Geri Dön

Breast cancer detection and treatment using active sensor imaging and microwave hyperthermia

Aktif sensör görüntüleme ve mikrodalga hipertermi kullanarak meme kanseri tespiti ve tedavisi

PDF İndir

  1. Tez No: 918206
  2. Yazar: FAWZIA ABDIEN ALI ABDULLA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AŞKIN DEMİRKOL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 140

Özet

Meme kanseri küresel bir sağlık sorunudur ve dünya çapında bir çoğu kadınların ölüm nedenlerinden ikinci sırada gelmektedir. Erken teşhis ve etkili tedavi, sağkalım oranlarını %97'ye kadar iyileştirmek ve hastaların yaşam kalitesini artırmak için hayati öneme sahiptir. Bu tez, erken meme kanseri tespiti ve mikrodalga hipertermi tedavisi olmak üzere iki amaç için tasarlanmış bir Ultra Geniş Bant (UWB) tekstil tabanlı mikro şerit yama anteninin tasarımını, simülasyonunu ve uygulamasını araştırmaktadır. Aynı zamanda meme görüntüleme ve meme termal tedavisi alanında çalışma yeteneğine sahip bir antenin tasarımı gerçek bir devrim ve bu alanda büyük bir gelişmedir. Ultra Geniş Bant (UWB) teknolojisi, yüksek mekansal çözünürlüğü ve düşük radyasyon maruziyeti nedeniyle erken kanser tespiti için umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Ek olarak, mikrodalga hipertermi, çevredeki sağlıklı dokulara zarar vermeden tümör dokularını seçici olarak ısıtarak kanseri tedavi etmek için etkili bir terapötik yöntem olarak kabul edilmiştir. Bu araştırmanın temel amacı, 2-11.6 GHz UWB frekans aralığında verimli bir şekilde çalışabilen ve meme kanserini tespit edip tedavisine yardımcı olabilen güvenli, doğru, pahalı olmayan, esnek, hafif ve tamamen tekstilden yapılmış giyilebilir bir mikroşerit yama anten geliştirmektir. UWB mikrodalga görüntüleme, sağlıklı ve kanserli meme dokuları arasındaki dielektrik kontrast nedeniyle yüksek mekansal çözünürlüklü görüntüleme ve tümörlerin hassas lokalizasyonu sağlama yeteneği nedeniyle seçilmiştir. Tekstil tabanlı tasarım, kullanıcı konforu ve uyarlanabilirliği sağlayarak invaziv olmayan ve taşınabilir tıbbi uygulamalara olanak tanır. UWB mikrodalga teknolojisinin tekstil tabanlı anten tasarımıyla entegrasyonu, geleneksel tanı ve tedavi yöntemlerinin sınırlamalarını ele almak için yeni bir yaklaşım sağlar. Önceki araştırmalarda, giyilebilir UWB antenleri çözünürlük, düşük bant genişliği, yüksek SAR değerleri ve daha büyük boyutlarda sınırlamalar göstermiştir. Tümörleri verimli bir şekilde tespit etmek için, meme tümörü tespiti için tasarlanmış giyilebilir bir antenin geniş bant genişliğine, düşük SAR'a, kompakt tasarıma ve yüksek derecede uyarlanabilirliğe sahip olması gerekir. Düşük profilli konformal tasarımları, düşük maliyetleri, basit üretim süreçleri ve uygulama açısından uyarlanabilirlikleri nedeniyle mikroşerit yama antenleri kullanılmaya başlanmıştır. Kumaşı genellikle alt tabaka ve metali iletken olarak kullanan geleneksel çalışmaların aksine, bu çalışma tamamen tekstil bazlı bir anten kullanarak biyouyumluluk endişelerini ele almaktadır. Anten, dielektrik ∈r'si 1,7 ve yüksekliği (h) 0,7 mm olan bir kot alt tabakası ile geliştirilmiştir. Bakır, gümüş