Geri Dön

Characterization of temperature dependent dielectric properties of biological tissue phantoms using an open-ended coaxial probe

Vücut dokularını taklit eden fantomların ısıya bağımlı dielektrik özelliklerinin aukp yardımıyla ölçülmei

  1. Tez No: 878227
  2. Yazar: TUĞÇE TUTUK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEMANUR AYDINALP
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoloji, Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Biology, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 67

Özet

Mikrodalga frekanslarında enerji yayan cihazların, görüntüleme, terapi ve kanser tedavisinde kullanılmaya başlanmasıyla, dokular ile elektromanyetik dalgalar arasındaki etkileşimleri incelemeye yönelik araştırmalar artmıştır. Bu çalışmalarda, elektromanyetik dalgaların dokularla nasıl etkileşime girdiğini, dokuların dielektrik özelliklerinde meydana gelen elektriksel farklılıklara odaklanılmıştır. Bir diğer araştırma konusu da teşhis ve tedavi için kullanılan mikrodalga enerjisinin dokuda meydana getirdiği ısı artısının sonuçlarıdır çünkü dielektrik özellikler elektromanyetik enerjinin emilimi üzerinde anında etkiye sahiptir ve bu doku da ısınma oluşumuna neden olur. Dokulardaki bu ısı artışının sonrasında dielektrik özelliklerde meydana gelen değişiklikleri bilmek, sıcaklıkların dokuda nasıl bir dağılım gösterdiğini ve bunun sonucunda ortaya çıkabilecek zararı da ön görmemizi sağlayacaktır. Elektromanyetik dalgaların kullanıldığı erken asama teşhis yöntemleri ve klinik kullanımların yanı sıra ablasyon gibi termal tedaviler içinde ısı sonrası meydana gelen değişimleri anlamak kritik öneme sahiptir. Ancak her vücut dokusu için bu değişimleri laboratuvar ortamında in-vivio ya da ex-vivo deneylerini yapmak mümkün olamayacağı için vücut özelliklerini taklit etmemize yarayan malzemeler olan ihtiyaç doğmuştur. Literatürde farklı malzemelerden elde edilmiş birçok fantom türü vardır. Fantomlar yapılırken çok farklı ana malzemeler kullanılabilir. Örneğin hidrojel, polivinil alkol, jelatin, agar, plastik gibi malzemelerden fantomlar üretilmiştir. Hem ucuzluğu hem üretim kolaylığı hem de stabil formları nedeniyle bu çalışmada jelatin fantomlar tercih edilmiştir. Laboratuvar ortamında fantom üretmek içinde farklı metotlar kullanılabilir. Jelatin fantomlarının bir diğer avantajı da kolay bulunabilen malzemeler kullanılarak üretilebilmeleridir. Deneyde kullandığımız fantomlar da jelatin, distile su, ay çiçek yağ, bulaşık deterjanı ve formaldehit kullanılmıştır. Her malzemenin bir kullanım amacı vardır. Jelatin, yoğunluğu ve optik özellikleri insan dokusuyla benzerlik gösterdiği için kullanışlı bir ana malzemedir ayrıca ucuz ve kolay bulunabilir. Distile su, vücut dokularında yüksek oranda su içermesi nedeniyle üretilen fantomun içerdiği su miktarda dokuya benzerlik için önemlidir. Ayrıca distile su, jelatinin yoğunluğunu ayarlamak içinde gereklidir. Ayçiçek yağı, dokulardaki yağ oranını simüle etmek için gereklidir. Vücuttaki her dokunun farklı bir yağ yüzdesi olduğu için görüntülemede de yağ oranı dokuları ayırt etmede büyük öneme sahiptir. Bulaşık deterjanı, fantom içindeki malzemelerin homojen bir ¸şekilde karışmasını sağlayabilir ve jelatinin sıvı içerisinde homojen bir ¸şekilde dağılmasına yardımcı olur. Ayrıca fantomun yüzey gerilimini azaltarak kabarcık oluşumunu engeller. Son kullandığımız malzeme olan formaldehit jelatinin sertleşmesini sağlayan bir çapraz bağlayıcıdır. Bu, jelatinin istenilen ¸sekli almasını ve fantomun