Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies

The present thesis was elaborated in terms of obtaining the Master of Science degree in the Interdepartmental Post-graduate Program of Medical Physics at University of Patras. The main objective of the conducted research was the development and evaluation of numerical models for the description of...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Παπαδόπουλος, Κώστας
Other Authors: Καγκάδης, Γεώργιος
Format: Thesis
Language:English
Published: 2017
Subjects:
Online Access:http://hdl.handle.net/10889/10765
id nemertes-10889-10765
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Magnetic fluid hyperthermia
Superparamagnetic nanoparticles
Cancer therapy
Hyperthermia / PET hybrid system
Simulations
Magnetic fields
Μαγνητική υπερθερμία
Μαγνητικά νανοσωματίδια
Υβριδικά συστήματα
Σύστημα υπερθερμίας / PET
Προσομοιώσεις
Μαγνητικό πεδίο
Μαγνητικό ρευστό
Θεραπεία καρκίνου
616.994 075 75
spellingShingle Magnetic fluid hyperthermia
Superparamagnetic nanoparticles
Cancer therapy
Hyperthermia / PET hybrid system
Simulations
Magnetic fields
Μαγνητική υπερθερμία
Μαγνητικά νανοσωματίδια
Υβριδικά συστήματα
Σύστημα υπερθερμίας / PET
Προσομοιώσεις
Μαγνητικό πεδίο
Μαγνητικό ρευστό
Θεραπεία καρκίνου
616.994 075 75
Παπαδόπουλος, Κώστας
Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
description The present thesis was elaborated in terms of obtaining the Master of Science degree in the Interdepartmental Post-graduate Program of Medical Physics at University of Patras. The main objective of the conducted research was the development and evaluation of numerical models for the description of the phenomena that participate in Magnetic Fluid Hyperthermia (MFH) anticancer treatment. Three numerical models were developed, including one model for the simulation of the magnetic field, one for the simulation of heat transfer in the magnetic fluid in the presence of an alternating magnetic field (AMF), and one for the simulation of hyperthermia application on a low-grade cerebral glioma with simultaneous monitoring of the thermotherapy, under PET imaging. For the development of the numerical models, the Comsol Multyphysics simulation software, was used. To simulate the magnetic fields the “Magnetic Fields” physics package was exploited, while for the simulation of the magnetic fluid heating process, the “Non-Isothermal Flow” module was used. For the hyperthermia application within the biological system the “Bioheat Transfer” package was used. The calculation of power dissipation due to magnetic nanoparticles (MNPs) in the heat transfer models, was accomplished via implementation of the Rosensweig’s analytical model. To obtain physical and magnetic properties that correspond to a real system and ensure reliability of the simulations’ results, MNPs were fabricated and characterized via a series of experimental processes, including magnetization measurements by SQUID, transmission electron microscopy (TEM), X-Ray diffraction (XRD) and dynamic light scattering (DLS). Subsequently, the magnetic fluid was heated for different configurations of the AMF. Then, the experimental conditions were imported in the numerical models. The correctness of the magnetic field simulations, was inspected via comparison with analytical expressions emanating from the Biot-Savart law, while the simulation results for the heating of the magnetic fluid, were validated via experimental curves. The parameters of the validated analytical hyperthermia model were imported in the biological model in order to obtain reliable results. However, validation of the bioheat transfer model through experimental data was not feasible. Finally, by recruiting the simulations of the biological model in combination with the “Events” mathematical module, the feasibility of an MFH/PET hybrid system was investigated. Further research is required in order to export safer conclusions regarding the feasibility of this venture, however the results of the present study are notably encouraging.
author2 Καγκάδης, Γεώργιος
author_facet Καγκάδης, Γεώργιος
Παπαδόπουλος, Κώστας
format Thesis
author Παπαδόπουλος, Κώστας
author_sort Παπαδόπουλος, Κώστας
title Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
title_short Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
title_full Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
title_fullStr Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
title_full_unstemmed Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies
title_sort development and evaluation of hyperthermia and pet imaging hybrid system for preclinical studies
publishDate 2017
url http://hdl.handle.net/10889/10765
work_keys_str_mv AT papadopouloskōstas developmentandevaluationofhyperthermiaandpetimaginghybridsystemforpreclinicalstudies
AT papadopouloskōstas montelopoiēsēkaiaxiologēsēsyndyastikousystēmatosyperthermiaskaipetapeikonisēsgiaproklinikesmeletes
_version_ 1771297336816828416
