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
- Tez No: 737924
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Mikrodalgaya dayalı kanser teşhis ve tedavi yöntemleri, zararsız radyasyona sahip olması, kullanım kolaylığı sağlaması ve uygun maliyetli olması gibi çeşitli avantajlarından dolayı son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Bu yöntemler sağlıklı ve tümörlü dokuların dielektrik özelliklerindeki kontrast farklılığına dayanmaktadır. Bu farklılığın sebebi literatürde tümörlü dokuların sağlıklı dokulara göre daha fazla miktarda su içerdiğinden dolayı dielektrik özelliklerinin farklılaşması olarak rapor edilmiştir. Biyolojik dokuların dielektrik özelliklerini ölçmek için çeşitli teknikler kullanılmaktadır. Bu tekniklerden biri olan açık uçlu koaksiyel prob geniş bir frekans aralığında dokuların dielektrik özelliklerini ölçmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Açık uçlu koaksiyel prob metodu uygun maliyetli olması, kolay, tahribatsız ve hızlı ölçüm sağlaması gibi avantajlarından dolayı literatürdeki çalışmalarda sıklıkla tercih edilmiştir. İnsan ve hayvan dokularının dielektrik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla literatürde bir çok çalışma yapılmasına rağmen hücre düzeyinde yapılan çalışmalar kısıtlıdır ve çalışmaların bir çoğu hücre süspansiyonu üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında, sağlıklı ve kanserli insan akciğer hücreleri ile prostat kanseri hücrelerinin dielektrik özelliklerinin açık uçlu koaksiyel prob ile karakterizasyonu amaçlanmıştır. Ayrıca, kanserli hücreler farklı konsantrasyonlarda sağlıklı akciğer hücrelerine eklenilerek oluşturan hücre karışımlarından ölçüm alınıp, kanserli hücrelerin sağlıklılarının dielektrik özelliklerini nasıl etkilediğine cevap aranmıştır. Akciğer kanseri ve prostat kanseri, Türkiye'de ve gelişmekte olan ülkelerde erkeklerde en sık görülen kanser çeşidi olarak yer almaktadır. Kadınlarda ise akciğer kanseri en sık görülen ilk beş kanser dağılımında yer almaktadır. Önerilen tedavilere ve teşhis araçlarına rağmen, ölüm oranları hala çok yüksektir. Ayrıca akciğer tanısında kullanılan cihazlar yüksek riskli radrasyon hassasiyeti bulundurması, maliyetli olması ve yetersiz anatomik bilgi vermesi gibi dezavantajlar bulundurmaktadır. Mikrodalga görüntüleme ve mikrodalga hipertemi son yıllarda kanser tespiti için geniş çapta araştırılmıştır. Biyolojik moleküllerin dielektrik özelliklerini tespit etmek hem araştırmalarda hem de yeni teşhis ve tedavi araçlarının geliştirilmesinde kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, insan akciğer sağlıklı hücre hattı (MRC-5), insan akciğer kanser hücre hattı (A549) ve insan prostat kanser hücre hattı (PC3) kullanılarak, hücrelerin hem pellet hem de süspansiyon formlarından 500 MHz ila 6 GHz mikrodalga frekans aralığında ölçüm alınarak hücrelerin dielektrik özellikleri karakterize edilmiştir. Standart hücre kültür protokolü uygulanarak hücre kültür ortamları hazırlanmıştır. Ayrıca A549 ve MRC-5 hücre hatları karıştırılarak oluşturulan hücrelerin süspansiyon ve pelet formlarından da ölçüm alınmıştır. Deneyler için hücre sayıları 26.000.000 A549 için, 12.000.000 MRC-5 için, 12.000.000 PC3 içindir. Ölçüm düzeneği istenilen frekans aralığında sinyal üreten ve yansıyan sinyalleri algılayan bir ağ analizörü (VNA), açık uçlu koaksiyel prob, ölçülen dataları hesaplayıp kaydeden bir yazılım ve bilgisayardan oluşmaktadır. Ölçümler 50 MHz aralıklarla 500 MHz-6 GHz frekans aralığında 111 noktada yapılmıştır. Deneylere başlamadan önce ağ analizörü en az 1.5 saat öncesinde çalıştırılarak stabil olması sağlanmış ve ölçüm sırasında herhangi