dayanıklı bir yapıya sahip olmasını sağlar. Bu beş ana malzemeyi kullanarak referans aldığımız makaledeki oranlara göre farklı yağ yüzdelerine sahip birçok fantom hazırlanarak çeşitli dokulara benzer özellikler elde edilmeye çalışılmıştır. Bu aşama için on üç adet fantom hazırlanmıştır. Bu fantomların yağ yüzdesi %0 yağ dan %55 yağ oranına kadardır. İlk yapılan fantom hiç yağ kullanılmadan hazırlanmış daha sonraki her fantom da yağ %5 oranında arttırılarak üretilmiştir. Böylelikle yağ oranının fantomlarda ki elektriksel özelliklerde ki etkisini daha iyi anlamamızı sağlamıştır. Üretilen tüm fantomların üretim gününden yaklaşık dört gün sonra açık uçlu koaksiyel prob yardımıyla ölçülmüştür. Dört gün sonra ölçüm nedeni ise fantom hazırlanırken kullanılan formaldehitin yağ moleküllerine bağlanarak fantomun istenilen katılıkta oluşması için gereken minimum süre olmasıdır. Ancak dielektrik özellikler doğrudan ölçülebilen özellikler değildir. Bu nedenle ölçüm cihazlarından toplanan veriler dielektrik özelliklere dönüştürülür. Bunun için birden fazla yöntem bulunmasına rağmen hazırlanan bu jelatin içinde yağ fantomlarının dielektrik özelliklerini ölçmek için açık uçlu koaksiyel prob tekniği tercih edilmiştir. Açık uçlu koaksiyel prob hem in vivo hem de ex vivo ortamlar için geniş frekans aralığı ölçümleri sağlayan, yaygın olarak kullanılan bir ölçüm tekniğidir. Bu yöntemde, dielektrik malzeme ile birlikte bir koaksiyel kablo kullanılır. Koaksiyel kablo, içte iletken bir tel, etrafında dielektrik bir malzeme ve en dışta iletken bir kalkan bulunur. Deney esnasında kullanılan Dak prob sayesinde, prob fantoma direk temas ederek ölçümler alınmıştır. Prob ölçülen malzemenin dielektrik sabitini ve kayıp faktörünü ölçerek malzemelerin dielektrik özellikleri hakkında bilgi edinmemizi sağlar. Prob ağ analizörüne bağlandıktan sonra proba mikrodalga sinyaller gönderilmeye başlanır. Bu sinyal, dielektrik malzeme içinden geçerken etkileşime girer. Probun ucu ölçüm yapılacak malzeme olan fantoma yerleştirilebildiği için malzemeden geçen sinyal dielektrik sabiti ve kayıp faktörü gibi özellikler hakkında bilgiyi kaydeder. Daha sonra bu bilgiler probun ara yüzü sayesinde analiz edilir ve dielektrik özellikler hakkındaki bilgileri elde etmemizi sağlar. Başka bir çok dielektrik ölçme yöntemi de literatürde mevcuttur. Frekans domaini reflektometrisi, zaman domaini reflektometrisi, kapasitif ve indüktif ölçüm yöntemlerinde kullanılmaktadır. Ancak açık uçlu prob yöntemi tercih etmemizin birçok nedeni vardır. Bu yöntem diğer ölçüm yöntemlere göre daha az karmaşıktır. Sistemi kurması ve kullanması daha basittir. Ölçülen malzemeye zarar vermediği için hem daha doğru hem de yüksek hassasiyette ölçümler yapmamıza olanak sağlıyor. Kullanılan malzeme de tahribata neden olmaması ölçümlerin de tekrarlana bilirliğine imkân verir. Son olarak açık uçlu prob tekniği geniş frekans aralığında çalışabilir. Bu sayede malzemelerin farklı frekanslarda nasıl elektriksel özellikler gösterdiği incelenebilir. Yapılan tüm ölçümlerde jelatin fantomlar 500 MHz ile 10 GHz frekans aralığında ve oda sıcaklığında ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarını yorumlamak ve gerçek dokularla karşılaştırmak için matematiksel yöntemler kullanılması gerekmektedir. Bu çalışmada kullanılan matematiksel yöntem Cole-Cole yöntemidir. Bu yöntem malzemenin frekans bağımlı dielektrik özelliklerini belirlemek için kullanılan yaygın bir yöntemdir. Cole- cole denkleminde dielektrik sabit ve kayıp faktörünü tanımlayan