Geri Dön

Mikrodalga meme kanseri hipertermi düzeneği için antipodal vivaldi anten tasarımı

Antipodal vivaldi antenna design for microwave breast cancer hyperthermia applicator

  1. Tez No: 961883
  2. Yazar: NUR BANU AKA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  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: 119

Özet

Meme kanseri tedavisinde mikrodalga hipertermi, tek başına veya yardımcı bir tedavi yöntemi olarak uygulanan non-invaziv bir tedavi yöntemi olarak öne çıkmaktadır. Mikrodalga hipertermi sistemlerinin ana hedefi, elektromanyetik enerjiyi meme dokusunda odaklayarak veya homojen bir şekilde dağıtarak meme dokusunun sıcaklığının yükselmesini sağlamaktır. Bu hedef doğrultusunda, mikrodalga hipertermi sisteminin tasarımında en önemli parametreler; uygulama frekansı, anten uyarım (genlik-faz) parametreleri ve anten pozisyonu olarak sıralanabilir. Antenin geometrisi ise çalışma frekansı ve mikrodalga enerji yayılımı optimizasyonunda önemli rol oynamaktadır. Bu doğrultuda, mikrodalga meme hipertermi sistemlerinde kullanılmak üzere bir anten tasarımı yapılmış ve bu antenin hipertermi sistemi içerisindeki performansı bu çalışmada sunulmuştur. Meme kanseri kadınlar arasında en sık karşılaşılan kanser türüdür. Meme kanseri hastalığı için radyoterapi ve kemoterapi gibi tedavi yöntemleri mevcuttur. Tümörlü bölgenin alınması işleminden sonra radyoterapi tedavisine, kanserli hücrelerin bölgede var olmaya ya da artmaya devam etmesinin önüne geçmek amacıyla sıklıkla ihtiyaç duyulur. Kemoterapi ise kanserli hücrelerin çoğalmasının önüne geçmek amacıyla tedavi edici ilaçların ağız ya da damar yoluyla alınmasının sağlandığı tedavi yöntemidir. Kemoterapi bölgesel olmayıp bütünsel şekilde etki eden bir tedavi yöntemi olması dolayısıyla hasta üzerinde tümörlü bölge haricindeki sağlıklı dokular üzerinde de bir tahribat oluşturmaktadır. Kemoterapi tedavisi gören hastalarda saç dökülmesi, mide rahatsızlıkları, bağışıklık sistemlerinde zayıflama gibi yan etkilerin oluşmasının sebebi kemoterapi sürecinin tüm vücuda etki etmesidir. Hipertermi tedavisi kemoterapi ve radyoterapi gibi kanser önleyici ya da giderici tedavi süreçlerine yardımcı bir tedavi protokolü oluşturmayı ve oluşan yan etkileri en aza indirmeyi amaçlar. Hipertermi tedavisi tümörlü dokuda yaklaşık 6-7°C sıcaklık artışı meydana getirme işlemidir. Burada önemli olan bu sıcaklık artışının yalnızca tümörlü dokuda gerçekleşmesini sağlamak ve tümörlü bölge çevresindeki sağlıklı dokularda sıcaklık artışını en az seviyede tutmaktır. Bu işlem ile kemoterapi ve/veya radyoterapiye etki şu şekilde gerçekleşir: Sıcaklık artışı meydana gelmesi hücrelerin porlarının genişlemesine ve böylece kemoterapi tedavisinde kullanılan tedavi edici ajanların hücrelere daha fazla nüfuz etmesine olanak tanır. Hipertermi tedavisinin olumlu etki oluşturmasının bir diğer sebebi de vücut homeostazisidir. Kalp, sıcaklık artışı meydana gelen bölgeye daha fazla kan pompalar. Kemoterapi ile hasta vücuduna verilen tedavi edici ilaçlar kan yoluyla taşındığından ısınan bölgeye daha fazla pompalanan kan ile daha