spelling nemertes-10889-107652022-09-05T20:47:45Z Development and evaluation of hyperthermia and PET imaging hybrid system for preclinical studies Μοντελοποίηση και αξιολόγηση συνδυαστικού συστήματος υπερθερμίας και PET απεικόνισης για προκλινικές μελέτες Παπαδόπουλος, Κώστας Καγκάδης, Γεώργιος Καγκάδης, Γεώργιος Νικηφορίδης, Γεώργιος Λούντος, Γεώργιος Papadopoulos, Costas Magnetic fluid hyperthermia Superparamagnetic nanoparticles Cancer therapy Hyperthermia / PET hybrid system Simulations Magnetic fields Μαγνητική υπερθερμία Μαγνητικά νανοσωματίδια Υβριδικά συστήματα Σύστημα υπερθερμίας / PET Προσομοιώσεις Μαγνητικό πεδίο Μαγνητικό ρευστό Θεραπεία καρκίνου 616.994 075 75 The present thesis was elaborated in terms of obtaining the Master of Science degree in the Interdepartmental Post-graduate Program of Medical Physics at University of Patras. The main objective of the conducted research was the development and evaluation of numerical models for the description of the phenomena that participate in Magnetic Fluid Hyperthermia (MFH) anticancer treatment. Three numerical models were developed, including one model for the simulation of the magnetic field, one for the simulation of heat transfer in the magnetic fluid in the presence of an alternating magnetic field (AMF), and one for the simulation of hyperthermia application on a low-grade cerebral glioma with simultaneous monitoring of the thermotherapy, under PET imaging. For the development of the numerical models, the Comsol Multyphysics simulation software, was used. To simulate the magnetic fields the “Magnetic Fields” physics package was exploited, while for the simulation of the magnetic fluid heating process, the “Non-Isothermal Flow” module was used. For the hyperthermia application within the biological system the “Bioheat Transfer” package was used. The calculation of power dissipation due to magnetic nanoparticles (MNPs) in the heat transfer models, was accomplished via implementation of the Rosensweig’s analytical model. To obtain physical and magnetic properties that correspond to a real system and ensure reliability of the simulations’ results, MNPs were fabricated and characterized via a series of experimental processes, including magnetization measurements by SQUID, transmission electron microscopy (TEM), X-Ray diffraction (XRD) and dynamic light scattering (DLS). Subsequently, the magnetic fluid was heated for different configurations of the AMF. Then, the experimental conditions were imported in the numerical models. The correctness of the magnetic field simulations, was inspected via comparison with analytical expressions emanating from the Biot-Savart law, while the simulation results for the heating of the magnetic fluid, were validated via experimental curves. The parameters of the validated analytical hyperthermia model were imported in the biological model in order to obtain reliable results. However, validation of the bioheat transfer model through experimental data was not feasible. Finally, by recruiting the simulations of the biological model in combination with the “Events” mathematical module, the feasibility of an MFH/PET hybrid system was investigated. Further research is required in order to export safer conclusions regarding the feasibility of this venture, however the results of the present study are notably encouraging. Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο της απόκτησης του μεταπτυχιακού τίτλου σπουδών στο διατμηματικό πρόγραμμα Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της έρευνας που διεξήχθη ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση αριθμητικών μοντέλων για την περιγραφή των φαινομένων που συμμετέχουν στη θεραπεία του καρκίνου μέσω Μαγνητικής Υπερθερμίας. Στα μοντέλα που αναπτύχθηκαν συμπεριλαμβάνονται ένα μοντέλο προσομοίωσης μαγνητικού πεδίου, ένα μοντέλο προσομοίωσης της θέρμανσης του μαγνητικού ρευστού παρουσία μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου και ένα μοντέλο προσομοίωσης υπερθερμίας σε χαμηλού βαθμού εγκεφαλικό γλοίωμα με ταυτόχρονη παρακολούθηση της θερμοθεραπείας χρήσει PET απεικόνισης. Για την ανάπτυξη των μοντέλων χρησιμοποιήθηκε λογισμικό προσομοιώσεων Comsol Multiphysics. Για την προσομοίωση των μαγνητικών πεδίων αξιοποιήθηκε το πακέτο φυσικής «Μαγνητικά Πεδία», ενώ για την προσομοίωση της θέρμανσης του μαγνητικού υγρού, η μονάδα «Μη Ισοθερμικής Ροής». Για την υπερθερμία εντός βιολογικού συστήματος χρησιμοποιήθηκε το πακέτο «Βιοθερμικής Μεταφοράς». Ο υπολογισμός εναπόθεσης ενέργειας από τα μαγνητικά νανοσωματίδια στα δύο μοντέλα μεταφοράς θερμότητας πραγματοποιήθηκε με ενσωμάτωση του αναλυτικού μοντέλου του Rosensweig. Προκειμένου να οριστούν φυσικές και μαγνητικές ιδιότητες που ανταποκρίνονται σε πραγματικό σύστημα και να παραχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις, νανοσωματίδια παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν μέσα από μία σειρά πειραματικών διαδικασιών που περιλαμβάνουν, μετρήσεις μαγνήτισης χρήσει SQUID, απεικόνιση μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM), περίθλαση ακτίνων X (XRD) και δυναμική σκέδαση φωτός (DLS). Εν συνεχεία θερμάνθηκαν για διάφορες ρυθμίσεις του μαγνητικού πεδίου. Οι συνθήκες του πραγματικού πειράματος εισήχθησαν στα αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων για την περίπτωση του μαγνητικού πεδίου ελέγχθηκε μέσω σύγκρισης με αναλυτικούς τύπους που απορρέουν από το νόμο των Biot-Savart, ενώ για την θέρμανση του μαγνητικού υγρού πραγματοποιήθηκε πιστοποίηση μέσω σύγκρισης με καμπύλες θέρμανσης που ανακτήθηκαν πειραματικά. Οι παράμετροι του πιστοποιημένου αναλυτικού μοντέλου υπερθερμίας, εισήχθησαν στο βιολογικό μοντέλο προκειμένου να παραχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα, τα οποία δυστυχώς δεν υπήρξε η δυνατότητα να πιστοποιηθούν με πειραματικά δεδομένα. Τέλος, αξιοποιώντας τις προσομοιώσεις του βιολογικού μοντέλου σε συνδυασμό με μαθηματικά πακέτα «Γεγονότων», διερευνήθηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ενός υβριδικού συστήματος, μαγνητικής υπερθερμίας με ταυτόχρονη PET απεικόνιση. Περισσότερη έρευνα χρειάζεται για την εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων σχετικά με την δυνατότητα διεκπεραίωσης ενός τέτοιου εγχειρήματος, αλλά τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά. 2017-11-10T09:00:55Z 2017-11-10T09:00:55Z 2016-08-02 Thesis http://hdl.handle.net/10889/10765 en 12 application/pdf