A novel antenna configuration for microwave hyperthermia
Mikrodalga hipertermi için yeni bir anten yapılanması
- Tez No: 828258
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN, DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, 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: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Meme kanseri, tüm dünyada kadınlar arasında en sık görülen kanser türüdür ve kanser malignitelerinin neredeyse %30'unu kapsar. Dünya sağlık örgütü istatistikleri, yalnızca 2020'de 2,3 milyon kadına meme kanseri teşhisi konduğunu ve meme kanserine bağlı 685000 ölümün bildirildiğini göstermektedir. Dünyanın her bölgesinden her yaştaki kadının meme kanserine yakalanma riski bulunmaktadır. Tedavi, özellikle erken evrede teşhis edildiğinde, çok etkili olabilmektedir ve yaşama oranı %90'dır. Mastektomi veya lumpektomi, yani tüm memenin alınması ve kısmi mastektomi, girişimsel tedavilerdir. Lumpektomiden sonra ya da memeden sadece tümör çıkarıldığında, genel prosedür sonraki riskleri en aza indirmek için radyasyon tedavisine devam etmektir. Kanserin yayılmasını önlemek için kanser önleyici ilaçlar vücuda ağızdan veya damardan verilir. Bu ilaçlara örnek olarak hormon tedavisi, kemoterapi ve hedefe yönelik biyolojik tedavi verilebilir. Ancak bu tedavi yöntemlerinin süresi tedavinin etkinliğine göre değişebilmekte ve her tekrarda hem hasta hem de devlet üzerindeki ekonomik yük artmaktadır. Hastaya ve ailesine getirdiği psikolojik yük de azımsanmamalıdır. Alternatif bir yaklaşım, tedavinin etkinliğini artırmak için meme kanseri tedavi yöntemlerini birleştirmektir. Hedef bölgedeki yüksek sıcaklık seviyelerinin, kemoterapide kullanılan sıcaklığa duyarlı ilaçları çektiği ve sağlıklı bölge yerine ısıtılan alan üzerindeki ilaçların (veya kanser önleyici ajanların) etkinliğini arttırdığı bilinmektedir. Ayrıca vücut homeostazı korumaya çalışır ve ısınan bölgeye normal sıcaklıktaki kan akışı artar. Taşınan kan ile sağlıklı dokulardan daha fazla kemoterapi ajanı hedefe ulaşır. Yüksek sıcaklık seviyesi de hücre gözeneklerini açar. Bu, kanser önleyici ajanların hedeflenen bölgeye etki etmesini kolaylaştırır. Tüm bu süreçler, sağlıklı dokularda kemoterapi nedeniyle oluşan toksisiteyi azaltırken hedefe yönelik ilaç dağıtımı ile etkili ve daha kısa kemoterapi seansları sağlar. Vücut dokusundaki sıcaklığı 40°C ile 43°C arasına çıkarmak, hipertermi çalışmalarının ana amacıdır. Tümöre daha fazla ısı verilmesi, malin hücreler üzerinde sitotoksik bir etkiye neden olan nükleoik, sitoplazmik veya membran proteinlerini denatüre eder; doku sıcaklığının, genellikle 45°C olan bir eşiğin üzerine çıkarılması, tek başına bir tedavi tekniği olarak da kullanılabilen termal ablasyon olarak tanımlanır. Hiperterminin hedeflenen hücreler üzerinde yıkıcı bir etkisinin olduğu gerçeği göz önüne alındığında, mikrodalga enerjisinin hedef bölgeye doğru bir şekilde odaklanması esastır. Hiperterminin kritik yönlerinden biri, hedeflenen alanın sıcaklığını artırırken, hedeflenmeyen/sağlıklı bölgelerin sıcaklık artışını sınırlandırmaktır. 