Geri Dön

A bowtie based quasi-yagi antenna design for microwavehyperthermia applications of breast cancer

Meme kanseri tedavisinde mikrodalga hipertermi uygulamaları için papyon tabanlı quası-yagı anten tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 664068
  2. Yazar: AYŞE IŞIK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 69

Özet

Meme kanseri, kadınlarda en çok teşhis edilen kanser türü olarak bilinmekte ve akciğer kanserinden sonra kadınlar arasında ikinci en yüksek ölüm nedeni olarak sıralanmaktadır. Gelişen tedavilere ve teşhis tekniklerine rağmen, ölüm oranı hala çok yüksektir. Bu nedenle, teşhis ve tedavi tekniklerinde daha fazla ilerlemeye ihtiyaç vardır. Umut verici terapötik tekniklerden biri mikrodalga hiperthermi yöntemidir. Bu teknikte elektromanyetik enerjiyi iletmek için antenler kullanarak tümör bölgesinde ısıtma sağlanır. Tümörün bulunduğu dokuya veya uygulanacak hipertermi yöntemine göre mikrodalga bandındaki farklı frekanslarda çalışılır. Yüksek sıcaklık kanser hücrelerinde ya hücre ölümüne sebep olur ya da kanserli hücrenin kemoterapi veya radyoterapi gibi diğer tedavilere olan duyarlılığını artırır. Mikrodalga hipertermi tedavisinde, non invaziv olma avantajına rağmen, sağlıklı dokuya zarar vermeden tümörlü dokuya mikrodalga gücünü odaklama zorluğu ile karşılaşılmaktadır. Bu sorunu önlemek için kullanılacak mikrodalga sistemi optimize edilmelidir. Bu tür sistemlerde kullanılan en önemli bileşenlerden biri antenlerdir. Kullanılacak antenin, gerekli doku penetrasyon derinliğini elde ederken daha iyi odaklanma kabiliyeti sağlamak için yüksek kazanıma sahip olması ve yüksek frekanslarda çalışması beklenmektedir. Ayrıca, antenlerin hedef doku boyutlarıyla uyumlu olması için uygulama yapılacak dokunun boyut gereksinimlerini karşılaması gerekmektedir. Bu bağlamda düzlemsel Yagi-Uda anteni, yüksek kazancı ve basit tasarımı nedeniyle mikrodalga hipertermi sistemleri için iyi bir aday olarak önerilmiştir. Ancak, bu antenler büyük boyutlara ve dar bant genişliğine sahiptir. Bu sorunların üstesinden gelmek, anten performansında olumsuz değişiklikler olmasını önlemek ve pratik uygulamalarda simetrik bir ışıma örüntüsüne sahip olmak için anten konfigürasyonu ile uyumlu bir balun kullanılmalıdır. Mevcut tez çalışmasında, meme kanseri tedavisinde kullanılmak üzere ultra geniş bant yagi-papyon yama anten tasarlanmış, prototipi basılarak benzetim ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Önerilen anten geometrisi ön yüzeyde balun, coplanar iletim hattı, köşeleri kesilmiş iki özdeş papyon ışıyıcı ve iki adet üçgensel yapıda direktörden oluşmaktadır. Arka yüzeyde ise dikdörtgen yapıda bir toprak düzlemi ve bu düzlem ile bitişik iki adet üçgensel metalik yapı bulunmaktadır. Bu yapılar toprak düzlemi ile beraber reflektör görevi görmektedirler. Reflektör üzerinde antenin bant genişliğini artıtmak amacıyla eklenmiş L şekilinde slotlar bulunmaktadır. Farklı türde slotların anten performansına etkisis çalışılmış, en iyi sonuçlar L şeklindeki slot kullanıldığında alınmıştır. Bu slot antenin hem bant genişliğini hem de yönlülüğünü artırdığı gözlemlenmiştir. Balun/besleme hattı 50 Ω SMA konnektörüne bağlanmaktadır. Tüm antenin boyutları 32.29 mm x 29.51 mm'dir. Önerilen anten, odaklama ve doku penetrasyon problemlerinin etkisini minimize etmek için seçilen 3.7 GHz frekansında çalışan ve medikal uygulamalarda kullanılabilmesi için küçük boyutlarda tasarlanmış düşük maliyetli bir sistemdir. Anten tasarımında metalik yapılar, kolay erşilebilir ve düşük maliyeti olan FR-4 malzemesi üzerine yerleştirilmiştir. Malzemenin bağıl dielektrik sabiti Ɛr= 4.3, kayıp tanjantı δ=0.025, dielektrik plaka yüksekliği 1.6 mm, iletken kalınlığı ise 0.035 mm'dir. Simule edilmiş antenin çalışma bandı 3.6 GHz – 8 GHz frekans aralığındadır. Simülasyon ile istenen sonuçlara ulaşıldıktan sonra anten basılmış ve ilgili ölçüm sonuçları alınmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre anten 3.7 GHz frekansında -28 dB geri dönüş kaybına sahiptir. Aynı zamanda bu frekansta anten kazancı ise 3.83 dBi olarak gözlenlenmiştir. Gerçek zamanlı ölçüm sonuçları için vektör ağ analizörü kullanılarak antenin s parametresi sonuçlarına bakılmıştır. Ölçüm sonuçlarının simülasyon ile uyumlu olduğu görülmüştür. Bu çalışma ile, yama papyon elemanlarının yanı sıra, üçgen şeklinde olan parazit elemanların antenin bant genişliğini ve kazancını önemli ölçüde artırabildiği görülmüştür. Dahası, tasarımın basitliği, kompaktlığı ve imalat kolaylığı, bu antenin diğer medikal uygulamalarda da kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bunların dışında bu tezde sunulan anten, mikrodalga hipertermi tedavisinin meme kanseri uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlanmış antenlerden daha düşük maliyete ve daha basit bir tasarıma sahiptir. Önerilen antenin hipertermi uygulamalarında performansını belirlemek için simülasyon ortamında meme dokusu ile benzer özelliklere sahip bir fantom tasarlandı. Bu fantom, silindir şeklinde 46 mm yarıçapa sahip bir meme yağ dokusu ve içerisinde küresel yapıda oluşturulmuş 1 cm3 hacme sahip bir tümor dokusu oluşturularak silindir yapının içine yerleştirildi. Tümör dokusunun boyutu, meme kanserinde ikinci evre tümör boyutu göz önünde bulunarak seçilmiştir. Kanserin bu evresinin seçilmesi ise en çok teşhisin konuluduğu evre olduğu içindir. Her iki dokunun malzemesi simulasyon ortamında oluşturulurken bu dokuların dielektrik ve termal özellikleri göz önünde bulunduruldu. Bu fantom varlığında anten davranışı gözlemlendi. Hipertermi uygulamalarında anten ve fantom arasındaki optimum uzaklığı belirlemek için anten, fantomdan belirli mesafe uzaklıklara koyulup ölçümler alındı. Bu ölçüm sonuçlarına bakarak ve literatürde yagi antenler için önerilen optimum uzaklık göz önünde bulundurularak 80 mm seçildi. 12 adet anten, hipertermi sistemi için fantom merkezinden 80 mm uzağa yerleştirildi. Bu antenlerin dizilimi, fantom etrafına 900 açıyla üçerli gruplar halinde yapıldı. Antenlerin birbirleriyle olan mesafesi ise λ /4 olacak şekilde ayarlandı. Elektromanyetik ve termal analizler ile beraber özgül soğurma oranı (SAR) analizleri gerçekleştirildi. Alınan sonuçlara göre, tümör dokusunda sağlıklı dokuya kıyasla daha fazla sıcaklık artışı gözlemlendi. 3.7 GHz frekanstaki SAR analiz sonuçları 6.19 W/kg olarak elde edildi. Alınan sonuçlarda tümör dokusu dışında fantom yüzeyinde de bir sıcaklık artışı gözlemlendi. Fakat doku yüzeyinde bulunan bu sıcaklık artışı bir soğutma sistemi kullanılarak önlenebilir. Sıcaklık analizleri sonucunda tümor dokusun sıcaklığı 39 C üzerine çıkarken, sağlıklı doku 38 C civarında kalmıştır. Bu da önerilen antenin tümör dokusu üzerine odaklama sağlayabildiğini göstermektedir. Önerilen antenin kazancı, bant genişliği ve boyutları mikrodalga hipertermi uygulamaları için uygun bir aday olduğunu göstermektedir. Literatürde bulunan benzer uygulamalarda kullanılan antenlere göre hem maliyeti daha düşük olup hem de tasarımı daha basittir ve tek katmandan oluşmaktadır. Bu anten ile elde dilen sonuçlar göz önünde bulundurulduğunda, antenin performanısın yanı sıra küçük boyutlara da sahip olması antenin farklı biyomedikal uygulamalarda da kullanılabileceğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Breast cancer is known to be the most diagnosed cancer type and ranked as the second highest death cause among women after lung cancer. Despite the proposed therapies and improved diagnostic techniques, the mortality rate is still very high. Therefore, there is a need for further advancement in diagnostic and therapeutic techniques. One promising therapeutic technique is microwave hyperthermia which works by providing localized heating at the tumor site by using antennas to transmit the electromagnetic energy. Applied heating to cancerous cells either result as cell death or enhance their sensitivity to other therapies such as chemotherapy or radiotherapy. Despite the advantage of being non-invasive, focusing the microwave power on the target tumor tissue while maintaining the healthy tissue temperature at constant body temperature is a challenge. In order to avoid this problem, the microwave system must be optimized. One important component for such systems is an antenna. The desired antenna is expected to have high gain and operate at high frequencies for providing better focusing capability while achieving the required tissue penetration depth. Furthermore, antennas should satisfy the size requirements in order to be compatible with the target tissue dimensions. In this context, the planar Yagi-Uda antenna was proposed as a good candidate for microwave hyperthermia systems due to its high directivity, simple design, and low profile. However, these antennas suffer from large size and narrow bandwidth. One technique to overcome these issues is to use microstrip to coplanar stripline balun. This balun type is preferred for Yagi-Uda antennas by the reason of its simplicity and effectiveness in the design. This thesis presents a design of ultra-wideband directional bowtie based Yagi-Uda antenna. The proposed antenna has bowtie patches as driven elements and its unique ground plane design is comprised of two triangular reflectors with L-shaped slots to achieve the broadband characteristics. The antenna configuration includes two triangular patches as directors for gain enhancement. The antenna is excited with microstrip to coplanar stripline transition balun. The simulated antenna was fabricated on low cost FR-4 substrate with having the dielectric constant of εr=4.3 and 1.6 mm substrate thickness. The proposed antenna operates between the 3.6 GHz – 8 GHz frequency range. The simulated and measured antenna results are in good agreement. With this study, it can be seen that the bandwidth and the gain of the antenna can be significantly enhanced with the balun and triangular shape of the parasitic elements as well as bowtie patches. Moreover, the simplicity of the design, compactness, and ease of fabrication make this antenna a good candidate for other biomedical applications of microwaves. The proposed antenna performance was demonstrated on a phantom consisted of breast fat and tumor tissue to observe the effect of the phantom presence on antenna behavior in a simulation environment. The hyperthermia system consisted of 12 antennas and they have placed 80 mm away from the phantom center. The spacing between antennas was determined as λ/4. Electromagnetic and thermal analysis as well as specific absorption rate analysis (SAR) were performed. The results showed a more temperature increase within the tumor tissue compared with the surrounding healthy ones. The proposed quasi-yagi antenna is successfully proven to perform microwave hyperthermia. The bandwidth, gain, and compact size of the antenna makes it a good candidate for not just hyperthermia but also other biomedical applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    696919

