Gastrointestinal sistem kanserlerinde tümör dokularının biyomekanik özelliklerinin matematiksel modellemesi
Mathematical modeling of biomechanical properties of tumor tissues in gastrointestinal system cancers
Yazar: NECLA KURT YUSUF
Danışman: DOÇ. DR. DEVRİM SARİBAL
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Biyomekanik analiz = Biomechanical analysis ; Biyomekanik modelleme = Biomechanical modelling ; Gastrointestinal hastalıklar = Gastrointestinal diseases ; Gastrointestinal neoplazmlar = Gastrointestinal neoplasms ; Gastrointestinal sistem = Gastrointestinal system ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Viskoelastik = Viscoelastic ; Viskoelastik davranış = Viscoelastic behavior ; Viskoelastik maddeler = Viscoelastic materials ; Viskoelastisite = Viscoelasticity

Özet:
İnsan dokusunun ve özellikle tümör dokusunun mekanik davranışını modellemek, örnek teminindeki güçlük nedeniyle zordur. Bu çalışmada, insan kolon adenokarsinomu ve çevresindeki sağlıklı dokudan taze alınmış bir peritoneal metastaz örneği, temel standart lineer katı (SLS) model ve bu modelin genelleştirilmiş formları kullanılarak mekanik bir model oluşturmak için kullanıldı. Giricilik testi yaklaşımı kullanılarak tümör üzerinde belirlenen A ve B noktaları ile çevresindeki sağlıklı doku üzerinde belirlenen C ve D noktalarında statik in-vitro testler yapıldı. Tümör ve çevresindeki sağlıklı doku bölgelerinin derinlikleri kendi içlerinde dahi homojen olmamasına rağmen, kalınlıkları birbirine yakın olan noktalar ölçüm noktaları olarak seçildi. Tüm ölçümler belirlenen noktalardaki derinliklerin %30'una kadar giricilik uygulanarak alındı. SLS model ve onun genelleştirilmiş formalarından hangisinin tümör ve çevresindeki sağlıklı dokunun mekanik davranışlarını daha iyi açıklayabileceğini bulmak için elde edilen yük [N] ve zaman [s] veri setlerinde, maksimum yük değerine ulaşıldıktan sonra görülen gerilim rahatlama davranışı MATLAB eğri eşleşme yöntemi ile analiz edildi. Tümör dokusu düzensiz ve karmaşık bir yapı olduğundan, mekanik davranışı çevreleyen sağlıklı dokuya kıyasla daha fazla parametre kullanılarak modellendi. 5 elemente sahip 2-kollu Maxwell-Wiechert (DMW) modeli sağlıklı dokunun mekanik davranışını açıklamak için uygun bir model olarak bulunurken, 7 elemente sahip 3-kollu Maxwell-Wiechert (TMW) modeli tümörün mekanik davranışını açıklamak için uygun bulundu. Her iki bölgede de ortalama kare hata (MSE) değerlerine dayalı model seçimi için çapraz doğrulama yöntemi kullanıldı. Yük [N] ve zaman [s] verilerinden zor [Pa] ve zorlanma değerleri hesaplanarak maksimum derinlik noktasından sonraki veriler elastisite modülü hesaplanmasında kullanıldı. Bilineer yaklaşım ile hem düşük zorlanma elastisite modülü hem de yüksek zorlanma elastisite modülü değerleri çizilen iki doğrunun eğimlerinden hesaplandı. İki doğrunun kesişim noktası en düşük MSE değeri dikkate alınarak bulundu. Yapılan modelleme ile tümörlü bölgede sağlıklı dokuya göre hem düşük hem yüksek zorlanma elastisite modül değerleri daha yüksek bulundu. Gelecekte, biyolojik bileşim ve mekanik özellikler arasındaki korelasyonu incelemek için mekanik testlerin yapıldığı sağlıklı doku ve tümör örneklerinin histopatolojik incelemeleri yapılabilir.

Abstract:
Modeling the mechanical behavior of human tissues, and of tumor tissues in particular, is challenging due to the difficulty of acquiring samples. In this study, a sample of freshly removed peritoneal metastasis from a colon cancer and its surrounding healthy tissue was used to establish a mechanical model using the basic standard linear solid (SLS) model and its generalized forms. Static in-vitro tests were performed on the predetermined points of A and B on the tumor and the points of C and D on the surrounding healthy tissue using the penetration test approach. Although the heights of the tumor and surrounding healthy tissue regions were not homogeneous even within themselves, the points where the heights were close to each other were chosen as measurement points. All measurements were taken by applying penetration up to 30% of the heights at the determined points. In order to find out which of the generalized forms of the SLS model can better explain the mechanical behavior of the tumor and its surrounding healthy tissue, the stress relaxation behavior observed after the maximum load value in the obtained load and time datasets was analyzed using MATLAB curve fitting algorithms. Since tumor tissue is an irregular and complex structure, its mechanical behavior was modeled using more parameters compared to surrounding healthy tissue. While the 5-element Double Maxwell-Wiechert (DMW) model was found to be suitable for explaining the mechanical behavior of healthy tissue, the Triple Maxwell-Wiechert (TMW) model with 7 elements was found suitable to explain the mechanical behavior of the tumor. The cross-validation method was used for model selection based on the mean square error (MSE) values in both regions. Stress and strain values were calculated from the load and time data, and the data after the maximum depth point were used to calculate the modulus of elasticity. With the bilinear approach, both of the low and high strain modulus values were calculated from the slopes of the two fitted lines. The intersection point of the two lines was found by considering the minimum MSE value. With the modeling, both low and high strain elasticity modulus values were found to be higher in the tumor region compared to the healthy tissue. Through the future, histopathological examinations can be performed on healthy tissues and tumor specimens on which mechanical testing is performed in order to examine the correlation between biological composition and mechanical properties.