434, 915 veya 2450 MHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi (ISM) frekans bantlarındaki elektromanyetik (EM) dalgalar, mikro dalga hipertermi (MH) gerçekleştirirken en çok tercih edilen frekanslardır. Mikrodalga frekansları iyonlaştırıcı değildir ve uygulaması girişimsel değildir, öyle ki MH hücrelere doğrudan zarar vermez, bu nedenle asıl önem arz eden doğru hedefleme yapılmasıdır. MH yalnızca, uygulanan EM dalgaları hedefte aynı fazda olduğunda ve biriken enerji sıcaklığı 43°C üzerinde artırdığında yıkıcı olmaktadır. Farklı genlik ve fazdaki antenlerin çok sayıda konumdan eşzamanlı radyasyonu, tümörün etkili bir şekilde hedeflenmesi için kabul edilen bir yaklaşımdır. Doku ortamı kayıplıdır ve EM dalga vücutta dolaşırken güç kaybeder ve kan akışı kalan dokularda sıcaklık homeostazını koruyarak MH'yi tüm vücut için güvenli bir tedavi mekanizması haline getirir. Uygun hipertermi tedavi planlamasının (HTP) aşamaları şu şekilde özetlenebilir: Hastaya malin tümör teşhisi konulduktan sonra vücut kısmının detaylı görüntüsü alınır ve dokular segmentlere ayrılır. Daha sonra, dielektrik ve termal özellikler her doku tipine doğru bir şekilde atanır. Ardından, tümör sıcaklığının kontrollü bir şekilde artması ve kalan sağlıklı dokuda sıcak noktanın önlenmesi, diğer bir deyişle Spesifik Absorpsiyon Oranının (SAR) hedefe etkin bir şekilde odaklanması için uygun anten beslemeleri uygulanır. Bu nedenle, sağlıklı doku boyunca düşük dış enerjiyi korurken hedef üzerinde etkin enerji birikimi için anten besleme parametrelerinin (faz ve güç) optimizasyonu gereklidir. Tezin ilk bölümünde, meme mikrodalga hipertermisi için lineer anten dizisi kullanımını önerdik. Bu anten dizilerinin basit doğası, enerjinin memenin içinde nasıl odaklandığının derinlemesine anlaşılmasını sağladı. Lineer dizideki antenler, optimize edilecek sadece iki faz değeri olacak şekilde 4 alt diziye gruplandırıldı. Bu iki faz değeri, odak noktasının yatay ve dikey yer değiştirmesini kontrol etmektedir. Dielektrik özellikleri merkezden kenarlara doğru doğrusal olarak değişen bir sahte meme fantomu yaratıldı. Memenin merkezdeki glandüler yapısı ve kenarlara doğru artan yağlı yapısı göz önüne alındığında, yaratılan sahte meme fantomunun dielektrik özellikleri merkezde glandüler dokunun dielektrik özelliklerini ve kenarda yağın dielektrik özelliklerini sağlayacak şekilde oluşturuldu. Bu sahte fantoma düzenli bir ızgara üzerinde tümör fantomları eklendi. Bu iki faz değeri düzenli değiştirilerek memedeki toplam elektrik alan haritaları elde edildi. Elektrik alan daha sonra ısınma haritalarına çevrildi ve odak alanları elde edildi. Bu ısı haritalarına 'odak haritası' denmiştir. Her farklı faz çifti ile elde edilen ısınma haritalarına bakıldığında ardışık faz çiftlerinin benzer odaklama eğilimi sunduğu gözlemlendi. Bu fazların değiştirilmesi ile ısınma odağının yatay ve dikey yönlerde pozisyon değiştirdiği gözlemlenmiş ve bu iki faz yatay ve dikey faz olarak adlandırılmıştır. Yatay ve dikey ısı odağı elde ettikten sonra her yöne ilerleyebilen odaklar elde edilebilmiştir. Karmaşık algoritmalara ihtiyaç duymadan, odak haritaları kullanılarak, doğru işleyen anten fazı seçim süreci sağlanmıştır. Aynı anten fazı seçim süreci, aynı odaklama haritaları ile farklı bir göğüs fantomunda gerçekleştirilmiştir ve yöntem, tamamen farklı göğüs fantomları için de başarılı olmuştur. Bu sonuç, daha ince bir ayarlama gerekliliği olsa bile, herhangi bir meme için genel bir faz seçim süreci olasılığını açmaktadır. Ayrıca lineer anten dizisi kullanımının uygulanabilirliği gösterilmiştir. Fakat, lineer MH aplikatörü, memenin her yerine odaklamada dairesel MH aplikatörü kadar başarılı olamamıştır. Bunun temel sebebinin lineer dizinin simetrik olmayan özellikleri olduğu sonucuna varılmıştır. Tezin ikinci bölümünde, aplikatörlerin kendi merkezleri etrafında fiziksel olarak döndürülmesi önerilmiştir. Bu yöntemle, aplikatörün kendisi değiştirilmeden, farklı ısıma şemaları elde edilmiştir. Lineer MH aplikatörü 15\textdegree~ ile döndürülmüştür ve tüm MH sistemi her dönüş için tekrarlanmıştır. 