Modeling of electromagnetic hyperthermia for cancer treatment

Abstract

Son yıllarda, Maxwell denklemlerinin Zaman Domeninde Sonlu Farklar (FDTD)Metodu kullanılarak modellenmesinde, bilgisayar teknolojisinde ve bilgisayarlıtomografi uygulamalarında meydana gelen gelişmelerle birlikte ısı dağılımıyönteminde, sıcaklığın görüntülenebilmesinde ve sıcaklık dozunun ölçülebilmesindeönemli ilerleme kaydedilmiştir. Bu gelişmeler ile ortaya çıkmış bir uygulama da kansertedavisinde elektromanyetik hipertermi yöntemidir.Bu tez, kanser tedavisinde elektromanyetik hipertermi metodu için bir başlangıççalışmasıdır. Elektromanyetik hiperterminin amacı, sağlıklı hücreler etrafında 42ºCdereceyi geçmeden, tümörlü bölgede ya da kanserli hücrelerde mümkün olan en yükseksıcaklığın elde edilerek bu hücrelerin yok edilmesidir. Birçok çalışma yükseksıcaklıklarda kanserli hücrelerin yok edilebildiğini göstermektedir. Tümör veya kanserlihücrelerde sıcaklık artışı, bu bölgelerde elektromanyetik alan oluşturularaksağlanmaktadır. Bu tezde, elektromanyetik gücün depolanması FDTD ile Maxwelldenklemlerinin çözülmesiyle gözlemlenmiştir. Ayrıca termal sıcaklık oluşumu SonluFarklar (finite difference) yöntemi ile Penn's bio-ısı transferi denkleminin çözülmesiyleincelenmiştir. Hipertermi tedavisi sırasında oluşan iki boyutlu (2D) Özgül SoğurmaOranı (SAR) dağılımı sunulmuştur.Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik Hipertermi, Zaman Domeninde Sonlu Farklar(FDTD) Metodu, Özgül Soğurma Oranı (SAR), Bio-Isı Transfer Denklemi (BHTE).

In recent years, many developments in finite-difference time-domain (FDTD)computational modelling of Maxwell?s equations, super computer technology, andcomputed tomography (CT) imagery have caused significant progress in heat deliverymethod, temperature monitoring, and thermal dosimetry. Electromagnetic hyperthermiamethod in the treatment of cancer is an application which had been revealed by thesedevelopments.This thesis is an introductory study for electromagnetic hyperthermia in thetreatment of cancer. The objective of electromagnetic hyperthermia is to destroy thetumor or cancer cells by achieving the highest possible temperature in the tumor orcancer cells without exceeding 42ºC in the surrounding healthy tissues. Many studieshave shown that high temperatures can damage and kill cancer cells. Electromagneticfield 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 solvingthe Maxwell?s equations with FDTD. Further the thermal process is investigated bysolving the Pennes? bio-heat transfer equation with finite difference method. The twodimensional (2D) specific arbsorption rate (SAR) distribution during hyperthermiatreatment is presented.Keywords: Electromagnetic Hyperthermia, Finite Difference Time Domain (FDTD)Method, Specific Absorption Rate (SAR), Bio-Heat Transfer Equation (BHTE).