fazla kemoterapi ajanı gönderilir. Dolayısıyla tümörlü bölgede kanser tedavi yöntemlerinin işlevselliği artırılmış olur. Hipertermi etkisi oluşturmak için mikrodalga enerjisi kullanılmaktadır. Mikrodalga enerjisi iyonlaştırıcı olmayan elektromanyetik enerji olduğundan hasta üzerinde radyasyona bağlı olumsuz bir etki oluşturmaz, uygulanan mikrodalga enerjisi ile sadece sıcaklık artımı meydana gelir. Mikrodalga hipertermi tedavisinde amaç tümörlü hücrelerde tahribat meydana getirmek değildir. Elektromanyetik enerji uygulayarak tümörlü dokuda tahribat meydana getirilmesi işlemi ablasyon olarak ifade edilir. Mikrodalga hipertermi tedavisinde tümörlü doku 40-43°C seviyesine çıkarılırken ablasyon tedavisinde sıcaklık 45°C seviyesine çıkartılır. Hipertermi Tedavi Planlaması şu şekildedir: İlk olarak doktor tarafından hastaya meme kanseri tanısı konmuş olmalı ve hastanın hipertermi tedavisi görmesine engel bir durum olmaması gerekmektedir. Tümörlü bölgenin uygun görüntüleme sistemiyle detaylı görüntüsü alınır ve tümörlü organın doku segmentasyonu sağlanır. Ardından dielektrik ve termal özellikler dokulara uygun şekilde atanır. CST simülasyon programında uygun anten yapılandırması ile simülasyonlar yapılır ve meme fantomu üzerindeki elektrik alan sonuçları programdan dışa aktarılır. Bir sonraki aşamada faz ve genlik optimizasyonu gerekmektedir. Parçacık Sürü Optimizasyonu kullanılarak uygun faz ve genlik değerleri belirlenir. Bu faz ve genlik değerleri elektromanyetik enerjinin tümörlü bölgeye odaklanması amacıyla yapılır. En uygun faz ve genlik değerleri ile meme üzerindeki SAR ve sıcaklık sonuçları incelenir. Mikrodalga Hipertermi (MH) tedavisi için tasarlanan MH aplikatörü mikrodalga sinyalinin meme organı içerisinde tümörlü bölgeye odaklanmış şekilde gönderilmesini amaçlar. MH aplikatöründe; mikrodalga enerjisi üreten bir sinyal jeneratörü, sinyal yükselteçleri, faz kaydırıcı, koaksiyel kablolar ve elektromanyetik ışıma sağlayan antenler bulunmaktadır. Antenler ışıma yapmaya ya da ısınan sinyali almaya yarayan cihazlardır. Endüstriyel alanlarda, medikal tedavi ya da görüntüleme sistemlerinde, askeri alanlarda, uydu haberleşme sistemlerinde, telekomünikasyon sistemlerinde, deprem tespit ve yeraltı kaynak sistemlerinde vb. kullanılmaktadır. Kullanılacakları sisteme göre yüzeysel ya da konik şekilli olabilirler. Vivaldi antenler, yüzeysel antenlerden bir tanesidir. Vivaldi antenler bir substrat plaka üzerine iletken materyal entegre edilmesiyle tasarlanır. Vivaldi antenlerin avantajları arasında ultra geniş bantlı olarak ışıma yapabilmeleri, yüksek kazanç ve yönlülük sağlamaları, şekillerinin yüzeysel olması dolayısıyla yerden tasarruf sağlamaları, üretimlerinin kolaylığı ve kullanılan malzemelerin kolay ve düşük maliyetle temin edilebilir olması sayılabilir. Antipodal Vivaldi Anten (AVA) tasarımı substratın her iki yönüne de simetrik şekilde iletken materyal entegre edilmesiyle olur. Bu çalışmada substrat olarak 4,3 dielektrik sabiti ve 0,02 kayıp tanjantına sahip olan FR-4 kullanılmıştır. Kullanılan substratın kalınlığı 1,6 mm'dir. FR-4 malzemesinin ön ve