Mikrodalga ile kanser tedavisinde oluşan geriye doğru ısınma sorununa grafen tabanlı elektromanyetik çözüm ve istatistiksel analiz

Abstract

Kanser tedavilerinde en çok kullanılan yöntemler arasında kemoterapi, cerrahi müdahale ve radyo frekansları ile ablasyon (ısı ile yok etme) yöntemleri gelmektedir. Bahsedilen her teknik hasta üzerinde farklı etkiler göstermektedir. Yani yapılması planlanan kanser tedavi tekniği hastanın ve kanserli dokunun durumuna göre değişiklik göstermektedir. Diğer yandan, en çok tercih edilen kanser tedavi tekniklerinden biri de radyo frekansları ile yapılan ablasyondur. Bu teknikte 500 kHz frekans civarında alternatif akım ile oluşan sıcaklık kullanılarak kanserli dokunun yok edilmesi hedeflenmektedir. Radyo frekans tekniğinde dokuya sokulan sonda 1-2 mm yarıçaplı küçük bir alanda etkisini göstermektedir. Bu çalışmada radyo frekans tekniğine alternatif olarak hem daha hızlı hem de daha geniş bir bölgede etkin olan mikrodalga ablasyon üzerinde çalışılmıştır. Mikrodalga ablasyon tekniği, mikrodalga frekanslarında (genellikle 2.45 GHz) çalışan, dokuya minimum hasar verecek Şekilde tasarlanan ince bir antenin oluşturduğu elektromanyetik radyasyon sonucu kanserli dokunun ısıtılarak yok edilmesine dayanmaktadır. Kullanılan antenler genellikle eş eksenli olup, antenin uç kısmına açılan bir yarıktan dokuya elektromanyetik (EM) enerjinin ışıması sağlanmaktadır. Tasarlanan antenin ve biyolojik dokunun fiziksel özellikleri de, mikrodalga ışıma sonucu oluşan termal ısının yayılmasını kolaylaştırarak büyük çaptaki kanser dokularının tedavisini mümkün kılmaktadır. Diğer tedavi tekniklerine göre daha yeni bir teknik sayılan mikrodalga ablasyon üzerinde, anten tasarımından laboratuvar testlerine ve klinik araştırmalara kadar birçok aşamada akademik çalışmalar halen devam etmekte ve sistemin ortaya çıkardığı sorunlar üzerine çözüm önerileri sunulmaktadır. Bu sorunlardan en önemlisi, `backward heating` denilen ısının anten boyunca geriye doğru yayılma olayıdır. Bu durum, ablasyon sırasında sağlıklı dokunun da ısınmasına sebep olmakta ve dolayısıyla sağlıklı dokunun ölümüne sebep olabilmektedir. Bu çalışma belirtilen problemi en aza indirgemeye yönelik (anten boyunca, tümörlü doku dışındaki bölgenin normal vücut sıcaklığında kalması için) EM çözümler sunmaktadır. Bu amaçla eş eksenli yarık anten (EYA) üzerine ilave edilecek olan 1-atom kalınlığındaki grafen tabakası ve yapılacak ısıl analiz çalışmanın özgün değerini oluşturmaktadır. Yapılan bu çalışma ile grafen kaplı EYA'nın termal etkileri üzerinde durulmuştur. Dolayısıyla grafen tabasının doku içindeki ısı dağılımına, nekrotik doku oranı (EM enerjinin kanserli dokuda yaptığı hasar) ve tedavi süresine yapmış olduğu etkiler incelenmiştir.Ayrıca, bu çalışmada doku içindeki EYA'nın istatistiksel analizi yapılmıştır. Bu analizin yapılmasının sebebi, üretilen anten prototipi ile elde edilen sonuçlar (örneğin doku içindeki sıcaklık dağılımı) ile tasarım aşamasında kullanılan anten modelinin verdiği sonuçlar arasında ciddi farklar bulunabilmesidir. Bu durum üretimde kullanılan cihazların hassasiyetlerinden veya sıcaklık gibi çevre koşullarından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla antenin giriş parametrelerinde (antenin boyutları gibi) belirsizlikler oluşmaktadır. Bu belirsizliklerin SAR ve sıcaklık dağılımı gibi anten çıktılarına olan etkilerinin istatistiksel olarak incelenmesi gerekmektedir. İstatistiksel analiz için geleneksel Monte Carlo yöntemine göre daha az örnekleme ile yüksek doğruluk kazandıran Polynomial Chaos Expansion (PCE) yöntemi tercih edilmiştir.Bu tez çalışması ile geriye doğru ısınma olayının en aza indirgenmesi sayesinde kanser tedavisinde alternatif bir yöntem olan mikrodalga anten ile ablasyon tekniğinin geliştirilmesine ve kullanımının yaygınlaşmasına katkı sağlanması amaçlanmaktadır.

The most used methods for cancer treatment are chemotherapy, surgery and ablation techniques. Each technique has different effects on the patient. In other words, the planned cancer treatment technique varies according to the condition of the patient and cancerous tissue. On the other hand, one of the most preferred cancer treatment techniques is ablation with radio frequencies. In this technique, it is aimed to destroy the cancerous tissue by the heat generated by alternating current around 500 kHz frequency. In the radio frequency technique, the probe inserted into the tissue shows its effect in a small area with a radius of 1-2 mm. In this study, microwave ablation, which is faster than the radiofrequency technique and effective in a wider region, is studied as alternative. The microwave ablation technique is based on the heating of cancerous tissue by electromagnetic radiation generated by a thin antenna designed to minimize tissue damage, operating at microwave frequencies (usually at 2.45 GHz). Antennas used for this prupose are generally coaxial and the electromagnetic (EM) energy is radiated from a small slot to the tissue. Fortunately, the physical properties of designed antenna and biological tissues ease the absorption of thermal energy resulting from the electromagnetic (EM) waves and make the treatment possible for massive cancerous tissue. Regarding the microwave ablation technique, which is considered to be as a recent technique compared to other treatment techniques, academic studies are still continuing in many stages from antenna design to laboratory tests and clinical researches. The most important of limitation of this technique is the backward propagation of heat called `backward heating` through the antenna. This causes the heating of the healthy tissue during the ablation and thus the death of the healthy tissue.This work provides EM solutions to minimize the backward heating problem. The originality of this work is due to the presence of the 1-atom thick graphene layer between the outer conductor of the coaxial antenna and the catheter. The thermal effects of the graphene covered coaxial slot antenna is emphasized. The temperature distribution in the biological tissue, the rate of tissue (necrotic tissue rate) ablated during microwave heating and the effect on the treatment time is investigated. Also, a statistical analysis of the microwave slot antenna in the biological tissue is performed during this work. Indeed, there might be differences between the output given by the fabricated antenna prototype and the numerical antenna model used during the design stage. This fact is due to the limited accuracy of devices used for the fabrication as well as to the environmental conditions such as temperature. Therefore, uncertainties on the antenna input parameters are introduced. The effect of these uncertainties on the output of the antenna is quantified. In this work, the Polynomial Chaos Expansion (PCE) method is preferred over the classical Monte Carlo (MC) method because of the lower number of data sample required by the PCE when compared with MC method. The goal of this thesis work is to contribute to the development of the microwave ablation technique by improving the performance of the coaxial antennas used for this purpose.