bir hareket olmaması için RF kablosu da sabitlenmiştir. Deneylerde 2.2 mm ve 3.5 mm yarıçaplarına sahip iki farklı prob kullanılmıştır. Probların ölçüme başlamadan hemen önce yazılım talimatına göre hava, proba özel iletken madde ve saf su ile kalibrasyonları gerçekleştirilmiştir. İlk olarak hücre kültür ortamında kullanılacak olan besiyerleri (DMEM ile oluşturulmuş besiyeri, RPMI ile oluşturulmuş besiyeri) ve içerisindeki bileşenlerden (FBS, Penicillin, DMEM, RPMI) yarıçapları farklı olan 2.2 mm Agilent ve 3.5 mm DAK prob ile ölçüm alınmıştır. Daha sonra PC3, MRC-5 ve A549 hücre hatlarının sırasıyla pelet ve süspansiyon formlarının dielektrik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Hücrelerin süspansiyon ve pelet formlarının farklı noktalarından ölçümler alınıp hücrelerin homojen dağılması kontrol edilmiştir. Ölçümler hücrelerin canlılıkları göz önünde bulundurularak hızlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir ve her bir hücre formları için ölçümler on kere tekrar edilerek hata payı en aza indirilmeye çalışılmıştır. Hücre besiyerinin hücrelerin dielektrik özellikleri üzerindeki etkisini anlamak için PC3 hücre hattının pelet formundan, pelet üzerine medyum eklenmiş halinden ve süspansiyon formundan ölçümler alınmıştır. PC3 hücre hattının pelet, pelet-medyum ve süspansiyon formlarından elde edilen ölçümler, besi yerinin hücrenin dielektrik özellikleri üzerindeki etkisini bariz bir şekilde göstermiştir. Hücre peleti en düşük dielektrik özellik göstermişken, hücre süspansiyonu ve medyum daha yüksek ve birbirlerine yakın bir dielektrik özellik sergilemiştir. Özellikle 3.5 mm yarıçaplı prob ile hücre süspansiyonundan ve medyumdan alınan dielektrik ölçüm sonuçları çok yakın değerler vermiştir. Ayrıca MRC-5 ve A549 hücre peletleride süspansiyon formlarına göre daha düşük dielektrik değerler sergilemiştir. Tüm ölçümler sonucunda hücrelerin dielektrik özellikleri belirlemek için medyumun hücrelerin dielektrik özellikleri üzerindeki etkisinden dolayı deneylerin pelet formuyla (ilave kültür ortamı olmadan) yapılmasının daha doğru bir yöntem olduğu gözlemlenmiştir. Sabit konsantrasyondaki MRC-5 (12000000 hücre/ml) hücre süspansiyonu üzerine aşamalı olarak eklenen (1000000 hücre/ml olarak 5 defa) A549 hücre süspansiyonu ile oluşturulan karışımlardan ölçümler alınmış ve daha sonrada son karışımın pelet formundan 2.2 mm prob ile ölçüm alınmıştır. Ölçümler sonucunda sağlıklı akciğer hücre süspansiyonuna eklenen kanserli akciğer hücrelerinin hücre süspansiyon dielektrik özelliğinde artışa yol açtığını gözlemlenmiştir. A549 ve MRC-5 karışım pelet formundan alınan ölçümler yalnız MRC-5 hücre peletinden alınan ölçümlere göre daha yüksek dielektrik özellik göstermiştir. Tüm ölçüm verilerilerinin SPSS programı kullanılarak istatiksel analizi yapıldı. ANOVA test ardından Tukey testi uygulanarak p değeri hesaplandı ve hücre gruplarının dielektrik değerleri karşılaştırıldı. Tüm hücrelerin 2.2 mm prob ile ölçülen pellet ve süspansiyon formlarının permitivite değerleri anova testi uygulanarak karşılaştırılmış ve p değeri çok küçük sonuçlar vermiştir (p< 0.001). Bu sonuçlar iki hücre formu arasında istatiksel olarak önemli farklılıklar olduğunu göstermektedir. Ayrıca MRC-5, A549 ve PC3 hücre peletlerinin permitivite değerleri karşılaştırıldığında istatiksel olarak anlamlı olduğu bulunmuştur (p< 0.001). Tukey testi ile A549 ile MRC-5 hücre peletleri için p< 0.001, A549 ile PC3 hücre peletleri için p < 0.001, MRC-5 ile PC3 hücre peletleri için p< 0.05 olarak bulunmuştur. Bu sonuç, kanserli ve sağlıklı akciğer hücrelerinin dielektrik değerleri arasında istatistiksel olarak anlamlı farklılıklar