360\textdegree'nin tamamını tarayana kadar toplam 12 dönüş analiz edilmiştir. Bu dönüşler sırasında memenin pozisyonu değiştirilmemiştir, bu nedenle sonuçlar sadece aynı aplikatörün farklı açısal pozisyona sahipkenki performansını göstermektedir. Bu çalışmada, anten besleme parametrelerini optimize etmek için parçacık sürü optimizasyonu (PSO) yöntemi kullanılmıştır. 135\textdegree~ eksenel olarak döndürülen lineer aplikatör, simülasyonun yapıldığı göğüs fantomu ve 2 hedef noktası için sabit lineer aplikatöre göre %35 ila %84 daha yüksek TBR_S ve %21 ila %28 daha yüksek TBR_T değerleri verir. TBR_S ve TBR_T metrikleri hedef ile bütün memenin SAR ve sıcaklık oranlarına tekabül etmektedir. Bu sonuçlar, lineer aplikatörün döndürülmesi ile ilk önerilen sistem tasarımına göre büyük bir farkla geliştirildiğini göstermektedir. Sonuçlar, farklı dönüşler ile elde edilen odaklama kalitesinin değişken olduğunu göstermiştir. Kalite, çoğunlukla meme içindeki hedef bölgenin konumuna ve çevre doku özelliklerine bağlı olmaktadır. Hipertermi tedavi planlamasından önce her dönüş sonucunun analizinin önemli bilgiler katacağı ve muhtemelen daha iyi bir HTP sağlayacağı düşünülmektedir. Bu çalışmada ayrıca, dairesel dizi aplikatörü için de eksenel döndürme uygulanmıştır. Sabit ve 15\textdegree~döndürülmüş dairesel dizi sonuçları analiz edildiğinde, ikinci hedef noktası için, döndürülen dairesel dizinin performansı daha iyiyken, ilk hedef konumu için durum tam tersi olmuştur. Döndürme özelliği ile lineer aplikatörün iyileştirilmesi dairesel aplikatöre göre daha belirgin olmasına rağmen, daha iyi bir HTP için döndürülmüş dairesel dizinin de analiz edilmesi önerilmektedir. Döndürülmüş 12 antenli lineer MH aplikatörü, verilen metriklerin çoğunda, döndürülmüş 12 antenli dairesel aplikatöre göre üstün veya karşılaştırılabilir performans sunmuştur. Bu çalışma, döndürülmüş lineer MH aplikatörün aynı sayıda antene sahip dairesel aplikatöre göre daha iyi veya en azından karşılaştırılabilir bir performans sağlaması açısında çok önemli bir çıktı sağlamıştır. Tezde ilk olarak, antenlerin fazını seçmek için 'odak haritaları' kullanılmıştır. Sonuçlar tatmin edici olmasına rağmen, analiz edilen faz değerlerinin sayısı yetersizdir. Ayrıca, anten genliklerinin de ayarlanması gerekmektedir. Ardından, bireysel anten uyarma parametrelerini (hem faz hem de genlik) optimize etmek için küresel bir optimizasyon tekniği olarak parçacık sürü optimizasyonu kullanılmıştır. PSO kullanımı ile odaklama performansı artmıştır, ancak sonuçlar çelişkili olmuştur. Öyle ki, farklı başlangıç değerleriyle farklı bir parametre optimizasyonu ve dolayısıyla farklı bir odaklama performansı elde edilmektedir. Tezin üçüncü bölümünde, en iyi anten besleme parametrelerini bulmak için derin öğrenme yöntemi kullanılması önerilmiştir. Evrişimli sinir ağlarının (CNN) öğrenme yeteneğinden faydalanılmıştır. Önerilen sistemin genelliğini göstermek amacı ile şunlar kullanılmıştır: i. doğrusal ve dairesel aplikatörler, ii. tümör dahil olan ve olmayan gerçekçi göğüs fantomları, iii. zorlu bir görevi göstermek için densitesi yüksek göğüste glandüler doku içinde bir hedef seçilmiştir. Önerilen yöntemin doğruluğunu göstermek için, önce, sistemin serbestlik derecesi düşürülmüştür. Lineer aplikatör antenleri, tezin ilk bölümünde verildiği gibi gruplandırılmış ve dairesel aplikatör antenleri, herhangi bir anten fazı iki bitişik anten fazının ortalaması olacak şekilde gruplandırılmıştır. İlk olarak antenlerin faz değerleri 5°değiştirilerek ısı haritaları hesaplanır. Faz değerleri ve ilgili ısı haritaları bir veri