arka yüzeyine bakır yüzey eklenir. Bakır yüksek iletkenlik verimliliği ve dayanıklılık konusunda avantaj sunar. Bakırın iletkenlik sabiti (σ) 5.8 × 10⁷ S/m'dir. Kalınlığı 0,035 mm olacak şekilde tasarlanmıştır. Antipodal Vivaldi anten tasarımı CST benzetim programında yapılmıştır. Memenin dielektrik ve termal özellikleri Wisconsin Üniversitesi Fantom Arşivi'nden alınmıştır ve CST programında tasarlanan meme modeline aktarılmıştır. Bu tez için meme modeli yalnızca yağ doku olacak şekilde oluşturulmuştur. Ayrıca deneylerde kullanılmak üzere memenin dielektrik özelliklerine sahip bir meme fantomu üretilmiş, bu meme fantomunun dielektrik ölçümü yapılmış ve elde edilen parametreler CST programında tasarlanan meme modeline aktarılmıştır. Meme ve antenlerin meme etrafına farklı yapılandırmalar ile yerleştirildiği hipertermi tasarımları benzetim programında test edilmiştir. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği'nin yayınladığı ISM bandı frekanslarından 2450 MHz frekansında ışıma yapabilen bir anten tasarımı üzerinde durulmuştur. AVA geniş frekans bandında çalışabilme avantajı sunan bir anten olduğundan öncelikli olarak 2450 MHz frekansında çalışan, aynı zamanda geniş bant bir ışıma frekans bandı sunan tasarım amaçlanmıştır. Diğer bir önemli parametre de antenin kazancıdır. Yüksek verimle ışıma yapan bir tasarım üzerinde durulmuştur. Bu çalışmada meydana gelen zorluk ise antenin boyutları ile ilgilidir. Çünkü tasarımsal olarak antenler meme fantomu etrafına doğrusal ya da dairesel yapılandırmalarla dizilerek fantom üzerinde biriken elektrik alan dağılımına bakılmıştır. Bu durumda antenlerin meme boyutundan daha büyük boyutta olması çözülmesi gereken bir tasarım sorunudur. Hava ortamında 2,4 GHz frekans seviyelerinde çalışabilen bir Vivaldi anteninin boyutlarının ortalama 16 cm × 16 cm civarında olması beklenir. Ancak bu boyutlarda bir anteni meme organı etrafında dairesel olarak konumlandırmak fiziksel anlamda pek mümkün değildir. Tasarlanan AVA bazı optimizasyon işlemlerine tabi tutulmuştur. Bunlar; ilk tasarlanan Vivaldi anten eğrilerinin boyutlarının değiştirilmesi, bakır ön ve arka plakalara yarıklar açılması, anteni bir Alumina kap içerisine yerleştirmek, anten ile fantom arasındaki mesafeyi değiştirmek ve antenlerin dizilimini değiştirmek olarak sıralanabilir. Tüm işlemler sonucunda AVA boyutları 100,3 mm × 58 mm olacak şekilde yeniden tasarlanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde 2,27–2,9 GHz frekans bandında ışıma yapan, en iyi ışıma yaptığı frekans değeri ISM bandı değerlerinden 2450 MHz frekansıyla yakın bir şekilde 2430 MHz olan bir Antipodal Vivaldi Anten tasarlanmıştır. Ardından 8 adet AVA'dan oluşan bir anten dizisi tasarlanıp fat fantomu etrafına dizilerek bir MH aplikatörü oluşturulmuştur. Antenlerin birbirine etkisini azaltmak için dairesel polarizasyon yerine lineer polarizasyon sunan bir anten tasarımı üzerinde durulmuştur. Literatürdeki hipertermi sistemleri için kullanılan anten çalışmalarına Vivaldi anten ile tasarlanmış hipertermi aplikatörü tasarlanarak yeni bir yaklaşım sunulması amaçlanmıştır.