bir kompleks permitivite fonksiyonu vardır. Bu modelle dielektrik malzemenin karışık davranışları da açıklanabilir. Bir sonraki deney olan ısıya bağımlı özelliklerin incelenmesinde de bu yöntem için uygun bir modeldir. Bu model ile sayısal verilere dönüştürülen elektriksel özellikler önceki çalışmalarla ve IFAC web sitesinde mevcut olan gerçek dokuların frekansa bağlı dielektrik özellikleriyle karşılaştırıldı. Hangi yağ yüzdesine sahip fantomların hangi dokuları taklit ettiği belirlendi. Gerçek dokularla benzer elektriklesel özellik gösteren fantomlar belirlendi. Akciğer, karaciğer, meme dokusu ve kan ile benzer özellik gösteren fantomlar ile farklı bir çalışma daha yapıldı. Bu dokuların tercih edilme nedenleri vardır. Meme kanseri en çok rastlanan kanser türlerinden biridir. Karaciğer dokusu üzerinde ise çok fazla termal ablasyon çalışması yapılmış ve bu konuda çokça literatürde makale mevcuttur. Bu sayede de üretilen fantomların deney sonucunda elde edilen dielektirk özelliklerinin ne kadar doğru olduğunu karşılaştırmak ve ısıya bağımlılığını test etmek için çokça kaynak ve bilgi mevcuttur. Fantomlar seçildikten sonra dokulardaki ısı artısı sonucunda dielektrik özelliklerin değişimini gözlemlemek için bir farklı bir deney düzeneği hazırlandı. Dokuyu ısıtmak için sıcak su banyosu kullanıldı. Sıcak su banyosuna yerleştirilen fantomlar oda sıcaklığından 50- 55 dereceye kadar ısıtıldı. Bu sıcaklıkların seçilmesinin temel nedeni bu sıcaklıklardan sonra dokuda meydana gelen protein denatürasyonudur. Doku yüksek ısıya otuz dakikadan uzun süre maruz kalırsa, bu doku da kalıcı hasara neden olur ve geri döndürülemez. Bu çalışmayı yapmamızın temel amacı jelatin kullanılarak üretilen doku fantomlarının ısıtıldığında elektriksel özelliklerinde ne gibi değişikler olabileceğini anlamaktı. Hazırlanan tüm doku fantomları önce oda sıcaklığında, daha sonra vücut sıcaklığından 55 dereceye kadar tüm sıcaklıklarda açık uçlu koaksiyel prob kullanılarak ölçüldü. Kullanılan ölçüm düzeneği, Speag marka DAK 3.5mm prob kiti bu prob sayesinde geniş frekans bandında 10 MHz ile 10 GHz frekans aralığında ölçümler yapılmıştır. Bu frekansı aralığı Agilent N5230A marka bir vektör ağ analizörü ile ayarlanmıştır. Her bir fantomun homojenliğini de test etmek için farklı üç noktadan ölçümler alınıp bu ölçümlerin ortalamaları hesaplanmıştır. Oda sıcaklığındaki ölçümler tamamlandıktan sonra NUVE sıcak su havuzu kullanılarak tüm fantomlar ısıtılmış ve ısıtma esnasında her bir derece de bir fantomlardan üçer ölçüm alınarak sonuçlar kaydedilmiştir. Tüm fantomlar 50 derece ye kadar ısıtılıp sonuçlar kaydedildikten sonra sıcak su havuzu kapatılarak tekrar oda sıcaklığına dönülene kadar yine her bir derece de bir soğuma verileri de kayıt altına alınmıştır. Elde edilen tüm sonuçlardan bağıl dielektrik değerleri ve iletkenlik değerleri hesaplanmak için bir matlab kodu kullanıldı. Yine Cole-Cole denklemlerinden yararlanıldı ve ikinci dereceden bir polinom kullanarak denklem sıcaklığa uygun hale getirilmiştir. Tüm sonuçlar grafikler haline getirilerek literatürde bulunan ısıya bağımlı dilektik özelliklerle karşılaştırıldı ve hata oranları hesaplandı. Deneyler sonucunda elde edilen tüm bulgular, jelatin fantomlarındaki yağın doku taklidinde başarılı materyaller olduğunu gösterdi. Karşılaştırmalar sonucunda fantomların dielektrik özelliklerinin gerçek dokularla uyumlu olduğu ve ısıtma ve soğutma işlemleri sonucunda hala dokuların dielektrik özelliklerine benzer özellikler gösterdikleri kanıtlandı.