ve nikel ile metalize edilmiş %100 poliamid bazlı bir kumaş, 0,11 mm kalınlığında yama ve toprak düzlemi için iletken malzeme olarak kullanılmıştır. Anten, genel olarak 31*31 mm2 boyutunda tasarlanmıştır. Bir yama anteninin boyutları, özelliklerini ve performansını belirlemede temel bir rol oynar. Yamanın uzunluğu ve genişliği antenin rezonans frekansını belirler. Genellikle, daha uzun bir yama daha düşük bir rezonans frekansına karşılık gelirken, daha geniş bir yama daha yüksek bir rezonans frekansı ile sonuçlanmıştır. Uzunluğun ve genişliğin ayarlanması, antenin belirli bir frekansta veya istenen bir frekans bandında çalışmasını sağlar. Araştırma metodolojisi, gelişmiş elektromanyetik simülasyon araçları olarak CST Microwave Studio kullanılarak anten yapısının sistematik tasarımı ve simülasyonunu içerir. Geri dönüş kaybı, empedans uyumu, bant genişliği, özgül emilim oranı (SAR), Gerilim duran dalga oranı (VSWR) ve sıcaklık dağılımı dahil olmak üzere temel tasarım parametreleri, antenin hem tanı hem de tedavi uygulamaları için işlevselliğini sağlamak üzere optimize edilmiştir. Yama antenleri genellikle dar bir frekans bandında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, yama antenlerinin bant genişliğini artırmak için birkaç yöntem vardır, bu çalışmada bant genişliği, kısmi bir toprak düzlemi kullanılmasına ek olarak kesme çentikleri eklenerek artırılmıştır. UWB anteninin performansı, meme dokusu fantom modelleri üzerinde kapsamlı simülasyonlar yoluyla doğrulanmıştır. Tümör şekillerini küresel olduklarını varsayarak basitleştiren birçok mevcut modelin aksine, bu araştırma daha gerçekçi modeller kullanır ve klinik senaryolarda karşılaşılan tümör şekillerinin ve boyutlarının çeşitliliğini kabul eder. Tasarlanan anten dört dijital meme modeli üzerinde test edildi. Modeller, basit tümörsüz modellerden küçük tümörlü karmaşık modellere kadar uzanmaktadır. Tümör boyutu, yapısı ve konumu, önerilen antenin farklı şekil, boyut ve konumlardaki kanserleri tespit etme yeteneğini test etmek için değiştirildi. Erken meme kanseri tespiti için önerilen anten, anormallikleri belirlemek için dielektrik kontrastı kullanarak meme dokularıyla etkileşime giren elektromanyetik sinyaller iletir ve alır. Antenin yüksek çözünürlüklü görüntüleme yetenekleri, 5 ve 2 milimetre kadar küçük tümörlerin tespit edilmesini sağlayarak erken müdahale şansını artırır. Simülasyon sonuçları, antenin doğru tümör lokalizasyonuna ulaşma yeteneğini göstermektedir. Tek bir anten için simülasyon bulguları, SAR değerlerinin 0,397 ila 1,64 arasında değiştiğini, bunun 2 W/g'dan (10 g SAR) az olduğunu ve tıbbi uygulamalar için izin verilen sınırlarla tutarlı olduğunu göstermiştir. En yüksek SAR değerleri tümör merkezlerinde veya bunların yakın çevresinde hassas bir şekilde ölçülmüştür ve bu, o noktada bir kötü huylu tümörün varlığını gösterir. Ek olarak, VSWR 1 ila 2 arasında kabul edilebilir bir aralıkta kalmıştır. Tümörün boyutuna ve konumuna bağlı olarak, dört modelin anten dönüş kayıpları -38 ila -18,5 dB arasında değişmiştir. Esnek tasarım, antenin memenin karmaşık konturlarına uyum