Özet (Çeviri)

This thesis is a study on hyperthermia therapy, which is used as an adjunctive method in the treatment of breast cancer. A hyperthermia applicator is designed for breast cancer treatment using microwave energy. The main objective of this thesis is to design an Antipodal Vivaldi Antenna to be used in the aforementioned hyperthermia applicator. Thousands of women lose their lives to breast cancer every year. Breast cancer is the most frequently encountered type of cancer among women. The negative physical and psychological effects of cancer on individuals are increasingly felt with each passing year. While there are treatment options for breast cancer, such as radiotherapy and chemotherapy, which do not require surgical intervention in the body, depending on the stage of the disease, surgical procedures involving the removal of the tumor region or the entire organ may also be necessary. After the removal of the tumor region, radiotherapy treatment is often required to prevent cancerous cells from persisting or proliferating in the area. Chemotherapy, on the other hand, is a treatment method that involves administering therapeutic drugs either orally or intravenously to prevent the proliferation of cancer cells. Since chemotherapy is not a localized treatment but rather affects the entire body, it also causes damage to healthy tissues beyond the tumor region. This situation reflects the side effects of chemotherapy treatment. In patients undergoing chemotherapy, side effects such as hair loss, severe gastrointestinal discomfort, and weakened immune systems occur because the chemotherapy process affects the entire body. Hyperthermia therapy aims to create a treatment protocol that supports cancer-preventive or cancer-curative processes such as chemotherapy and radiotherapy, while also minimizing the side effects that arise from these treatments. Hyperthermia therapy involves increasing the temperature of tumor tissue by approximately 6–7°C. It is crucial to ensure that this temperature rise occurs only in the tumor tissue and to keep the temperature increase in the surrounding healthy tissues at the lowest possible level. This process enhances the effectiveness of chemotherapy and/or radiotherapy as follows: the increase in temperature causes the pores of the cells to widen, thereby allowing the therapeutic agents used in chemotherapy to penetrate the cells more effectively. Another reason for the beneficial effects of hyperthermia therapy is the body's homeostasis. The heart pumps more blood to the area where the temperature is elevated. Since the therapeutic drugs administered during chemotherapy are transported through the bloodstream, the increased blood flow to the heated region carries more chemotherapy agents to the target site. As a result, the functionality of cancer treatment methods in the tumor region is enhanced. Microwave energy is used to create the hyperthermia effect. Since microwave energy is non-ionizing electromagnetic energy, it does not cause radiation-related negative effects on the patient; instead, it only induces a temperature increase. In microwave hyperthermia therapy, the aim is not to create damage in the tumor cells. The process of creating tissue damage in the tumor region through the application of electromagnetic energy is referred to as ablation. While in microwave hyperthermia therapy the tumor tissue is raised to a temperature range of 40–43°C, in ablation therapy the temperature is raised to approximately 45°C. The planning of hyperthermia therapy is as follows: First, the patient must be diagnosed with breast cancer by a physician, and there must be no contraindications to undergoing hyperthermia therapy. A detailed image of the tumor region is then obtained using an appropriate imaging system, and tissue segmentation of the affected organ is performed. Subsequently, the dielectric and thermal properties are assigned to the tissues accordingly. Simulations are conducted using the appropriate antenna configuration in the CST simulation program, and the electric field results on the breast phantom are exported from the program. In the next stage, phase and amplitude optimization is required. Using Particle Swarm Optimization, appropriate phase and amplitude values are determined. These phase and amplitude values are calculated to ensure that the electromagnetic energy is focused on the tumor region. The SAR and temperature results on the breast are then examined using the most suitable phase and amplitude values. A hyperthermia applicator is designed for microwave hyperthermia treatment. The MH applicator aims to deliver the microwave signal in a focused manner to the tumor region within the breast. The MH applicator consists of a signal generator that produces microwave energy, signal amplifiers, a phase shifter, coaxial cables, and antennas that provide electromagnetic radiation. The signal generator is a device that generates an electromagnetic signal by adjusting the amplitude and frequency. The amplifiers increase the amplitudes of the generated signals. In the MH applicator, signals with different phases and amplitudes are sent from different antennas to ensure the focusing of the signal on the desired location. These phase and amplitude variations are achieved using a phase shifter device. Coaxial cables are calibrated devices that provide the connections between all these components and carry the signal, ensuring compatibility with the antennas and other devices. The antennas, are the devices that enable the wireless transmission of the generated, amplified, and carried signal. The signal is transmitted to the breast through the antennas in the MH applicator. Antennas are devices used for radiating or receiving electromagnetic signals. They are one of the fundamental components of wireless communication. Antennas are classified according to their application, shape, and size. They are used in various fields such as industrial applications, medical treatment or imaging systems, military