Breast cancer detection and treatment using active sensor imaging and microwave hyperthermia

Meme kanseri küresel bir sağlık sorunudur ve dünya çapında bir çoğu kadınların ölüm nedenlerinden ikinci sırada gelmektedir. Erken teşhis ve etkili tedavi, sağkalım oranlarını %97'ye kadar iyileştirmek ve hastaların yaşam kalitesini artırmak için hayati öneme sahiptir. Bu tez, erken meme kanseri tespiti ve mikrodalga hipertermi tedavisi olmak üzere iki amaç için tasarlanmış bir Ultra Geniş Bant (UWB) tekstil tabanlı mikro şerit yama anteninin tasarımını, simülasyonunu ve uygulamasını araştırmaktadır. Aynı zamanda meme görüntüleme ve meme termal tedavisi alanında çalışma yeteneğine sahip bir antenin tasarımı gerçek bir devrim ve bu alanda büyük bir gelişmedir. Ultra Geniş Bant (UWB) teknolojisi, yüksek mekansal çözünürlüğü ve düşük radyasyon maruziyeti nedeniyle erken kanser tespiti için umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Ek olarak, mikrodalga hipertermi, çevredeki sağlıklı dokulara zarar vermeden tümör dokularını seçici olarak ısıtarak kanseri tedavi etmek için etkili bir terapötik yöntem olarak kabul edilmiştir. Bu araştırmanın temel amacı, 2-11.6 GHz UWB frekans aralığında verimli bir şekilde çalışabilen ve meme kanserini tespit edip tedavisine yardımcı olabilen güvenli, doğru, pahalı olmayan, esnek, hafif ve tamamen tekstilden yapılmış giyilebilir bir mikroşerit yama anten geliştirmektir. UWB mikrodalga görüntüleme, sağlıklı ve kanserli meme dokuları arasındaki dielektrik kontrast nedeniyle yüksek mekansal çözünürlüklü görüntüleme ve tümörlerin hassas lokalizasyonu sağlama yeteneği nedeniyle seçilmiştir. Tekstil tabanlı tasarım, kullanıcı konforu ve uyarlanabilirliği sağlayarak invaziv olmayan ve taşınabilir tıbbi uygulamalara olanak tanır. UWB mikrodalga teknolojisinin tekstil tabanlı anten tasarımıyla entegrasyonu, geleneksel tanı ve tedavi yöntemlerinin sınırlamalarını ele almak için yeni bir yaklaşım sağlar. Önceki araştırmalarda, giyilebilir UWB antenleri çözünürlük, düşük bant genişliği, yüksek SAR değerleri ve daha büyük boyutlarda sınırlamalar göstermiştir. Tümörleri verimli bir şekilde tespit etmek için, meme tümörü tespiti için tasarlanmış giyilebilir bir antenin geniş bant genişliğine, düşük SAR'a, kompakt tasarıma ve yüksek derecede uyarlanabilirliğe sahip olması gerekir. Düşük profilli konformal tasarımları, düşük maliyetleri, basit üretim süreçleri ve uygulama açısından uyarlanabilirlikleri nedeniyle mikroşerit yama antenleri kullanılmaya başlanmıştır. Kumaşı genellikle alt tabaka ve metali iletken olarak kullanan geleneksel çalışmaların aksine, bu çalışma tamamen tekstil bazlı bir anten kullanarak biyouyumluluk endişelerini ele almaktadır. Anten, dielektrik ∈r'si 1,7 ve yüksekliği (h) 0,7 mm olan bir kot alt tabakası ile geliştirilmiştir. Bakır, gümüş ve nikel ile metalize edilmiş %100 poliamid bazlı bir kumaş, 0,11 mm kalınlığında yama ve toprak düzlemi için iletken malzeme olarak kullanılmıştır. Anten, genel olarak 31*31 mm2 boyutunda tasarlanmıştır. Bir yama anteninin boyutları, özelliklerini ve performansını belirlemede temel bir rol oynar. Yamanın uzunluğu ve genişliği antenin rezonans frekansını belirler. Genellikle, daha uzun bir yama daha düşük bir rezonans frekansına karşılık gelirken, daha geniş bir yama daha yüksek bir rezonans frekansı ile sonuçlanmıştır. Uzunluğun ve genişliğin ayarlanması, antenin belirli bir frekansta veya istenen bir frekans bandında çalışmasını sağlar. Araştırma metodolojisi, gelişmiş elektromanyetik simülasyon araçları olarak CST Microwave Studio kullanılarak anten yapısının sistematik tasarımı ve simülasyonunu içerir. Geri dönüş kaybı, empedans uyumu, bant genişliği, özgül emilim oranı (SAR), Gerilim duran dalga oranı (VSWR) ve sıcaklık dağılımı dahil olmak üzere temel tasarım parametreleri, antenin hem tanı hem de tedavi uygulamaları için işlevselliğini sağlamak üzere optimize edilmiştir. Yama antenleri genellikle dar bir frekans bandında çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, yama antenlerinin bant genişliğini artırmak için birkaç yöntem vardır, bu çalışmada bant genişliği, kısmi bir toprak düzlemi kullanılmasına ek olarak kesme çentikleri eklenerek artırılmıştır. UWB anteninin performansı, meme dokusu fantom modelleri üzerinde kapsamlı simülasyonlar yoluyla doğrulanmıştır. Tümör şekillerini küresel olduklarını varsayarak basitleştiren birçok mevcut modelin aksine, bu araştırma daha gerçekçi modeller kullanır ve klinik senaryolarda karşılaşılan tümör şekillerinin ve boyutlarının çeşitliliğini kabul eder. Tasarlanan anten dört dijital meme modeli üzerinde test edildi. Modeller, basit tümörsüz modellerden küçük tümörlü karmaşık modellere kadar uzanmaktadır. Tümör boyutu, yapısı ve konumu, önerilen antenin farklı şekil, boyut ve konumlardaki kanserleri tespit etme yeteneğini test etmek için değiştirildi. Erken meme kanseri tespiti için önerilen anten, anormallikleri belirlemek için dielektrik kontrastı kullanarak meme dokularıyla etkileşime giren elektromanyetik sinyaller iletir ve alır. Antenin yüksek çözünürlüklü görüntüleme yetenekleri, 5 ve 2 milimetre kadar küçük tümörlerin tespit edilmesini sağlayarak erken müdahale şansını artırır. Simülasyon sonuçları, antenin doğru tümör lokalizasyonuna ulaşma yeteneğini göstermektedir. Tek bir anten için simülasyon bulguları, SAR değerlerinin 0,397 ila 1,64 arasında değiştiğini, bunun 2 W/g'dan (10 g SAR) az olduğunu ve tıbbi uygulamalar için izin verilen sınırlarla tutarlı olduğunu göstermiştir. En yüksek SAR değerleri tümör merkezlerinde veya bunların yakın çevresinde hassas bir şekilde ölçülmüştür ve bu, o noktada bir kötü huylu tümörün varlığını gösterir. Ek olarak, VSWR 1 ila 2 arasında kabul edilebilir bir aralıkta kalmıştır. Tümörün boyutuna ve konumuna bağlı olarak, dört modelin anten dönüş kayıpları -38 ila -18,5 dB arasında değişmiştir. Esnek tasarım, antenin memenin karmaşık konturlarına uyum sağlamasını, tutarlı ve güvenilir tanı sonuçları sağlamasını garanti eder. Esnekliği belirlemek için bükülme etkisi test edildi. Antenin performansı, giyilebilir bir cihaz olarak kullanımının ötesine geçerek, dinamik bir sistem içinde değerlendirilerek daha kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu değerlendirme, antenin bir meme fantomu üzerinde 112 farklı konuma yerleştirilmesi ve bu konumlardan elde edilen sinyallerin MATLAB yazılımı kullanılarak iki boyutlu (2D) bir görüntü oluşturmak üzere işlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen görüntüler, önerilen antenin, yalnızca giyilebilir konfigürasyonlarda değil, aynı zamanda dinamik bir görüntüleme sistemi içinde kullanıldığında da tümörleri etkin bir şekilde tespit edebildiğini ortaya koymuştur. Bu bulgular, antenin çeşitli görüntüleme sistemi uygulamaları için sahip olduğu çok yönlülüğü ve uyarlanabilirliği açıkça ortaya koymaktadır. Ayrıca, önerilen antenin hem kanser görüntüleme hem de hipertermi için kritik olan dizi sistemlerine entegre edilme yeteneğini ölçmek için 2x4 elemanlı bir anten dizisi tasarlanmış ve test edilmıştır. Tez, homojen ısı dağılımını sağlama, sıcak noktaları en aza indirme ve hasta güvenliğini sağlama gibi mikrodalga hipertermisi ile ilişkili kritik zorlukları ele almaktadır. Hipertermik uygulamalardaki anten performansı, CST MPHISICS STUDIO yazılımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, antenin kötü huylu hücrelerin sıcaklığını seçici olarak terapötik termal aralığa yükseltme yeteneğini ve sağlıklı dokuların sıcaklığını kabul edilebilir bir tıbbi aralıkta tutabilme yeteneğini göstermiştir. Belirlenen antenlerden yayılan sinyallerin fazını ayarlamak için ışın oluşturma teknikleri kullanılmış, elektromanyetik dalganın tümöre doğru optimum yönelimi sağlanmış ve böylece kötü huylu hücrelerin, memenin derinliklerinde bulunsalar bile, hassas bir şekilde hedeflenmesi kolaylaştırılmıştır. Bu çalışma, tekstil tabanlı UWB antenlerinin meme kanserlerinin sıcaklığını yeterli terapötik seviyelere yükseltmesinin uygulanabilirliğini göstermektedir. Tasarlanan anten dizileri, farklı ayarlamalar kullanarak tümör sıcaklıklarını 42,3℃, 45,6℃, 43,3℃ ve 42,4℃'ye kadar yükseltme yeteneğini göstermektedir. Bu çalışmanın sonuçları, önerilen UWB tekstil tabanlı mikro şerit yama anteninin hem erken meme kanseri tespiti hem de mikrodalga hipertermisi tedavisi için umut verici bir araç olduğunu göstermektedir. Tanı ve tedavi yeteneklerinin benzersiz kombinasyonu, giyilebilir tasarımıyla birlikte, onu biyomedikal mühendisliği alanında değerli bir yenilik olarak konumlandırıyor. Araştırma, doğru, invaziv olmayan ve uygun maliyetli tümör tespiti ve etkili lokalize tedavi elde etmede önemli ilerlemeler göstererek gelecekte kliniklerde bile uygulanabilmesi için yolu açmaktadır. Bu tez, UWB teknolojisini tekstil tabanlı anten tasarımıyla entegre ederek yeni nesil tıbbi cihazların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Bulgular, giyilebilir, esnek ve çok işlevli tamamen tekstil tabanlı antenlerin meme kanseri yönetiminde devrim yaratma potansiyelini vurgulamaktadır.