Microwave dielectric property characterization of healthy and cancerous bone cells with open-ended coaxial probe
Sağlıklı ve kanserli kemik hücrelerinin mikrodalga dielektrik özelliklerinin açık uçlu koaksiyel prob ile karakterizasyonu
- Tez No: 557815
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Özellikle son yıllarda mikrodalgaya dayalı kanser teşhisi ve tedavisi en çok çalışma yapılan alanlardan olmaktadır. Bu araştırmalar normal ve kanserli dokuların dielektrik özelliklerin belirlenmesi prensibine dayanmaktadır. Bu amaçla dielektroforez, dalga kılavuzu, koaksiyel prob gibi çok farklı teknikler kullanılmaktadır. Dokuların mikrodalga teknikleriyle dielektrik özelliklerinin belirlenmesine yönelik çok fazla çalışma yapılmıştır. Buna rağmen hücre üzerinde yapılan çalışmalar kısıtlıdır. Hücrelerin dielektrik özelliklerinin belirlenmesine yönelik yapılmış çalışmalar daha ziyade düşük frekanslarda gerçekleştirilmiştir ve çoğunlukla besi yeri içerisinde bulunan hücre süspansiyonu üzerinde yapılmıştır. Hücre besi yerinin yalnızca hücrelerin dielektrik özelliklerini yansıtmasına engel olacağı sebebiyle hücre peleti de çalışma konusuna eklenmiştir. Bu çalışmada, insan sağlıklı ve kanserli kemik hücrelerinin pelet ve süspansiyon formları üzerinde açık uçlu koaksiyel prob kullanarak mikrodalga dielektrik özelliklerinin 500 MHz – 20 GHz frekans aralığında karakterizasyonu amaçlanmıştır. Kanserli doku içerdiği daha fazla su miktarı dolayısıyla normal dokudan daha yüksek dielektrik özellikler göstermesi beklenmektedir. Aynı prensiple kanserli hücrelerin de sağlıklı kemik hücrelerinden daha yüksek dielektrik değerlerine sahip olmasını beklemekteyiz. İnsan sağlıklı kemik hücresi olarak hFOB 1.19 hücre hattı, kanserli kemik hücresi olarak SaOS-2 hücre hattı seçilmiştir. Hücre kültürleri standart hücre kültürü protokolü ile hazırlandıktan sonra hücre sayıları belirlenmiş ve hücre peleti elde edilmiştir. Deneylerde kullanılan hücrelerin sayıları ilk deneyde SaOS için 12500000 hücre/ml, ikinci deneyde SaOS için 22500000 hücre/ml ve hFOB için 17700000 hücre/ml'dir. Hücre sayıları literatürdeki benzer çalışmalara nazaran oldukça yüksek tutulmuştur bu verinin çalışmanın doğruluğunu artırması hedeflenmektedir. Ölçümler öncelikle hücre peleti üzerinde başlanmış daha sonra üzerine besi yeri eklenerek süspansiyon formuna dönüştürülmüş ve ikinci ölçümler hücre süspansiyonu üzerinde yapılmıştır. En son besi yerinin dielektrik parametreleri hesaplanarak hücre süspansiyonu, besi yeri ve hücre peletinin dielektrik özellikleri karşılaştırılmıştır. Literatürde hücre süspansiyonu üzerinde yapılan çalışmalarda besi yeri ve hücre süspansiyonu ayrı ayrı ölçüldükten sonra Maxwell karışım denklemi kullanılarak yalnızca hücre parçacıklarının dielektrik değerleri hesaplanmıştır. Açık uçlu koaksiyel prob tekniğinin kullanılması için ağ analizörü gerekmektedir. Ağ analizörü belirlenen frekans aralığında sinyal üretir ve yansıyan sinyali algılar. Prob bu sinyali ölçülecek maddeye iletip almaya yarar. Ağ analizörü, kullandığı yazılım sayesinde maddenin S-parametrelerini, dielektrik kayıp ve dielektrik sabitlerini hesaplayıp kaydeder. Çalışmada frekans aralığı 500 MHz-20 GHz olarak belirlenmiş ve 250 MHz aralıklarla 79 noktada ölçüm yapması istenmiştir. Çalışmaya başlamadan önce ağ analizörünün yeterli bir süre boyunca ısınması gerektiği literatürde çeşitli kaynaklarda belirtilmiştir. Bu sebeple deneyden en az bir saat önce ağ analizörü başlatılmış ve deneye kadar hazır ve stabil olması sağlanmıştır. Deneylerde yarıçapları 0.5 ve 2.2 mm olmak üzere iki farklı prob kullanılmıştır. Her deneyde başlamadan önce probların kalibrasyonu hava, saf su ve üretici tarafından sağlanmış özel iletken bir madde ile tamamlanmıştır. Sırasıyla hücre peleti, hücre süspansiyonu ve besi yeri ölçümleri her iki prob kullanılarak her bir ölçümden on ayrı ölçüm alınarak tamamlanmıştır. Bu sırada hücrelerin oda sıcaklığında ve bir strese maruz kalarak yaşam sürelerinin düşeceği göz