Modeling of electromagnetic interaction in human tissues an local temperature increase for cancer treatment and development of a hyperthermia applicator

Abstract

Bir kanser tedavi yöntemi olarak hipertermi, insan vücudunun yüksek ısıya maruz bırakılarak kanser hücrelerinin yok edilmesidir. Bu tedavinin amacı, tümördeki sıcaklığı tedavi edici seviyelere kadar yükselterek hücre ölümünü meydana getirmektir. Bu kriterleri sağlamak için dar hüzmeli döngüsel spiral anten sunulmuştur.Bu tezin amacı, kanser tedavisinde geleneksel tedavi yöntemlerin dışında alternatif bir yöntem olan hipertermi yöntemini uygulayabilecek bir sistemin geliştirilmesidir. RF bir düzenek içerisinde kanserli bölgenin harici elektromanyetik alana maruz bırakılarak ısıtılması istenmektedir. Bu yöntemde amaç kanserli dokuyu 60 dakika veya daha uzun süreli elektromanyetik alana maruz bırakarak burdaki sıcaklığın 42-44 o C sıcaklık değerlerine yükseltmektir. Bölgesel hipertermi uygulanırken sağlıklı dokuların zarar görmemesi için ısı artışı çevredeki sağlıklı dokularda minimize edilmelidir. Bu hedef doğrultusunda gögüs kanseri tedavisinde kullanılabilecek bir hipertermi aplikatörü geliştirildi. Aplikatör 434 MHz'de çalışan 24 adet yönlü Arşimet spiral antenlerin yarım küre şeklinde dizininden oluşmaktadır. Tüm antenler tek tek merkezi bir noktaya yönlendirilmiş ve fazları kontrol edilerek yönlendirilen bölgede odaklanma hedeflenmiştir. Ölçümler tamamen saf suya gömülü olan aplikatöre doku taklit malzemeleri daldırılarak yapılmıştır. Odaklanmış elektromanyetik alana maruz bırakılan doku taklit malzemelerindeki sıcaklık değişimi zamana göre gözlemlenmiştir. Ölçüm ve simülasyon sonuçları aplikatörün çok küçük bölgelere üç boyutlu olarak odaklanabilme kapasitesine sahip olduğunu doğrulamaktadır.

Hyperthermia is a type of cancer treatment in which body tissue is exposed to high temperatures to damage and kill cancer cells. The objective of this treatment is to raise the temperature in tumor up to such a therapeutic level that cell death occurs. To meet with the above stated challenge, narrow band spiral antenna array is presented.The aim of this thesis is to develop a system to be used for cancer treatment as an alternative method for the conventional treatment methods. In an RF setup the cancerous region will be exposed to external electromagnetic fields. In that way the aim is to increase the temperature in cancerous tissues between 42-44 o C by exposing up to 60 minutes or more. When applying the regional hyperthermia the temperature has to be limited in surrounding healthy tissues. To that end a hyperthermia applicator has been designed for breast cancer treatment. The applicator consists of 24 directive Archimedean spiral antennas at 434 MHz in a hemispherical arrangement. All individual antennas are focused towards a target region and its phases are adapted to focus all the fields at the targeted region. The measurements are performed by submerging the in-house developed tissue mimicking materials inside the applicator which completely stand inside distilled water. By exposing the tissue mimicking materials to focused waves the temperature distribution with respect to time is observed. Both measurements and simulation results verify the capability of the applicator to focus a very small region in three dimensions.