Η χρήση των μικροκυμάτων στην Ιατρική γνωρίζουν ιδιαίτερα μεγάλη έξαρση τα τελευταία χρόνια είτε για απεικονιστικούς είτε για παρεμβατικούς σκοπούς. Ο θεραπεία του καρκίνου αποτελεί σημείο έρευνας για πολλές ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο. Ένα κομμάτι αυτών, προσεγγίζει την αντιμετώπιση του με τη χρήση ακτινοβολίας διαφόρων συχνοτήτων. Στις επικρατέστερες τεχνικές εντάσσονται ο θερμοκαυτηριασμός με ραδιοσυχνότητες (radiofrequency ablation, RFA), ο καυτηριασμός με Laser (laser induced thermal therapy, LITT), οι υψηλής έντασης υπέρηχοι (high intensity focused ultrasound, HIFU) και η μικροκυματική εκτομή (microwave ablation, MWA). Όλες οι τεχνικές θερμικής θεραπείας οδηγούν στη νέκρωση του καρκινικού ιστού με το μηχανισμό της πήξης μέσω της αύξησης της θερμοκρασίας. Η επιθυμητή αύξηση της θερμοκρασίας συνήθως πραγματοποιείται με την εφαρμογή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στον όγκο, παραγόμενο από μία διάταξη κεραιών (μίας ή περισσοτέρων). Η θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται η καταστροφή των καρκινικών όγκων κυμαίνεται μεταξύ 43oC -70oC όπου στους 43oC-45 oC συναντάται το φαινόμενο της υπερθερμίας, ενώ όταν η θερμοκρασία αυτή ξεπεράσει τους 70oC όπου γίνεται λόγος για εκτομή. Η μικροκυματική εκτομή βασίζεται στην ταλάντωση των μορίων του νερού και για το λόγο αυτό οι συχνότητες στις οποίες εφαρμόζεται είναι και οι συχνότητες συντονισμού του μορίου το νερού δηλαδή στις περιοχές 70-120 MHz , 433 MHz , 915 MHz ή στα 2450 MHz. Ανάλογα με το βάθος που βρίσκεται ο καρκινικός όγκος, επιλέγεται και η κατάλληλη συχνότητα γνωρίζοντας πως οι χαμηλότερες συχνότητες έχουν μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης. Για την επίτευξη της υπερθερμίας υπάρχουν τρεις βασικές προϋποθέσεις: πρώτον πρέπει να εντοπισθεί με ακρίβεια ο κακοήθης όγκος, δεύτερον να εστιασθεί σε αυτόν η απαιτούμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια διατηρώντας αβλαβή επίπεδα για τους γύρω υγιείς ιστούς και τρίτο να θερμανθεί ομοιόμορφα ο όγκος παρόλο που είναι ανομοιογενής (σκληρό περίβλημα χαμηλής αγωγιμότητας). Η Μικροκυματική Υπερθερμία εφαρμόζεται είτε με τη χρήση μιας εστιάζουσας συστοιχίας κεραιών είτε με τη μορφή κεραίας ενσωματωμένης σε κατάλληλα διαμορφωμένο καθετήρα. Στην πρώτη περίπτωση, το σύστημα εφαρμόζεται εξωτερικά του σώματος και έχει τη μορφή μαγνητικού τομογράφου, ενώ στην περίπτωση της ενσωματωμένης κεραίας, η οποία μελετάται στην παρούσα εργασία, ο καθετήρας εισέρχεται στο σώμα φθάνοντας στον προς καταστροφή ιστό και ενδιαφέρει η εστίαση της απορροφώμενης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας στον ιστό αυτό. Στη μορφή αυτή ήδη έχουν αναπτυχθεί καθετήρες για την καταστροφή της αθηρωματικής πλάκας για τη διάνοιξη φραγμένων αρτηριών, για την καταστροφή μέρους ενός υπερτροφικού προστάτη καθώς και την καταστροφή εστιασμένων κακοήθων όγκων. Όπως είναι κατανοητό, η τεχνική αυτή είναι σε κάποιο βαθμό επεμβατική και είναι καταλληλότερη για μικρού μεγέθους όγκους, οπότε και χρησιμοποιεί υψηλότερες μικροκυματικές συχνότητες 2450 MHz ή μέχρι 10 GHz . Ειδικότερα στην περίπτωση των κεραιών που εισέρχονται με καθετήρα προτιμάται η εφαρμογή μικροκυματικής εκτομής με καταστροφή του όγκου σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Προτιμάται αυτού του είδους η εκτομή, γιατί κατά τη διάρκεια της σχηματίζεται ένα πλατύ «άνοιγμα» που παράγει μια μεγάλη περιοχή θέρμανσης. Η μικροκυματική εκτομή συγκριτικά με την εκτομή ραδιοσυχνοτήτων (εκτομή με χρήση συμβατικών ηλεκτροδίων) παράγει ένα προφίλ θέρμανσης του όγκου που είναι ευρύτερο, παρουσιάζει μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης και παρέχει καλύτερη ακρίβεια στη θέρμανση. Έντονη δραστηριότητα έχει υπάρξει τα τελευταία έτη γύρω από τα μαγνητικά νανοστοιχεία (magnetic nanoparticles), τα οποία όχι μόνο αυξάνουν την αντίθεση στη μαγνητική τομογραφία (MRI) βελτιώνοντας τον εντοπισμό του όγκου, αλλά και διαχέονται σε όλον τον όγκο θερμαίνοντάς τον ομοιόμορφα. Τα μαγνητικά νανοστοιχεία είναι μαγνητικά στοιχεία διαμέτρου 10-300 nm, δηλαδή έχουν το κατάλληλο μέγεθος, ώστε να εισέρχονται μόνο στους όγκους. Συγκεντρώνονται στον όγκο μέσω ενδοαρτηριακής έγχυσης (μέσω του συστήματος μεταφοράς φαρμάκων-DDS). Τα πιο ελκυστικά είναι τα υπέρ-παραμαγνητικά οξείδια σιδήρου (π.χ. μαγνητίτης Fe3O4, μαγεμίτης γ-Fe2O3), τα οποία έχουν ήδη εγκριθεί για πολλές χρήσεις (MRI, υπερθερμία), λόγω της βιοσυμβατότητάς τους. Αυτά τοποθετούνται στο εσωτερικό λιποσωμάτων, στα οποία προστίθενται αντισώματα (π.χ. G250) και εγχέονται στο αίμα, όπου συγκεντρώνονται στους καρκινικούς όγκους. Λόγω του μικρού μεγέθους τα νανοστοιχεία είναι απλού τομέα (single domain, μεγάλα μαγνητικά δίπολα) και προσανατολίζονται πολύ εύκολα στην κατεύθυνση του τυχόν εφαρμοζόμενου DC μαγνητικού πεδίου, ιδιότητα που είναι γνωστή ως υπέρ–παραμαγνητισμός (super - paramagnetism). Με την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου θερμαίνονται με τέσσερις μηχανισμούς: περιστροφική κίνηση Brown, χαλάρωση Neel, δινορεύματα και απώλειες βρόχου υστέρησης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται το συνολικό θεωρητικό υπόβαθρο της μικροκυματιικής εκτομής, το οποίο περιλαμβάνει μεταξύ άλλων, την επισκόπηση των καρκινικών όγκων και τη μελέτη των διηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Επίσης γίνεται ανάλυση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας σε υλικό με απώλειες και ταυτόχρονα αναλύεται η αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τους βιολογικούς ιστούς. Ως λογική συνέχεια, γίνεται αναφορά στην βιοθερμική εξίσωση Pennes και των ιδιοτήτων των μαγνητικών νανοστοιχείων, όπως επίσης και της θεωρίας των κεραιών και των κυματοδηγών. Αξιοποιούνται όλα τα παραπάνω και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων της βασικής ιδέας της παρούσας διπλωματικής εργασίας, που είναι ο σχεδιασμός μίας διάταξης μονοπόλου-ελίκων προσεγγίζοντας τη λειτουργία του κυκλικού κυματοδηγού, που θα περικλύει τον καρκινικό όγκο και θα «εγκλωβίζει» το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ανάμεσα στις έλικες όπως επίσης προσομοιώνεται και παρουσιάζεται η ίδια διάταξη χωρίς την παρουσία των ελίκων, έτσι ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για την επίδραση έπειτα από την προσθήκη των ελίκων. Τέλος αναλύονται τα αποτελέσματα και παρουσιάζονται τόσο τα συμπεράσματα όσο και προτάσεις για μελλοντική εργασία.
141 σ.
Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης
