The effect of resolution on microwave hyperthermia focal quality
Mikrodalga hipertermide odak kalitesi üzerindeki çözünürlüğün etkisi
- Tez No: 990246
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Meme kanseri, günümüzde kadınlarda en sık görülen kanser türlerinden biri olmaya devam etmektedir. Her yıl dünya genelinde milyonlarca yeni vaka tanı almakta olup, hastalığın erken evrede saptanması ve uygun şekilde tedavi edilmesi hayati önem taşımaktadır. Cerrahi, kemoterapi ve radyoterapi gibi standart tedavi yöntemlerine ek olarak hipertermi, özellikle son yıllarda tamamlayıcı bir tedavi yaklaşımı olarak giderek daha fazla ilgi görmektedir. Mikrodalga hipertermi uygulamalarında amaç, tümör dokusunun sıcaklığını terapötik aralıkta yükselterek kanser hücrelerini zayıflatmak ve diğer tedavilere karşı daha duyarlı hale getirmektir. Bu işlem sırasında çevredeki sağlıklı dokuların korunması, tedavinin güvenliği ve etkinliği açısından kritik öneme sahiptir. Mikrodalga hipertermide başarının temel belirleyicilerinden biri, elektromanyetik enerjinin hedef tümör bölgesine ne kadar doğru ve seçici biçimde odaklanabildiğidir. Bu enerji birikimi genellikle özgül soğurma oranı (specific absorption rate - SAR) ile nicel olarak ifade edilmekte ve sıcaklık artışı doğrudan bu dağılıma bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Klinik uygulamalarda hipertermi tedavi planlaması çoğunlukla manyetik rezonans görüntüleme (MRI) verilerinden oluşturulan sayısal hasta modelleri üzerinden yapılmaktadır. Ancak MRI görüntülerinin uzaysal çözünürlüğü, dokular arasındaki sınırların ne kadar doğru temsil edilebildiğini belirlediği için, elektromanyetik alanların yayılımını ve dolayısıyla SAR ile sıcaklık dağılımlarını doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle, segmentasyon çözünürlüğünün hipertermi odak kalitesi üzerindeki etkisinin anlaşılması, tedavi planlamasının güvenilirliği açısından önemli bir konudur. Bu tez çalışmasında, mikrodalga meme hipertermisinde segmentasyon çözünürlüğünün enerji odaklama performansı üzerindeki etkisi sistematik olarak incelenmiştir. Çalışmada, MRI tabanlı yüksek çözünürlüklü gerçekçi bir sayısal meme modeli temel alınmış ve bu modelin dielektrik özellik haritaları üzerinde farklı seviyelerde uzaysal yumuşatma uygulanmıştır. Gerçek mikrodalga görüntüleme sistemlerinde dielektrik haritalar sınırlı çözünürlüğe sahip olduğu için, bu durum literatürde sıklıkla sistemin nokta yayılma fonksiyonu ile temsil edilmekte ve matematiksel olarak Gaussian filtreleme ile modellenmektedir. Bu yaklaşımdan yola çıkılarak, bu çalışmada orijinal yüksek çözünürlüklü dielektrik haritalara farklı standart sapma değerlerine sahip Gaussian filtreler uygulanmış ve böylece farklı çözünürlük seviyelerini temsil eden çok sayıda model elde edilmiştir. Elde edilen her bir model için elektromanyetik simülasyonlar COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Meme modeli etrafına yerleştirilen on iki elemanlı bir anten dizisi 2.45 GHz frekansında uyarılmış ve dokular içerisindeki elektrik alan dağılımları hesaplanmıştır. Dokuya özgü dielektrik özellikler Debye modeli ile tanımlanmış ve literatürde rapor edilen deneysel veriler esas alınmıştır. Elektromanyetik alanlardan hesaplanan SAR dağılımları, daha sonra Pennes biyo-ısı denklemi kullanılarak sıcaklık dağılımlarına dönüştürülmüştür. Böylece hem enerji soğurumu hem de buna karşılık oluşan termal yanıt çözünürlük seviyesine bağlı olarak karşılaştırılabilmiştir. Enerji odaklaması için bu çalışmada vektör maksimize (VM) yöntemi kullanılmıştır. Bu yaklaşımda, her bir