sağlamasını, tutarlı ve güvenilir tanı sonuçları sağlamasını garanti eder. Esnekliği belirlemek için bükülme etkisi test edildi. Antenin performansı, giyilebilir bir cihaz olarak kullanımının ötesine geçerek, dinamik bir sistem içinde değerlendirilerek daha kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu değerlendirme, antenin bir meme fantomu üzerinde 112 farklı konuma yerleştirilmesi ve bu konumlardan elde edilen sinyallerin MATLAB yazılımı kullanılarak iki boyutlu (2D) bir görüntü oluşturmak üzere işlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen görüntüler, önerilen antenin, yalnızca giyilebilir konfigürasyonlarda değil, aynı zamanda dinamik bir görüntüleme sistemi içinde kullanıldığında da tümörleri etkin bir şekilde tespit edebildiğini ortaya koymuştur. Bu bulgular, antenin çeşitli görüntüleme sistemi uygulamaları için sahip olduğu çok yönlülüğü ve uyarlanabilirliği açıkça ortaya koymaktadır. Ayrıca, önerilen antenin hem kanser görüntüleme hem de hipertermi için kritik olan dizi sistemlerine entegre edilme yeteneğini ölçmek için 2x4 elemanlı bir anten dizisi tasarlanmış ve test edilmıştır. Tez, homojen ısı dağılımını sağlama, sıcak noktaları en aza indirme ve hasta güvenliğini sağlama gibi mikrodalga hipertermisi ile ilişkili kritik zorlukları ele almaktadır. Hipertermik uygulamalardaki anten performansı, CST MPHISICS STUDIO yazılımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, antenin kötü huylu hücrelerin sıcaklığını seçici olarak terapötik termal aralığa yükseltme yeteneğini ve sağlıklı dokuların sıcaklığını kabul edilebilir bir tıbbi aralıkta tutabilme yeteneğini göstermiştir. Belirlenen antenlerden yayılan sinyallerin fazını ayarlamak için ışın oluşturma teknikleri kullanılmış, elektromanyetik dalganın tümöre doğru optimum yönelimi sağlanmış ve böylece kötü huylu hücrelerin, memenin derinliklerinde bulunsalar bile, hassas bir şekilde hedeflenmesi kolaylaştırılmıştır. Bu çalışma, tekstil tabanlı UWB antenlerinin meme kanserlerinin sıcaklığını yeterli terapötik seviyelere yükseltmesinin uygulanabilirliğini göstermektedir. Tasarlanan anten dizileri, farklı ayarlamalar kullanarak tümör sıcaklıklarını 42,3℃, 45,6℃, 43,3℃ ve 42,4℃'ye kadar yükseltme yeteneğini göstermektedir. Bu çalışmanın sonuçları, önerilen UWB tekstil tabanlı mikro şerit yama anteninin hem erken meme kanseri tespiti hem de mikrodalga hipertermisi tedavisi için umut verici bir araç olduğunu göstermektedir. Tanı ve tedavi yeteneklerinin benzersiz kombinasyonu, giyilebilir tasarımıyla birlikte, onu biyomedikal mühendisliği alanında değerli bir yenilik olarak konumlandırıyor. Araştırma, doğru, invaziv olmayan ve uygun maliyetli tümör tespiti ve etkili lokalize tedavi elde etmede önemli ilerlemeler göstererek gelecekte kliniklerde bile uygulanabilmesi için yolu açmaktadır. Bu tez, UWB teknolojisini tekstil tabanlı anten tasarımıyla entegre ederek yeni nesil tıbbi cihazların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Bulgular, giyilebilir, esnek ve çok işlevli tamamen tekstil tabanlı antenlerin meme kanseri yönetiminde devrim yaratma potansiyelini vurgulamaktadır.