önüne alınarak deney oldukça hızlı bir biçimde, hücrelerin canlı kalabilecekleri süreye kadar gerçekleştirilmiştir. En az on kere alınan ölçümlerle hata payını en aza indirmek hedeflenmiştir. İki farklı hücre formu, bir besiyeri ve iki farklı hücre hattında, farklı konsantrasyonlarda 79 noktada alınan değerlerle oldukça fazla veri elde edilmiştir. Dielektrik sabitleri, dielektrik kayıpları ve kompleks permitivite değerleri kaydedilmiştir. Ardından bu değerleri Debye ve Cole-Cole denklemleri uygulanmış, her bir ölçüm için Debye için 3, Cole-Cole için 5 ayrı parametre (statik dielektrik, yüksek frekanslarda dielektrik, rahatlama frekansı, dağılım değişkeni ve statik elektriksel iletkenlik) elde edilmiştir. Bulunan parametreler denklemde tekrar yerleştirilerek dielektrik sabiti ve dielektrik kayıp hesaplanmış ve ölçülerek bulunan değerlerle kıyaslanmıştır. Sonuç olarak tutarlı ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Hücre süspansiyonu üzerinde yapılan ölçümler besi yerinin dielektrik özelliklerine yakın değerler vermişken, hücre peleti bariz bir şekilde onlardan ayrılmış ve beklendiği gibi içerdiği su oranı daha az olduğu için her ikisinden de düşük dielektrik değerler sergilemiştir. İlk deneyde hücre peleti üzerinde çalışma yapmanın hücrelerin gerçek dielektrik özelliklerini belirlemek için daha doğru bir yöntem olduğu belirlenmiş ancak deneylerin doğruluklarını artırmak amacıyla, ikinci deneyde de farklı konsantrasyon yoğunluklarında hücre peleti ve hücre süspansiyonu üzerinde deney yapılmaya devam edilmiştir. Elde edilen onar adet ölçüm önce kendi aralarında ANOVA testi uygulanarak p değeri hesaplanmıştır. Buradaki amaç ölçümlerin kendi içinde tutarlı olup olmadıklarının belirlenmesidir. ANOVA testi sonucuna göre yapılan 10'lu ölçümlerin tutarlı ve birbirine yakın değerler olduğu ortaya konmuştur. Ölçümlerin medyanı alınarak daha sonra t-test uygulanmıştır. T-test hem farklı hücre formlarını (pelet, süspansiyon), hem de kanserli ve sağlıklı hücre gruplarının dielektrik değerlerini karşılaştırma amaçlı yapılmıştır. Beklenildiği gibi p değeri alfa değerinden (0.05) çok küçük sonuçlar vermiştir. hFOB pelet ve hFOB süspansiyonunun 2.2 mmlik probla yapılan ölçümlerine t-test uygulandığında 1x10-33 gibi çok küçük bir değer elde edilmiştir. SaOS pelet ve SaOS süspansiyonunun 0.5 mmlik prob ölçümlerinden 3,65x10-23, 2.2 mmlik probla yapılan ölçümlerinden 2,5x10-7 p değerleri bulunmuştur. SaOS hücre süspansiyonu ile hücre besi yerinin 2.2 mmlik probla yapılan ölçümleri kıyaslandığında p değeri 1 olarak elde edilmiştir. SaOS hücre peleti ile hücre besi yerinin 2.2 mmlik prob kullanılarak elde edilen ölçümleri karşılaştırıldığında ise çok küçük (3,06x10-7) p değeri gözlemlenmiştir. Bu sonuçlara göre hücre peleti ile hücre süspansiyonu arasında bariz ve istatiksel olarak anlamlı bir fark olduğu ortaya konarken yine hücre peleti ile besi yeri arasında da istatiksel olarak anlamlı bir fark olduğu, ancak hücre süspansiyonu ile besi yeri arasında anlamlı bir farklılık olmadığı, sonucuna varılmıştır. Kanserli hücre ve sağlıklı hücrelerin 0.5 mm'lik prob için hücre peletlerinin permitivite değerlerinin istatistiksel olarak karşılaştırıldığında, p değeri 0.034 olarak, hücre süspansiyonlarının değerleri karşılaştırıldığında p değeri 1,42x10-7 olarak bulunmuştur. Bu değerlere bakılarak kanserli kemik hücresi ile sağlıklı kemik hücresi arasında anlamlı farklılık olduğu ve farklı dielektrik değerler açığa çıkardıkları gözlemlenebilmektedir. Sonuç olarak her iki hücre formu, besiyeri, farklı konsantrasyon ve kanserli ve kansersiz olmak üzere iki farklı hücre hattı için tüm analizler yapılmış detaylı bir şekilde çalışmanın sonuç bölümünde sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Especially in recent years, microwave-based diagnosis and treatment of cancer studies are the most frequently studied areas. These studies are based on the principle of determination of dielectric properties of normal and cancerous tissues. For