olduğunu göstermektedir. Prostat ve akciğer kanser hücreleri arasında da istatiksel anlamlı bir fark olduğu ve her kanser hücresi türünün farklı bir mikrodalga özellik gösterebileceği ve buna göre tanımlanabileceği gözlemlenmiştir. Tüm bulgular, dielektrik ölçüm sonuçlarının kanser tespiti için, hipertermi tedavileri ve yeni teşhis cihazlarının oluşturulmasında, ayrıca sağlıklı ve tümörlü dokuların elektromanyetik modellerinin tasarlanmasında da kullanılabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Microwave-based approaches have sparked a lot of interest for a variety of reasons, including being non-ionizing and easy to utilise. Microwave technologies are based on fundamental knowledge of the variability in the dielectric properties of tissues, cells individually and particularly between malignant and normal tissues. Therefore, detecting the dielectric properties of biological molecules is critical in both research and development of and the creation of novel diagnostic and therapeutic instruments. Several methods have been proposed to measure the dielectric properties of biological materials. Open-ended coaxial probes, which is one of these techniques, is more widely used to acquire the dielectric property characterization of biological substances from radio frequencies to the microwave frequency range. Many studies have been conducted to determine the dielectric properties of animal and human tissues, whereas there is limited study on the dielectric characteristics of cell lines and only a few compared the dielectric properties of cancerous and healthy cells. Furthermore, many of these cell studies have been performed on suspension forms. This work investigates the dielectric properties of healthy and malignant lung cells, also cancer and healthy lung cell mixture for the first time allowing us to explore the change in dielectric characteristics when both cell lines are present in the same location, as in the actual situation, as well as prostate cancer cells in both suspension and pellet forms in the frequency range from 500 MHz to 6 GHz using an open-ended coaxial probes in order to acquire information that assists the diagnosis and treatment of cancer. A549 and MRC-5 and PC3 cell lines were used as human lung cancer cells, healthy counterparts, and human prostate cancer cells, respectively in this study. The total number of cells were 26.000.000 for A549, 12.000.000 for PC3, and 12.000.000 for MRC-5. Moreover, in attempt to comprehend how cancer would impact the dielectric characteristics of normal cells, cell pellet and suspension was prepared by mixing A549 and MRC-5 cells. The dielectric property measurements were taken ten times each of samples with an open-ended contact probe. Each data obtained from cells were collected with a network analyser (VNA) along with software between 500 MHz to 6 GHz with 111 points. Two probes having different outer diameters (3.5 mm and 2.2 mm) were used. Using a one-way ANOVA followed by Tukey's test via SPSS their statistical analysis was done. The findings reveal that the differences between healthy and malignant cells are statistically significant. PC3 and A549 cell lines were also found to be statistically significant. In addition, cells in both pellet and suspension forms are also compared to determine the effect of these forms on dielectric properties. In the measurement of cell dielectric properties, pellet forms gave more precise results.
Benzer Tezler
- 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
ZEYNEP MACİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ 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