Özet (Çeviri)

Breast cancer is a health challenge all over the world, and it is the second leading cause of death among women all over the world. Early detection and effective treatment of the disease are important to improve survival rates by up to about 97%. This thesis designs and simulates a textile-based ultra-wideband (UWB) patch antenna that is specifically intended to serve dual purposes: early breast cancer detection and treatment using microwave hyperthermia. The design of an antenna that can work in the field of breast imaging and breast thermal therapy at the same time is a real revolution and a major development in this field. Due to its excellent accuracy and absence of harmful radiation, wideband microwave (UWB) imaging is considered to be an effective method for early diagnosis of breast cancer. Microwave hyperthermia is also an effective method for treating cancer and a suitable alternative to the methods currently used because it raises the temperature of the malignant tumor tissue while preserving the surrounding healthy tissue. The primary objective of this research is to develop a safe, accurate, not expensive, flexible, lightweight, and fully textile wearable microstrip patch antenna capable of operating efficiently within the UWB frequency range of 2–11.6 GHz, able to detect breast cancer and help treat it.The textile-based antenna design ensures user comfort and safety, allowing for portable, non-invasive medical applications. Obtaining such a wide bandwidth using textile materials is a major challenge. The integration of UWB microwave technology with textile-based antenna design provides a novel approach to addressing the limitations of conventional diagnostic and therapeutic methods. Given the limited size of the breast and the need for efficient tumor detection, a wearable antenna designed for this purpose must exhibit a wide bandwidth, compact dimensions, low specific absorption rate values, and high flexibility. Previous research on wearable UWB antennas has highlighted challenges related to these factors. To address these limitations, microstrip patch antennas were used. This study presents a new solution to biocompatibility issues through the use of a full-fabric-based antenna, breaking away from traditional approaches that typically use fabric as the substrate and metal as the conductor. The proposed antenna includes a denim substrate with a dielectric constant (∈r) of 1.7 and a thickness (h) of 0.7 mm. For the conductive patch and ground plane, a copper-nickel-silver-coated polyamide fabric, featuring a thickness of 0.11 mm, was used. The antenna was developed with dimensions of 31*31 mm2. The characteristics of a patch antenna depend largely on its dimensions. To work in a specific frequency range, the length and width must be calculated and chosen accurately. The research methodology includes the systematic design and simulation of the antenna structure using Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio as an advanced electromagnetic simulation tool. Essential design factors, including return loss, impedance matching, bandwidth, specific absorption rate (SAR), Voltage standing wave ratio (VSWR), and temperature distribution, are optimized to ensure the antenna performs for therapeutic and diagnostic purposes. Patch antennas mainly operate in a narrow bandwidth, but several methods can be used to increase the bandwidth. In this work, the bandwidth was increased by adding cutoffs in both the conductive patch and the ground layer, in addition to using a partial ground plane. The partial ground plane length was optimized using the Trust Region Framework algorithm to achieve the best return loss values in the desired frequency range. The UWB antenna's performance is validated through extensive simulations on breast tissue phantom models. Compared to several computerized breast models in previous research that reduced tumor shapes by assuming them to be spherical only, this research used more realistic models assuming different tumor shapes and sizes that might be encountered in real scenarios. The antenna was tested on four computerized breast models. The models varied and included a basic tumor-free model, two models containing spherical tumors with a diameter of 5 and 2 mm, in addition to a model containing two tumors, and a final model containing a cube-shaped tumor. These dimensions and shapes were varied and their position changed to evaluate the ability of the proposed antenna to identify tumors of different shapes, sizes, and locations. Simulation results show that the high-resolution imaging capabilities of the antenna allow for the detection of tumors as small as 5 and 2 millimeters, enhancing the chances of early intervention. And it demonstrates the antenna's ability to achieve accurate tumor localization. Simulation findings for a single antenna indicated that SAR values ranged from 0.397 to 1.64 which were less than 2 W/g (10 g SAR) and consistent with permissible limits for medical applications. The highest SAR values are precisely measured in tumor centers or their immediate vicinity, and that indicates the presence of a malignance tumor at that point. Throughout the frequency band used in all experiments, VSWR values remained consistently within the permissible range between 1 and 2. Antenna return losses for all models varied between -38 and -18.5 dB, depending on tumor size, shape, and location. To evaluate the flexibility of the antenna, it was subjected to a bending test. Results of the bendable design showed that the antenna fits complex breast shapes, providing consistent and accurate diagnostic results. The performance of the antenna was further assessed beyond its application as a wearable device by evaluating its functionality in a dynamic system. This involved positioning the antenna at 112 different locations above a breast phantom and processing the resulting signals using MATLAB to generate a two-dimensional (2D) image. The generated image demonstrated the capability of the proposed antenna to effectively detect tumors, even when employed in a dynamic imaging setup rather than a wearable configuration. This highlights the versatility and adaptability of the antenna for various imaging system applications. In addition, a 2x4 element antenna array was designed and tested to measure the ability of the proposed antenna to be integrated in array systems which is critical for both cancer imaging and hyperthermia. In addition to detection, the antenna is designed for breast microwave hyperthermia. The research solves important issues related to microwave hyperthermia, including ensuring uniform heat distribution, ensuring patient safety, and reducing hot spots. Antenna performance in hyperthermic applications was evaluated using CST MPHISICS STUDIO software. Simulation results demonstrated the antenna's ability to selectively raise the temperature of malignant cells to the therapeutic thermal range while being able to maintain the temperature of healthy tissues within an acceptable medical range. Beamforming techniques were utilized to adjust the phase of signals emitted from designated antennas, assuring optimal directionality of the electromagnetic wave towards the tumor, hence facilitating precise targeting of malignant cells, even when located deep into the breast. This work demonstrates the feasibility of textile-based UWB antennas to elevate the temperature of breast cancers to adequate therapeutic levels. Our antenna shows the ability to increase tumor temperatures up to 42.3℃,45.6℃,43.3℃, and 42.4℃ using different adjustments. The results of this study demonstrate that the proposed UWB textile-based microstrip patch antenna is a viable tool for early breast cancer detection and microwave hyperthermia treatment. Its dual application in diagnostic and therapeutic areas, coupled with its wearability, makes it a great addition to the field of biomedical engineering. This thesis develops the next generation of medical devices by integrating UWB technology with textile-based antenna design. Its results demonstrate the potential of wearable, flexible, versatile, and fully textile-based microwave antennas to transform breast cancer management.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    870482