setinde toplanır. Bu veri seti daha sonra üç evrişim katmanından oluşan CNN'ye beslenir. Lineer dizi fazı için CNN, iki dakikada başarıyla modellenmiştir. İstenen odak bölgesi, sağlıklı bölge için 0'lar ve hedef bölge için 1'lerden oluşan bir maske kullanılarak belirlenerek bu maske başarılı CNN modeline girdi olarak verilmiş ve saniyeler içinde doğru faz değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra bu faz değerleri kullanılarak anten genlik değerleri için başka bir veri seti oluşturulmuştur. İkinci CNN modelinde aynı maske kullanılarak anten beslemesi genlikleri hesaplanmıştır. Sonuçlar basit arabul tablosu ile karşılaştırılmış ve önerilen CNN tabanlı optimizasyon yönteminin daha yüksek performanslı sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu yöntem ile, çok sayıda değişkeni olması nedeniyle zorlu bir optimizasyon problemi olan dairesel aplikatör üzerinde de iyi performans gösterdiği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Breast cancer affects approximately 2.5 million women each year and the consequences can be fatal. When treated correctly, however, the survival rates are very high. Surgical operation such as lumpectomy or mastectomy are invasive techniques that remove the partial or the whole breast. With early diagnosed cancers and the post-surgical patients, the most used therapy techniques are the radiotherapy, chemotherapy and the use of other anti-cancer agents. The economic and the psychological repercussions may be minimized by the increase efficiency of the treatments. It has been shown that with the artificial hyperthermia, elevated temperature levels at the cancer regions, the effectiveness of these modalities increase. Microwave breast hyperthermia (MH) aims to increase the temperature at the tumor location over its normal levels. During the procedure, the unwanted heated regions called hotspots can occur. The main aim of the MH is to prevent the hotspots while obtaining the necessary temperature at the tumor. Absorbed heat energy per kilogram at the breast, specific absorption rate (SAR), needs to be adjusted for a controlled MH. The choice of the MH applicator design is important for a superior energy focus on the target. Although hyperthermia treatment planning (HTP) changes for every patient, the MH applicator is required to be effective for different breast models and tumor types. In the first part of the thesis, the linear antenna arrays are implemented as MH applicators. We presented the focusing maps as an application guide for MH focusing by adjusting the antenna phase values. Furthermore, these focusing maps put forward the basic principle of focusing the energy at the breast. Sub-grouping the antenna, we obtained two phase main parameters that control the horizontal and vertical focus change. By adjusting these two phase values, we could focus the energy onto the target locations and we showed that with this simple structure, there is no need for optimization methods. However, the linear applicator performance was not successful for some target points, especially when the target is far away from both of the arrays. In the second part of the thesis, we improved the linear MH applicator. We concluded that the reason for the low performance of the linear applicator is mainly due to non-symmetrical geometry of the applicator and the resulting poor coverage. we proposed to radially re-adjust the position of the linear applicator for a better focusing ability while fixing the breast phantom. This generates multiple different applicator scheme without actually