domains, satellite communication systems, telecommunication systems, earthquake detection and underground resource exploration systems, among others. Antennas can vary in size from millimeter-scale structures to ones as large as an apartment building, depending on their area of use. They can be designed with planar or conical shapes to suit the intended system. Vivaldi antennas are a type of planar antenna. Vivaldi antennas are among the preferred antennas for many modern systems. They are designed by integrating conductive material onto a substrate plate. The advantages of Vivaldi antennas include their ability to radiate in an ultra-wideband spectrum, their provision of high gain and directivity, their planar shape which allows for space savings and easier integration into various systems, their ease of fabrication, and the availability and low cost of the materials used in their construction. The design of antipodal Vivaldi antennas involves symmetrically integrating conductive material on both sides of the substrate. In this study, FR-4 with a dielectric constant of 4.3 and a loss tangent of 0.02 was used as the substrate. The substrate has a thickness of 1.6 mm. FR-4 is a material commonly used in many electronic circuit designs, including RF circuits, and is produced by adding glass fiber to an epoxy resin material, making it readily available and easy to obtain. Copper layers are added to the front and back surfaces of the FR-4 material. Copper offers advantages in terms of high conductivity and durability. The conductivity constant (σ) of copper is 5.8 × 10⁷ S/m. The copper layer was designed with a thickness of 0.035 mm. One of the important details in antenna design is how the connection between the antenna and the coaxial cable is established. Poor impedance matching between the antenna and the transmission line increases the magnitude of reflected waves, which is an undesirable situation. An SMA connector is used to connect the antenna to the feed line. Connectors can either be soldered or screwed. In this study, a screwed SMA connector was used. The design of an antenna capable of radiating at 2450 MHz, one of the frequencies defined within the ISM band by the International Telecommunication Union, has been emphasized. Since the AVA (Antipodal Vivaldi Antenna) offers the advantage of operating over a wide frequency band, the primary goal was to design an antenna that operates at 2450 MHz while also providing a broadband radiation frequency range. Another important parameter is the gain of the antenna. The focus was placed on a design that can radiate with high efficiency. One of the major challenges in this study was related to the antenna dimensions. From a design perspective, antennas were arranged around the breast phantom in linear or circular configurations, and the resulting electric field distribution on the phantom was analyzed. In this case, the fact that the antennas are larger than the size of the breast represents a design problem that must be addressed. A Vivaldi antenna that operates around 2.4 GHz in air is expected to have average dimensions of approximately 16 cm × 16 cm. However, positioning such large antennas circularly around the breast organ is physically impractical. The designed AVA was subjected to several optimization processes. These include: modifying the dimensions of the initially designed Vivaldi antenna flares, introducing slots in the copper front and back plates, placing the antenna inside an alumina housing, adjusting the distance between the antenna and the phantom, and reconfiguring the arrangement of the antennas. As a result of all optimization steps, the AVA was redesigned with dimensions of 100.3 mm × 58 mm. Upon examining the results, an Antipodal Vivaldi Antenna was designed that radiates within the 2.27–2.9 GHz frequency band, with its best radiation performance observed at 2430 MHz, which is very close to the 2450 MHz ISM band frequency. Subsequently, an antenna array consisting of 8 AVAs was designed and arranged around a breast phantom to form a microwave hyperthermia (MH) applicator. To minimize mutual coupling between antennas, the design focused on linear polarization rather than circular polarization. By designing a hyperthermia applicator using Vivaldi antennas, this study aims to propose a novel approach compared to existing antenna configurations used in hyperthermia systems reported in the literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    966852

    Optimizations for focusing microwave energy to improvehyperthermia effectiveness in breast cancer treatment

    Meme kanseri tedavisinde hipertermi etkinliğini artırmak için mikrodalga enerjisinin odaklanmasına yönelik optimizasyonlar

    BURAK ACAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ YAPAR

    DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  2. Tez No

    574483

    Mikrodalga ablasyon sisteminde NiTi malzeme tabanlı biyoımplant anten tasarımı ve uygulamaları

    Design and applications of NiTi material based bioimplant antenna in microwave ablation system

    AHMET RİFAT GÖRGÜN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    BiyomühendislikSüleyman Demirel Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELÇUK ÇÖMLEKÇİ

    PROF. DR. ADNAN KAYA

  3. Tez No

    884656

    A roadmap for breast cancer microwave hyperthermia treatment planning and experimental systems

    Meme kanseri mikrodalga hipertermisinde tedavi planlama ve deneysel sistemler için bir yol haritası

    MELTEM DUYGU ŞAFAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ

  4. Tez No

    725335

    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

    İngilizce

    2022

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  5. Tez No

    828258

    A novel antenna configuration for microwave hyperthermia

    Mikrodalga hipertermi için yeni bir anten yapılanması

    GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN

    DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

Geri Dön