    Malign plevral efüzyonlu hastalarda sağkalımı etkileyen faktörlerin incelenmesi

    Survival in patients with malignant pleural effusionexamination of the affecting factors

    İNCİ SELİMOĞLU KARATEKE

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Göğüs HastalıklarıSağlık Bakanlığı

    Göğüs Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AZİZ GÜMÜŞ

  2. Tez No

    486563

    Zeytin yaprağının önemli biyoaktif bileşeni oleuropeinin kapiler elektroforez yöntemiyle tayini

    Determination of the major bioactive component oleuropein in olive leaf by capillary electrophoresis

    MERVE KOPAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER

  3. Tez No

    743471

    Androctonus crassicauda akrep zehrinin antikanser özelliğinin incelenmesi

    Investigation of anticancer properties of androctonus crassicauda scorpion venom

    MURAT TİKEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyokimyaHarran Üniversitesi

    Tıbbi Biyokimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL KOYUNCU

  4. Tez No

    528395

    Antitumor effect of RGD peptide on cancer microtissues

    RGD peptidin kanser mikrodokuları üzerinde antitümör etkisi

    VELİ KAAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyolojiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OZAN KARAMAN

  5. Tez No

    945198

    U-net ve sam entegrasyonu ile meme mr görüntülerinde tümör segmentasyonu ve morfolojik işlemlerle takibi

    Breast mri tumor segmentation using U-net and sam integration with morphological tracking methods

    ALPTUĞ ŞEREF AYYILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN

Geri Dön