antenin tek başına oluşturduğu kompleks elektrik alan katkıları hedef tümör noktasında faz uyumlu hale getirilerek yapıcı girişim sağlanmakta ve hedefteki toplam alan şiddeti maksimize edilmektedir. Tüm antenlerin genlikleri sabit tutulmuş, yalnızca fazları ayarlanmıştır. Böylece her bir çözünürlük seviyesi için odaklama performansı, optimizasyon yönteminden bağımsız ve doğrudan karşılaştırılabilir hale getirilmiştir. Analizler, segmentasyon çözünürlüğünün SAR dağılımı üzerinde belirgin bir etkisi olduğunu göstermiştir. Yüksek çözünürlüklü modellerde doku sınırları daha keskin olduğu için enerji tümör bölgesinde daha iyi yoğunlaşmakta, düşük çözünürlüklü ve aşırı yumuşatılmış modellerde ise elektromanyetik alanlar daha yayvan bir şekilde dağılmaktadır. Buna karşılık sıcaklık dağılımlarında bu farklar bir miktar daha sınırlı görünmektedir. Bunun nedeni, biyolojik dokularda ısı iletimi ve kan perfüzyonunun, SAR'daki yerel farklılıkları kısmen dengelemesidir. Yine de çözünürlük düştükçe hedef dışı bölgelerde istenmeyen ısınmanın arttığı ve tedavi seçiciliğinin azaldığı açıkça gözlenmiştir. Ayrıca, düşük çözünürlüklü modeller üzerinden elde edilen faz ayarlarının yüksek çözünürlüklü gerçek modele uygulanması durumunda odak kalitesinin ciddi şekilde bozulduğu görülmüştür. Bu durum, görüntüleme çözünürlüğü ile tedavi planlaması arasında uyumsuzluk olması halinde, klinik uygulamada beklenen odaklamanın sağlanamayabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak bu tez, mikrodalga hipertermi uygulamalarında segmentasyon çözünürlüğünün yalnızca görsel bir ayrıntı değil, doğrudan tedavi kalitesini belirleyen fiziksel bir parametre olduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, görüntü tabanlı hipertermi planlamasında çözünürlük etkilerinin mutlaka dikkate alınması gerektiğini ve hasta özelinde daha güvenilir tedavi stratejilerinin bu farkındalıkla geliştirilebileceğini göstermektedir. Bu çalışmada kullanılan sayısal yaklaşımın önemli bir yönü, elektromanyetik ve termal modeller arasındaki doğrudan bağın korunmuş olmasıdır. Elektromanyetik simülasyonlardan elde edilen SAR dağılımları, biyolojik dokulardaki gerçek ısı transfer mekanizmalarını temsil eden Pennes biyo-ısı denklemi ile birleştirilmiştir. Bu sayede, yalnızca elektromanyetik odaklama değil, aynı zamanda klinik olarak anlamlı sıcaklık artışları da değerlendirilmiştir. Bu yaklaşım, özellikle düşük ve yüksek çözünürlüklü segmentasyonlar arasındaki farkların yalnızca SAR üzerinden değil, doğrudan tedavi çıktısı olan sıcaklık dağılımı üzerinden de karşılaştırılmasına olanak tanımaktadır. Çözünürlük etkisinin değerlendirilmesinde yalnızca mutlak SAR veya maksimum sıcaklık değerlerine bakmak yeterli değildir. Bu nedenle çalışmada, hedef bölge ile sağlıklı doku arasındaki kontrastı yansıtan boyutsuz performans ölçütleri kullanılmıştır. Hedefe odaklanan enerji miktarını ifade eden hedef–meme oranları ile, hedef dışı sıcak noktaların büyüklüğünü temsil eden hotspot–hedef oranları birlikte değerlendirilmiştir. Bu metrikler sayesinde, çözünürlük değişiminin yalnızca hedefteki maksimum değeri değil, aynı zamanda tedavi seçiciliğini ve güvenliğini nasıl etkilediği daha açık bir biçimde ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar, çözünürlük azaldıkça yalnızca hedefteki enerji yoğunluğunun değil, hedef dışındaki istenmeyen ısınmanın da belirgin biçimde değiştiğini göstermektedir. Düşük çözünürlüklü modellerde doku sınırlarının bulanıklaşması, elektromanyetik dalgaların yayılımını daha homojen hale getirmekte ve bu durum, hedef dışı bölgelerde beklenenden