Optimizations for focusing microwave energy to improvehyperthermia effectiveness in breast cancer treatment
Meme kanseri tedavisinde hipertermi etkinliğini artırmak için mikrodalga enerjisinin odaklanmasına yönelik optimizasyonlar
- Tez No: 966852
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ YAPAR, DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Onkoloji, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering, Oncology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 105
Özet
Bu tezin temel amacı, meme kanseri tedavisinde kullanılan hipertermi yönteminin etkinliğini artırmak amacıyla mikrodalga enerjisinin kötü huylu meme tümörlerine etkili ve güvenli şekilde odaklanmasını sağlamaktır. Bu süreçte hedeflenen, tümör içindeki sıcaklığı terapötik sıcaklık olan 42°C seviyesine çıkarmak, fakat bu işlemi çevre sağlıklı dokulara zarar vermeden gerçekleştirmektir. Hipertermi tedavisi, kanser hücrelerini doğrudan yok etmek amacıyla tümörü koagüle etmek veya kemoterapi gibi tedavilerin etkinliğini artırmak üzere lokal tümör sıcaklığını yükseltmek amacıyla kullanılmaktadır. Mikrodalga hipertermi tedavisinde karşılaşılan en önemli zorluklardan biri, elektromanyetik enerjinin sadece tümör dokusuna odaklanmasının sağlanması ve çevre sağlıklı dokuların korunmasıdır. Bu enerjinin yanlış yönlendirilmesi sonucunda sağlıklı dokularda istenmeyen sıcak noktalar (hotspot) oluşabilir ve ciddi hasarlar ortaya çıkabilir. Bu çalışmada, antenlerin faz ve genlik parametrelerinin hassas bir şekilde optimize edilmesiyle, mikrodalga enerjisinin yalnızca tümör bölgesinde birikimi sağlanmıştır. Bu optimizasyon süreci iki aşamalı gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, anten sadece fazlarının ayarlanması ile tümör üzerine maksimum güç birikimi hedeflenmiştir. İkinci aşamada ise hem anten fazları hem de anten genlikleri optimize edilerek, tümörün sıcaklığı hassas biçimde terapötik seviye olan 42°C'ye yükseltilmiştir. Tez kapsamında kullanılan yöntemlerden ilkinde, mikrodalga güç odaklamasını daha doğru ve verimli kılmak amacıyla matematiksel olarak detaylandırılmıştır. Mikrodalga güç dağılımının saçılma problemi, öncelikle basitleştirilmiş silindirik meme modelleri üzerinde silindirik harmonikler kullanılarak analitik yöntemler ile çözülmüştür. Bu yaklaşım, hesaplama karmaşıklığını önemli ölçüde azaltmakta ve güç dağılımını açık ve net bir şekilde ifade eden matematiksel formüller sunmaktadır. Ayrıca farklı meme yapıları için genel bir geçerlilik sağlamak amacıyla, sağlıklı meme dokusunun dielektrik özellikleri, dijital meme fantomlarının piksel verilerinden hesaplanarak elde edilmiştir. Hipertermi optimizasyon problemi, tümörün merkez noktasındaki toplam elektrik alanı maksimum hale getirecek şekilde matematiksel bir optimizasyon problemi olarak tanımlanmıştır. Bu işlemde, anten fazlarına dayanan kompleks vektör toplamları kullanılmakta, bir anten fazı referans alınarak diğer antenlerin fazları buna göre ayarlanmaktadır. Tezde önerilen yöntemin etkinliği, gerçekçi dijital meme fantomları etrafına yerleştirilen sekiz TMz polarize çizgisel kaynaktan oluşan dairesel aplikatör düzeneği ile test edilmiştir. Yapılan çok sayıda farklı senaryo testi sonucunda, yöntem yüksek doğruluk ve tutarlılık göstermiştir. Özellikle elde edilen maksimum terapötik sıcaklık, tümörün merkezinden sadece 1,3 mm gibi çok küçük bir sapma ile sağlanabilmiştir. Bu çalışma, meme dokusunu silindirik bir ortam olarak modelleyerek, mikrodalga alan dağılımını analitik bir çözüm yaklaşımıyla elde eden hızlı ve etkili bir faz optimizasyon yöntemi sunmaktadır. Alan dağılımı silindirik harmoniklerle ifade edildiğinde, kaynak fazlarının basit bir vektör optimizasyonu ile hedef noktada maksimum alan gücü elde edilmektedir. Elde edilen fazların, tümör ve çevresindeki meme dokusu arasındaki dielektrik ve termal özellik farklarının belirgin olduğu durumlarda da etkili çalıştığı gözlemlenmiştir. Tümör fibroglandüler dokuda yer aldığında, en uzak üç antenin kapatılması ile sıcaklık odağındaki kayma önemli ölçüde azaltılmıştır. Bu teknik, anten fazlarının hızlı optimizasyonu açısından umut verici sonuçlar ortaya koymaktadır. Bilindiği üzere insan memesi karmaşık ve heterojen bir yapıya sahiptir. Bu nedenle gerçek bir memede tümörün elektromanyetik ve termal parametreleri, çevresindeki glandüler dokunun parametreleriyle büyük ölçüde örtüşür. Sadece ortamın homojenleştirilmesi yoluyla odaklama yapmak önemli kısıtlamalar getirir. Bu sebeple faz odaklama tekniği, Moment Methodu (MoM) kullanılarak heterojen yapılara uyarlanmıştır. Bu optimizasyon yöntemi daha sonra bir genlik optimizasyonu ile birleştirilmiştir. İki adet yoğun(dense) yapılı meme fantomları kullanılarak kapsamlı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda elektrik alan dağılımı, güç yoğunluğu dağılımı ve sıcaklık