    Fuzzy Bayesian based bowtie risk assessment of an unstabilized approach: A method for airline flight operations

    İstikrarsız bir yaklaşmanın bulanık Bayes temelli bowtie risk değerlendirmesi: Havayolu uçuş operasyonları için bir yöntem

    CANER ACARBAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesi

    Havacılık Elektrik ve Elektroniği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRE KIYAK

    DR. AHMET ÖZTÜRK

  2. Tez No

    452676

    Optical, electromagnetic, and thermal modeling of near-field radiative energy transfer from plasmonic nanoantennas to a magnetic recording medium

    Plasmonik nanoantenlerden manyetik kayıt ortamına yakın alan radyasyon enerji transferinin optik, elektromanyetik ve termal modellenmesi

    SEYDİ EREN ÜNLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM KÜRŞAT ŞENDUR

  3. Tez No

    904765

    Non-destructive testing by using transmission line based microwave sensors

    İletim hattı tabanlı mikrodalga sensörleri kullanarak tahribatsız test

    SANAM MOVAZZAFGHAREHBAGH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FARUK KARADAĞ

  4. Tez No

    890699

    Yüksek hızlı tren işletmeciliği esnasında yapılan bildirimlerin emniyet açısından incelenmesi

    Investigation of notifications made during high-speed train operation in terms of safety

    SULTAN GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriEskişehir Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMÜR AKBAYIR

  5. Tez No

    684007

    А hybrid risk аssessment for offshore wind turbines

    Açık deniz rüzgar türbinleri için hibrit risk değerlendirmesi

    NURLAN ABBASLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN MENTEŞ

Geri Dön