daha yüksek SAR değerlerine yol açmaktadır. Bu etki, özellikle meme dokusu gibi farklı dielektrik özelliklere sahip dokuların iç içe geçtiği yapılarda daha belirgin hale gelmektedir. Sonuç olarak, görüntüleme çözünürlüğü ile modellenen anatomik yapı arasındaki farklar, tedavi planlamasında doğrudan risk oluşturan termal belirsizliklere neden olabilmektedir. Buna ek olarak, çalışmada elde edilen gözlemsel sonuçlar, klinik açıdan daha gerçekçi bir senaryoya işaret etmektedir. Pratikte hipertermi sistemleri, gerçek hasta anatomisini birebir yansıtan ideal modellere değil, sınırlı çözünürlüğe sahip görüntüleme verilerine dayalı olarak planlama yapmaktadır. Bu nedenle, düşük çözünürlüklü bir model üzerinden optimize edilen faz ayarlarının gerçek dokuda nasıl davranacağı sorusu kritik önem taşımaktadır. Bu tezde yapılan analizler, bu tür bir uyumsuzluğun hedef odaklamada ciddi bozulmalara ve hotspot oluşumuna yol açabileceğini açık biçimde göstermektedir. Bu bulgu, hipertermi tedavisinde yalnızca optimizasyon algoritmasının değil, bu algoritmaya temel oluşturan görüntüleme verisinin kalitesinin de belirleyici olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuçların bir diğer önemli yönü, mikrodalga hipertermi sistemlerinin belirli bir düzeye kadar çözünürlük kaybına karşı dayanıklı olabildiğini, ancak bu sınır aşıldığında performansın hızla düştüğünü göstermesidir. Orta düzeyde yumuşatılmış segmentasyonlarda uygun faz ayarlamaları ile kabul edilebilir düzeyde odaklama sağlanabilirken, aşırı düzeyde yumuşatılmış modellerde bu mümkün olmamaktadır. Bu durum, klinik uygulamalarda görüntüleme çözünürlüğü ile hesaplama maliyeti arasında yapılacak dengelemenin dikkatle belirlenmesi gerektiğine işaret etmektedir. Bu tez kapsamında sunulan bulgular, yalnızca mikrodalga hipertermi için değil, genel olarak görüntüleme tabanlı elektromanyetik tedavi planlaması için de önemli çıkarımlar içermektedir. Anatomik belirsizliklerin enerji dağılımı üzerindeki etkisini nicel olarak ortaya koyan bu çalışma, gelecekte daha güvenilir, daha öngörülebilir ve hasta özelinde uyarlanmış hipertermi sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilecek bir temel oluşturmaktadır. Özellikle gerçek zamanlı görüntüleme, adaptif planlama ve çözünürlük farkındalığına sahip optimizasyon yaklaşımlarının birlikte kullanılması, bu alandaki klinik başarıyı önemli ölçüde artırma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Breast cancer remains one of the most prevalent forms of cancer affecting women globally, with over 2.5 million new cases reported annually. If not diagnosed and treated properly, it can be life-threatening. Fortunately, early diagnosis and advances in therapeutic approaches have significantly improved survival rates. Traditional treatment options include surgical methods such as lumpectomy and mastectomy, as well as non-invasive techniques like radiotherapy and chemotherapy. Recently, hyperthermia therapy—especially microwave hyperthermia—has emerged as a powerful adjunct to these modalities, aiming to increase treatment efficacy by elevating tumor temperature to damage or kill cancerous cells without harming surrounding healthy tissues. Among these factors, particular emphasis is placed on the effect of anatomical segmentation resolution on the focal quality of microwave hyperthermia. Microwave breast hyperthermia (MH) targets tumor regions by raising their temperature to therapeutic levels, typically between 41°C and 45°C. The effectiveness of MH relies heavily on the ability to focus energy precisely at the tumor site while