Modeling of electromagnetic behavior and local temperature increase in human

Abstract

Maxwell denklemlerinin Zaman Uzayında Sonlu Farklar (FDTD) Metodu kullanılarak modellenmesinde, bilgisayar teknolojisinde ve bilgisayarlı tomografi uygulamalarında meydana gelen gelişmelerle birlikte ısı dağılımı yönteminde, sıcaklığın görüntülenebilmesinde ve sıcaklık dozunun ölçülebilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir. Bu gelişmeler ile ortaya çıkmış bir uygulama da kanser tedavisinde elektromanyetik hipertermi yöntemidir.Elektromanyetik hiperterminin amacı, sağlıklı hücreler etrafında 42ºC dereceyi geçmeden, tümörlü bölgede ya da kanserli hücrelerde mümkün olan en yüksek sıcaklığın elde edilerek bu hücrelerin yok edilmesidir. Birçok çalışma yüksek sıcaklıklarda kanserli hücrelerin yok edilebildiğini göstermektedir. Tümör veya kanserli hücrelerde sıcaklık artışı, bu bölgelerde elektromanyetik alan oluşturularak sağlanmaktadır. Bu tezde, elektromanyetik gücün depolanması FDTD ile Maxwell denklemlerinin çözülmesiyle gözlemlenmiştir. Ayrıca termal sıcaklık oluşumu Sonlu Farklar (finite difference) yöntemi ile Penn's bio-ısı transferi denkleminin çözülmesiyle incelenmiştir. Hipertermi tedavisi sırasında oluşan iki boyutlu (2D) Özgül Soğurma Oranı (SAR) dağılımı sunulmuştur. Tüm bu işlemler için SEMCAD adında bir program kullanmaktayız. Bu program Elektromanyetik simulasyonlar için oldukça kullanışlıdır. Tez çalışmamızda klinik birkaç prototip üzerinde çalışmaktayız. Bu modellerdenbiri kafa ve boyun kısmına ait bir modeldir. İlerde de farklı prototipler üzerinde çalışacağız. Ayrıca, bu tez insan dokularında elektromanyetik hyperthermia için bir giriş olarak hizmet vermektedir. Bu amaçla geniş bir çalışma planlanmaktadır.

Many developments in finite-difference time-domain (FDTD) computational modelling of Maxwell?s equations and computed tomography (CT) imagery have caused important progress in heat delivery method, temperature monitoring, and thermal dosimetry. Electromagnetic hyperthermia method in the treatment of cancer is an application which had been revealed by these developments.The objective of electromagnetic hyperthermia is to destroy the tumor or cancer cells by achieving the highest possible temperature in the tumor or cancer cells without exceeding 42ºC in the surrounding healthy tissues. Many studies have shown that high temperatures can damage and kill cancer cells. Electromagnetic field is supplied to induce a temperature increase on tumor or cancer cells. In this thesis, the electromagnetic power deposition within the discretized cells is observed by solving the Maxwell?s equations with FDTD. Further the thermal process is investigated by solving the Pennes? bio-heat transfer equation with finite difference method. The two dimensional (2D) specific arbsorption rate (SAR) distribution during hyperthermia treatment is presented. For all these we are using a simulation program called as SEMCAD. It is useful for electromagnetic simulations. We are designing and building a clinical prototype. One of these prototypes is about head and neck (H&N). Then we will study on different prototypes. Moreover, this thesis is serving as an introduction for electromagnetic hyperthermia in the human tissues. To that end an extensive study is planned.