dağılımı detaylı olarak incelenmiştir. Hesaplamalar, elektrik alan analizleri için Moment Methodu (MoM), sıcaklık dağılımı analizleri içinse Bilgisayar Simülasyon Teknolojisi (CST) yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Mikrodalga tedavisinde önemli bir parametre olan Özgül Emilim Oranı (SAR), farklı optimizasyon yöntemleri altında her meme fantomu için detaylı olarak değerlendirilmiştir. Kombine faz-genlik optimizasyonu, istenmeyen sıcak noktaların oluşumunu azaltarak tedavi etkinliğini önemli ölçüde artırmıştır. Bu optimizasyonun başarısı TC75, T90 ve T50 gibi çeşitli termal indekslerle değerlendirilmiş ve sonuçlar literatürdeki diğer yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Özellikle T50 değeri açısından, mevcut yöntemlere göre daha tutarlı ve yüksek terapötik başarı elde edilmiştir. Ayrıca bu çalışma, mikrodalga enerjisini meme dokusu içerisinde odaklamak için faz ve genlik optimizasyonu olmak üzere iki adımda gerçekleştirilen bir yöntem önermektedir. Elektrik alan hesaplamaları Moment Methodu (MoM) ve Zaman Domeninde Sonlu Farklar (FDTD) yöntemleri ile yapılmıştır. Bu iki teknik, iki gerçekçi meme modeli üzerinde sayısal olarak test edilmiştir ve her bir fantom ve optimizasyon süreci için termal indeksler hesaplanmıştır. Sonuçlar, 40°C'yi aşan T90 ve 42°C'nin üzerinde T50 değerleri ile etkili odaklamanın sağlandığını göstermektedir. Çalışmada 2D bir aplikatör kullanmasına rağmen, 3D uygulamalar için güçlü bir temel oluşturmaktadır. Çıkan sonuçlardan da anlaşılacağı üzere, meme fantomu içerisindeki alan doğru bir şekilde hesaplandığında alan hesaplama yönteminin optimizasyon aşamasında kayda değer bir etki oluşturmamaktadır. Son aşamada deneysel doğrulama testleri de gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler için, meme dokusunu gerçekçi bir şekilde taklit eden fantomlar ve 11 dipol anten içeren özel bir mikrodalga aplikatörü kullanılmıştır. Toplamda dört farklı deney yapılmıştır: tümörlü ve tümörsüz fantomlarda yalnızca faz optimizasyonu ve kombine faz-genlik optimizasyonu test edilmiştir. Deney sonuçları, teorik modelleme ve simülasyon sonuçları ile uyum göstermiş, her iki optimizasyon yönteminin de gerçekçi koşullarda başarılı bir şekilde uygulanabileceğini kanıtlamıştır. Sonuç olarak bu tez çalışması, meme kanseri hipertermi tedavisine yönelik önemli bir bilimsel ve pratik katkı sunmaktadır. Tezin temel yeniliği, sağlıklı dokulara zarar vermeden terapötik sıcaklığın tümör bölgesinde hassas ve etkili bir şekilde sağlanmasını kolaylaştıran matematiksel olarak açık ve net ifade edilen optimizasyon algoritmasının geliştirilmesidir. Gerçekçi dijital ve deneysel meme fantomlarında doğrulanan yöntem, klinik uygulamalara yönelik güçlü bir potansiyele sahiptir. Gelecekteki çalışmalar, bu optimizasyon yöntemlerinin üç boyutlu modellere genişletilmesi ile tedavinin klinik etkinliğini daha da artırmayı ve meme kanseri hastaları için yaygın bir şekilde faydalı hale getirmeyi hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
The primary objective of this thesis is to improve the efficacy of hyperthermia treatment for breast cancer by precisely and safely focusing microwave energy on malignant breast tumors. Specifically, the goal is to raise the tumor temperature to the therapeutic threshold of 42 °C while avoiding thermal damage to the surrounding healthy tissues. Hyperthermia serves either to directly ablate cancerous cells through coagulation or to potentiate other treatments—such as chemotherapy—by elevating the local tumor temperature. A central challenge in microwave hyperthermia lies in confining electromagnetic energy exclusively to the tumor volume without generating unwanted“hot spots”in adjacent normal tissues. Misdirected energy deposition can result in significant collateral damage. To address this, the thesis develops a two‑stage optimization framework in which the antenna phase and amplitude settings are successively refined. In the first stage, only the phases of a set of dipole antennas are tuned to maximize power accumulation at the tumor site. In the second stage, both phases and amplitudes are jointly optimized to ensure the tumor temperature reaches exactly 42 °C with high precision. The foundation of the first optimization method is a rigorous analytical treatment of the microwave scattering problem. Breast tissue is modeled as concentric cylindrical layers, and cylindrical harmonic expansions are employed to derive closed‑form expressions for the electric field distribution. This analytical approach dramatically reduces computational cost and yields explicit formulas for the field as a function of antenna phase shifts. To generalize across different breast anatomies, the dielectric properties of healthy tissue are determined by averaging pixel‑wise permittivity and conductivity