minimizing unintended heating, or“hotspots,”in adjacent healthy tissue. To ensure safety and efficacy, the distribution of Specific Absorption Rate (SAR)—which quantifies the amount of electromagnetic energy absorbed per kilogram of tissue—must be carefully optimized. The design of the hyperthermia system plays a pivotal role in achieving this goal, especially in scenarios where inter-patient anatomical variability introduces complexity into the treatment planning. In this study, a comprehensive numerical investigation was conducted to evaluate the sensitivity of SAR and temperature distributions to variations in tissue segmentation resolution. A realistic numerical breast model was constructed from MRI-based anatomical data and segmented using Gaussian filtering techniques to generate multiple representations with different resolution levels. By varying the Gaussian standard deviation ($\sigma$) parameters, the effect of segmentation resolution on electromagnetic energy deposition was quantitatively analyzed. It was observed that lower $\sigma$ values preserve anatomical detail and enhance SAR localization, whereas higher $\sigma$ values introduce excessive smoothing, leading to degraded focal quality. While SAR values varied with changes in permittivity and conductivity, the resulting temperature distributions remained relatively stable, indicating thermal diffusion dominates the ultimate heating pattern. Energy localization was achieved using a vector-based maximization strategy, in which the complex electric field contributions from individual antennas were coherently combined to maximize the resultant field intensity at the target location. In this approach, the excitation amplitudes were fixed for all antennas, and the phase of each antenna was set to zero at the target point. This phase setting enforces constructive interference at the target, allowing the electric field vectors to be added tip-to-tail in a consistent manner. The resulting fixed excitation configuration enables systematic scanning of the surrounding region, facilitating the assessment of focal quality robustness under varying segmentation resolutions. The findings of this study contribute to a deeper understanding of the impact of segmentation resolution on microwave hyperthermia focal quality, offering guidance for improving the robustness and reliability of image-based treatment planning in personalized breast cancer therapy.
Benzer Tezler
- Devrelerin büyük işaret cevaplarının bilgisayar yardımıyla bulunması
Başlık çevirisi yok
NÜKHET GÜNEYİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜR TÜTÜNCÜOĞLU
- Ulaş Sağlık Ocağı merkezinde nüfusun bazı niteliklerine ve konutların durumuna ilişkin bir çalışma
An Investigation carried out at the Ulaş Public Health Centre concerning some characteristics of the population and housing conditions in the district of Ulaş
EROL ŞANLI
Doktora
Türkçe
1985
Halk SağlığıCumhuriyet ÜniversitesiHalk Sağlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERVET ÖZGÜR
- Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi
Başlık çevirisi yok
NACİYE TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- 1981 Türkiye tarımsal yapısının önemli bileşenleri ve tarımsal bölgelerin elde edilmesi
Principle components of Turkey's agricultural structure and to determine agricultural rigions in 1981
İHSAN KARABULUT
- Buğdayda farklı melezleme teknikleri kullanarak tohum tutma oranının saptanılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
ZiraatUludağ ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİS RUHİ EKİNGEN