this purpose, different techniques such as dielectrophoresis, waveguide, coaxial probe are used. Studies generally have been done to determine the dielectric properties of tissues by microwave techniques. However, studies performed on cells are limited. These studies have been carried out mostly at low frequencies and made on cells suspended in a growth medium. In this study, it is aimed to characterize the microwave dielectric properties of human healthy and cancerous bone cells in the frequency range of 500 MHz to 20 GHz using an open-ended coaxial probe on the pellet and suspension forms of cells. As the amount of water contained in the cancerous tissues is higher than normal tissue, their dielectric properties are expected to be higher than dielectric properties of normal tissues. With the same principle, we expect that cancer cells have higher dielectric values than healthy cells. The cell line of hFOB 1.19 was selected as human healthy bone cell, and the SaOS-2 cell line was selected as the cancerous bone cell. After cell cultures were prepared by standard cell culture protocol, cell numbers were determined, and cell pellet was obtained. The numbers of cells used in the experiments were 12500000 cells/ml for SaOS and 22500000 cells/ml for SaOS in the second experiment and 17700000 cells/ml for hFOB. The number of cells is very high compared to similar studies in the literature, and it is aimed to increase the accuracy of the study. A network analyzer is used in the open-ended coaxial probe technique. The network analyzer calculates and records the S-parameters, dielectric losses and dielectric constants of the substance through the software it uses. In the study, the frequency range was determined as 500 MHz-20 GHz and it was requested to measure at 79 points at 250 MHz intervals. Two different probes with diameters 0.5 and 2.2 mm were used in the experiments. Ten measurements have been performed for each sample. Using ANOVA test, their p-values were calculated, and very small p-values have been obtained between cancerous and healthy cells. According to the results, it is observed that there is statistically significant difference between cancerous bone cell and healthy bone cell and they have different dielectric values. In addition, it is revealed that repeated ten measurements are also consistent with ANOVA test. In this research, cell pellet and cell suspension were compared to determine which one gives more accurate result. It is seen that cell pellet was more convenient to measure dielectric properties of cell particles.
Benzer Tezler
- Microwave dielectric property characterization of normal and malignant cells with open-ended coaxial probes
Normal ve tümörlü hücrelerin mikrodalga dielektrik özelliklerinin açık uçlu koaksiyel prob ile karakterizasyonu
ŞEYMA TEKMEN AKTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Microwave dielectric property characterization with open-ended coaxial probe and sensing depth analysis of the probes for biological tissues
Açık uçlu koaksiyel prob ile mikrodalga dielektrik özellik tanımlaması ve biyolojik dokular için probların algılama derinlik analizi
CEMANUR AYDINALP
Doktora
İngilizce
2022
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Hard and soft tissue characterization with microwave dielectric spectroscopy
Mikrodalga dielektrik spektroskopi ile sert ve yumuşak doku karakterizasyonu
SEDA KESKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Mikrodalga frekanslarında malzemelerin elektromanyetik karakterizasyonu üzerine yeni yöntemlerin geliştirilmesi
Development of new methods on electromagnetic characterization of materials at microwave frequencies
YUNUS KAYA
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL
PROF. DR. UĞUR CEM HASAR
- Design and characterization of metamaterials for Terahertz region
Terahertz bölgesi için metamalzeme dizaynı ve karakterizasyonu
MEHMET ALİ NEBİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
DOÇ. DR. CUMALİ SABAH