values extracted from realistic digital breast phantoms. Formally, the hyperthermia optimization task is cast as maximizing the magnitude of the total electric field at the tumor's center. Antenna phase settings are represented as complex unit vectors, and the optimization reduces to a vector summation problem in the complex plane. One antenna's phase is fixed as a reference, and all others are adjusted to align their individual field contributions constructively at the focus. Validation of this phase‑only scheme is performed using a circular applicator array of eight TMz‑polarized linear sources arranged around digital breast phantoms. In multiple simulated scenarios spanning fatty and dense breast models, the phase optimization delivers the desired focal heating within just 1.3 mm of the planned target, demonstrating excellent accuracy and robustness. As is well known, the human breast is a complex, inhomogeneous structure. Consequently, within a real breast, the electromagnetic and thermal parameters of a tumor closely resemble those of the surrounding glandular tissue. For this reason, simply homogenizing the medium imposes significant limitations on focusing. Therefore, the phase-focusing technique has been extended to inhomogeneous structures using the Method of Moments. This optimization stage is incorporated with amplitude modulation. Here, both the complex phase and the magnitude of each antenna's excitation are tuned to achieve the target temperature profile. Numerical simulations are carried out at 4 GHz using two representative breast phantoms that are predominantly glandular. Electromagnetic field distributions are computed via the Method of Moments (MoM), and resulting temperature profiles are computed with finite‐difference thermal solvers. Key performance metrics, such as Specific Absorption Rate (SAR) and thermal indices (TC75, T90, T50), confirm that combined phase‑amplitude optimization significantly reduces off‑target heating and raises the consistency of therapeutic temperature coverage above 42 °C. Although these methods were initially tested in two‑dimensional cross‑sectional models, they establish a solid mathematical and computational foundation for three‑dimensional extension. Comparative studies also show that once the field distribution is accurately computed, differences between MoM and Finite Difference Time Domain (FDTD) solvers have minimal impact on the final optimization results, simplifying future implementations. To verify practical feasibility, experimental validation was performed on tissue‑mimicking phantoms using a custom microwave applicator equipped with eleven dipole antennas. Four separate phantom experiments—tumor‑bearing and tumor‑free, each under phase‑only and combined phase‑amplitude optimization—demonstrated a close match between measured temperature rises and theoretical predictions. These results confirm that both optimization schemes can be successfully deployed in realistic hardware setups. In conclusion, this thesis introduces a mathematically transparent and computationally efficient algorithm for microwave hyperthermia that achieves precise thermal focusing on breast tumors while safeguarding healthy tissue. The two‑stage optimization framework—first phase, then amplitude—has been validated across analytical, numerical, and experimental platforms, showcasing its potential for clinical translation. Future work will extend these techniques to fully three‑dimensional patient‑specific models, incorporate real‑time thermal feedback control, and address regulatory and workflow integration to bring precise microwave hyperthermia into routine oncological practice.
Benzer Tezler
- A novel antenna configuration for microwave hyperthermia
Mikrodalga hipertermi için yeni bir anten yapılanması
GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Mikrodalga meme kanseri hipertermi düzeneği için antipodal vivaldi anten tasarımı
Antipodal vivaldi antenna design for microwave breast cancer hyperthermia applicator
NUR BANU AKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- 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
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ
- Directional wide band printed monopole antenna for use in microwave breast cancer imaging
Mikrodalga meme kanseri görüntüleme kullanımı için geniş bantlı yönlü mikroşerit anten
JAVAD JANGİ GOLEZANİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
İletişim Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiHaberleşme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Polisilisyum tabaka üzerine fotolitografi yöntemi 0,3 mikron şekillendirme prosesinin optimizasyonu
Optimization of 0,3 µm photolithography process parameters over polysilicon layer
ZELİHA ÖZDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL