışverişi içerisindedir. Dolayısıyla insan vücudu, termodinamik bir sisteme benzetilebilir. Canlı dokularda ısı transferi olan biyoısı transferi, ısı transferinden daha karmaşıktır. Kan perfüzyonu, metabolik ısı üretimi, dokularda iletim, kan yoluyla taşınım, damarsal yapı, komşu dokular, çevre ısıl şartları, dokuların, kanın, damarların fizyolojik özellikleri, sıcaklıkları gibi birçok parametre biyoısı transferinde etkilidir. Vücut dokularında iletim yoluyla, kanda taşınım yoluyla biyoısı transferi olur. Bunlar ve cilt aracılığıyla iletim, taşınım, ışıma ve buharlaşma yoluyla termoregülasyon sağlanır. Vücudun tümünde olan termoregülasyon, lokalde her bir dokuda da iletim ve taşınımla sağlanır. Biyoısı transferi, tümör tedavisi (hipertermiya, kriyodondurma vs.), yanık teşhis, tedavileri, algolojik tedaviler, elektromanyetik dalga kaynaklarının (cep telefonu, mikrodalga vs.) etkileri gibi birçok tanı, tedavi alanında matematiksel temel oluşturur. Tezde, Pennes'in biyoısı transfer yaklaşımıyla tümörlü doku tespitinde kan perfüzyonunun tahmini amaçlanmıştır. Temeli ısı difüzyon denklemi olan biyoısı transfer yaklaşımını, ilk, Pennes tanımlamıştır. Tümörlü doku tespitinde, cilt lokal sıcaklık referansıyla, Pennes'in biyoısı transfer denklemi, zaman domeninde sonlu farklar yöntemiyle(FDTD) çözülerek sıcaklıklar bulunurken, Sezgisel Algoritmalarla(SA) kan perfüzyonu bulunmuştur.  SA'dan, Genetik Algoritmalar(GA) ve Diferansiyel Evrim Algoritması(DEA) kullanılmıştır. FDTD ve SA birlikte çalışmaktadır. FDTD, SA'ya sıcaklıkları bulurken, SA, FDTD'ye kan perfüzyonunu bulmaktadır. Programlama MATLAB'da yapılmıştır. Hibrit modelle, sadece kan perfüzyonu değil, metabolik ısı değerleri de tahmin edilmiştir. Hem kan perfüzyonu hem de metabolik ısı değerlendirmesiyle tümörlü doku tahmini yapılabildiği gibi, sadece metabolik ısı ve sadece kan perfüzyonu değerlendirmeleriyle de tümörlü doku tahmini yapılabilmiştir.

Abstract:
In human body, heat is produced by metabolic activities within the body. Tissues don't have the same, uniform temperature. Temperature differences in tissues cause heat transfer. The human body is in a heat exchange with the environment. Therefore, the human body can be likened to a thermodynamic system. Bioheat transfer, which is heat transfer in living tissues, is more complex than heat transfer. Many parameters such as blood perfusion, metabolic heat production, conduction in tissues, convection through blood, vascular structure, neighboring tissues, environmental thermal conditions, physiological properties and temperatures of tissues, blood and vessels are effective in bioheat transfer. Bioheat transfer occurs by conduction in body tissues and by convection through blood. Thermoregulation is achieved by both through skin's conduction, convection, radiation and evaporation and through bioheat transfer in tissues. Thermoregulation throughout the body is also achieved by conduction and convection locally in individual tissues. Bioheat transfer is a mathematical basis for many diagnostic and therapeutic fields such as tumor treatment (hyperthermia, cryodfreezing, etc.), burn diagnosis and its treatment, algological treatments, and the effects of electromagnetic wave sources (cell phones, microwaves, etc.). In this thesis, Pennes' bioheat transfer approach is used. The aim is estimation of blood perfusion for tumor tissue detection using this approach. The bioheat transfer approach, which is based on the heat diffusion equation, was defined first by Pennes. For tumor tissue detection, Pennes' bioheat transfer equation are being solved via finite differences time domain method (FDTD) with skin local temperature reference. Thus, tissue temperatures are being calculated. Heuristic Algorithms(HA) are being used to find blood perfusion values. Genetic Algorithms(GA) and Differential Evolution Algorithm(DEA) have used as HA. FDTD and HA work in tandem and act as hybrids. FDTD finds tissue temperatures for SA. SA finds the blood perfusion value for FDTD. Programming has been done in MATLAB.  With this hybrid model, not only blood perfusion but also metabolic heat values are being estimated. Tumorous tissue estimation could be done with both blood perfusion and metabolic heat assessments, as well as with only metabolic heat or only blood perfusion assessments.