changing the applicator design. Particle swarm optimization (PSO) method is used for antenna excitation parameter selection. For the examined two targets, 135° rotated linear applicator gave 35-84% higher T BRS and 21-28% higher T BRT values than the fixed linear applicator, where T BRS stands for the target-to-breast SAR ratio and T BRT stands for the target-to-breast temperature ratio. Not only the rotated linear applicator gave higher performance, but also the circular array is rotated and the results were improved for one target. One of the main results of this study is that, for one target, the rotated linear applicator gave better results than the circular array, which is the state of the art. For the deep-seated target, 135° rotated linear applicator has 80% higher T BRS and 59% higher T BRT than the circular applicator with the same number of antennas. For the other target, the results of the linear and circular were comparable. However, the results obtained with the PSO were not robust. With different initial values (random in our study), the results were very different from each other, and we did 10 repetitions and took the best performing results. In the third part of the thesis, we presented deep-learning based antenna excitation parameter selection method. This method utilizes the learning ability of convolutional neural networks (CNN), rather than searching the solution space from random initial values as PSO does. The data set for CNN training was collected by superposing the electric fields obtained from individual antenna elements. We implemented a realistic breast phantom with and without a tumor inclusion. We used linear and circular applicators to validate the method. CNNs were trained offline with the data sets created first for the phase and then for the amplitude of the antennas. A mask of 1s and 0s is used to define the target region to be focused. This mask was given as the input to CNN models, and the corresponding phase and the amplitude values are calculated within seconds from the CNN models. The proposed approach outperforms the look-up table results, as the phase-only optimization and phase–power-combined optimization show a 27% and 4% lower hotspot-to-target energy ratio, respectively, than the look-up table results for the linear MH applicator
Benzer Tezler
- A novel approach for the solution of forward and inverse problems associated with near field microwave imaging systems
Yakın alan mikrodalga görüntüleme sistemlerinde ileri ve geri problemlerin çözümüne yönelik yeni bir yaklaşım
AKIN DALKILIÇ
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LALE ALATAN
DOÇ. DR. SEVİNÇ FİGEN ÖKTEM
- Novel techniques of array antenna design for satellite communication
Uydu haberleşmesi için yeni dizi anten tasarım yöntemleri
JAVAD JANGI GOLEZANI
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Novel multi-band metamaterials in microwave region with applications in antennas
Mikrodalga bölgesinde çalışan özgün çok-bantlı metamalzemeler ve anten uygulamaları
ÖZNUR KÜÇÜKSARI
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL SAYAN
- Antenna and measurement system for microwave imaging of breast tumors
Meme tümörünün mikrodalga ile görüntülenebilmesi için anten ve ölçüm sistemi
MEHMET ABBAK
Doktora
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Nanoscale magnetometry with single fluorescent nanodiamonds manipulated in an anti-Brownian electrokinetic trap
Başlık çevirisi yok
METİN KAYCI
Doktora
İngilizce
2016
BiyolojiEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)Prof. ALEKSANDRA RADENOVIC