Özet (Çeviri)

The dielectric characteristics of biological tissues, particularly at microwave frequencies, are essential for various medical applications, including imaging, therapy, and cancer treatment. This research focuses on understanding how electromagnetic waves interact with tissues and the temperature-dependent changes in tissue dielectric properties. Because these treatment procedures occur at temperatures beyond room temperature, the resulting change in tissue dielectric properties must be considered. Electrical tissue qualities have an immediate effect on the absorption of electromagnetic energy, which results in a heating generation; these features are thus critical to early-stage and clinical uses utilizing electromagnetic waves for heating, as well as thermal treatments in total because dielectric characteristic changes following heating will influence tissue distribution of temperatures and the ensuing thermal harm. For this reason, there is a need for biological phantoms that mimic the dielectric properties of tissues at these high frequencies and different heat rates. Tissue-mimicking phantoms, such as gelatin-based phantoms, play a crucial role in simulating tissue properties for research and clinical purposes. Many different forms of phantom materials can be used to mimic different tissues. One of the most preferred ones is phantoms produced using gelatin because they are affordable, easy to produce, made from easily available materials and stable. Dielectric properties are not directly measurable characteristics. Therefore, the data collected from measurement devices are converted into dielectric properties. Although there are multiple methods in the literature for this, the open-ended coaxial probe technique was preferred to measure the dielectric properties of these prepared oil-in-gelatin phantoms and to measure temperature-dependent changes. It is a widely used measurement technique that provides wide frequency range measurements for both in vivo and ex vivo environments. The mathematical method used to interpret measurement results and compare them with real tissues is Cole-Cole equation. All prepared tissue phantoms were measured first at room temperature and then at all temperatures from body temperature to 55 degrees using an open-ended coaxial probe. The obtained dielectric properties were compared with previous studies and the dielectric properties of real tissues available on the IFAC website and focused on the analysis of the change of dielectric properties with temperature. The findings obtained as a result of the experiments showed that oil in gelatin phantoms are successful material for tissue mimicking. As a result of the comparisons, it was proven that the dielectric properties of the phantoms were compatible with real tissues xxi and that they still showed tissue dielectric properties as a result of heating and cooling processes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    794694

    Synthesis of new mesogens and investigation of their liquid crystalline properties

    Yeni mezojenlerin sentezi ve sıvı kristal özelliklerinin incelenmesi

    BURAK KORKMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL

    PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL

  2. Tez No

    401589

    Absorption, luminescence, and scattering of single nano-objects

    Başlık çevirisi yok

    MUSTAFA YORULMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUniversiteit Leiden

    PROF. DR. MICHEL ORRIT

    DR. ALEXANDER GAIDUK

  3. Tez No

    413430

    Effect of ion irradiation on properties of doped BI1.5ZN0.92NB1.5O6.92 pyrochlores

    Katkılı BI1.5ZN0.92NB1.5O6.92 piroklor malzemelere iyon radyasyonunun etkisi

    MEHMET YUMAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Metalurji MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYHAN MERGEN

  4. Tez No

    713906

    Muz tipi sıvı kristallerin faz geçişi parametrelerinin dielektrik spektroskopi yöntemi ile karakterizasyonu

    Characterization of phase transition parameters of banana-type liquid crystals by dielectric spectroscopy method

    HASRET KARA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİMET YILMAZ CANLI

  5. Tez No

    318625

    Magnetic and dielectric characterization of MnxCo1-xFe2O4 nanoparticles

    MnxCo1-xFe2O4 nanoparçacıkların manyetik ve dielektriksel karakterizasyonu

    FURKAN ALAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFatih Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YÜKSEL KÖSEOĞLU

Geri Dön