Διηλεκτρικές μετρήσεις σε βιολογικούς ιστούς θηλαστικών

Σούλη, Μαρία; Souli, Maria

dc.contributor.author	Σούλη, Μαρία	el
dc.contributor.author	Souli, Maria	en
dc.date.accessioned	2017-03-06T10:32:56Z
dc.date.available	2017-03-06T10:32:56Z
dc.date.issued	2017-03-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44507
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6656
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιολογικοί ιστοί	el
dc.subject	Αγωγιμότητα	el
dc.subject	Καρκίνος	el
dc.subject	γ-ακτινοβολία	el
dc.subject	Διηλεκτρική φασματοσκοπία	el
dc.subject	Tissues	en
dc.subject	γ- radiation	en
dc.subject	Cancer	en
dc.subject	Conductivity	en
dc.subject	Dielectric relaxation spectroscopy	en
dc.title	Διηλεκτρικές μετρήσεις σε βιολογικούς ιστούς θηλαστικών	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Βιοφυσική και ιατρική Φυσική	el
heal.classification	Οπτικές ιδιότητες	el
heal.classification	Φασματοσκοπία	el
heal.classification	Αλληλεπιδράσεις ακτινοβολίας/σωματιδίων με τη συμπυκνωμένη ύλη	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/b58a5db672dcbfe713694ce50ea555dbe4680c37
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/bd82642fcdbb4b8deecdafa23ae0de55f979eb2e
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-14
heal.abstract	Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αποτελεί μια βιοφυσική μελέτη των διηλεκτρικών ιδιοτήτων βιολογικών ιστών θηλαστικών και της επίδρασης της ιοντίζουσας και μη ακτινοβολίας σε αυτούς. Επίσης, ανθρώπινοι όγκοι (προστάτη και πνεύμονα) μελετήθηκαν στα πλαίσια της ίδιας μεθοδολογίας. Βασικός στόχος είναι η εισαγωγή της μεθόδου της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Εναλλασσομένου Πεδίου (Dielectric Relaxation Spectroscopy- DRS) στη μελέτη της δομής βιολογικών ιστών που έχουν υποστεί διαφόρων μορφών καταπονήσεις και η μελέτη της ενδεχόμενης χρήσης της μεθόδου ως διαγνωστικό εργαλείο διαφόρων παθήσεων. Μελετήθηκαν ιστοί αρουραίων και ανθρώπων, υγειών και καταπονημένων, είτε από τον ίδιο οργανισμό (ιστοί απομακρυσμένοι από τη βλάβη) είτε από αντίστοιχο control, ώστε να είναι εφικτή η μεταξύ τους σύγκριση. Συγκεκριμένα, αρουραίοι εκτέθηκαν σε γ-ακτινοβολία (δόση 5Gy) ή σε ραδιοκυματικές συχνότητες DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) και μελετήθηκαν το δέρμα ή η παρεγκεφαλίδα τους αντίστοιχα. Ένα ακόμη είδος καταπόνησης ιστού που μελετήθηκε είναι ο καρκίνος του πνεύμονα και του προστάτη στον άνθρωπο. Στο ίδιο πνεύμα με τα πειράματα ακτινοβόλησης, έγινε εκτομή ιστού από παθογόνο περιοχή και από ένα τμήμα του οργάνου που ήταν απομακρυσμένο από τη βλάβη. Σε όλα τα ιστοτεμάχια εφαρμόστηκε η τεχνική της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Εναλλασσομένου Πεδίου (DRS), έγινε δηλαδή ισόθερμη καταγραφή της μιγαδικής διηλεκτρικής συνάρτησης για διεγείρον πεδίο 10-1-10-6 Hz, σε θερμοκρασίες -150 oC ως 20oC. Όπου κρίθηκε απαραίτητο χρησιμοποιήθηκε συμπληρωματικά η μέθοδος της ισόθερμης αφυδάτωσης σε ισορροπία (Equilibrium water Desorption Isotherm- EDI) για να εκτιμηθεί η υδάτινη συνιστώσα του ιστού στα διάφορα στάδια των πειραμάτων. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και κάποια χρήσιμα υπολογισθέντα μεγέθη, όπως η αγωγιμότητα, παρατέθηκαν σε πίνακες και συγκριτικά διαγράμματα, ενώ από την ανάλυση των αποτελεσμάτων σε συνδυασμό με την υπάρχουσα βιβλιογραφία εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα για την ορθότητα των μετρήσεων και τον χειρισμό τέτοιου είδους δοκιμίων. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος εφαρμόστηκε με επιτυχία σε αυτά τα ιδιαίτερης γεωμετρίας και ευαισθησίας «υλικά» και τα φάσματα των διηλεκτρικών μεγεθών που καταγράφηκαν ακολουθούν το βιβλιογραφικό πρότυπο. Πολύ σημαντικό είναι το γεγονός ότι μετά από αμερόληπτη ανάλυση εντοπίστηκαν και ταυτοποιήθηκαν οι α-, β-, γ- μηχανισμοί (α-, β-, γ- dispersions της βιβλιογραφίας), αλλά και το συνονθύλευμα υπο-μηχανισμών, δ-dispersion, που αφορά τις διπολικές ροπές των βιομορίων (πρωτεΐνες) και δέσμιο σε αυτά νερό και αποτελεί το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των βιολογικών υλικών σε σχέση με τα υπόλοιπα φυσικά ή τεχνικά υλικά. Η ήπιας φύσης ακτινοβολία DECT δε φαίνεται να προκαλεί συγκεκριμένη διαφοροποίηση στο πραγματικό, ε΄, και το φανταστικό, ε΄΄, μέρος της διηλεκτρικής συνάρτησης της παρεγκεφαλίδας των αρουραίων, ενδεχομένως λόγω της εξίσου ήπιας αλληλεπίδρασης με τους ιστούς. Αντίθετα, καταγράφηκαν κάποιες πρώτες ενδείξεις μείωσης της αγωγιμότητας, σAC, των ιστών δέρματος αρουραίων που έχουν εκτεθεί στην κατά πολύ ισχυρότερη γ-ακτινοβολία. Εστιάζοντας στην αγωγιμότητα στους 20oC, για πρακτικούς λόγους, και στη συχνότητα 105Hz, όπως προτείνει η βιβλιογραφία, παρατηρήθηκε ικανοποιητική συμφωνία της με τις βιβλιογραφικές τιμές για την πλειοψηφία των δειγμάτων. Αυτό ισχύει και για τα δείγματα ανθρώπινου πνεύμονα που μελετήθηκαν, με τις τιμές αγωγιμότητας των καρκινικών ιστών να είναι μεγαλύτερες, γεγονός που υποδηλώνει πιθανή ικανοποιητική διακριτική ικανότητα της μεθόδου στην κατεύθυνση της ιατρικής διάγνωσης. Αντίθετα με τους ιστούς πνεύμονα, οι περιπτώσεις αδενοκαρκινωμάτων του προστάτη μεγάλου δείκτη Gleason εμφανίζουν μικρότερη τιμή αγωγιμότητας στη συγκεκριμένη συχνότητα, όπως και στη βιβλιογραφία. Τέλος, η εξαγωγή αυτών των αποτελεσμάτων, τα οποία είναι άκρως ενδιαφέροντα αλλά αρκετά σύνθετα και πρώιμα, και η αντιπαραβολή τους με τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας καταδεικνύουν την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη των βιολογικών δομών με τη συγκεκριμένη μέθοδο με στόχο την εξαγωγή ασφαλέστερων συμπερασμάτων μέσω καλύτερης στατιστικής, για την ανάδειξη ενός συγκεκριμένου πρωτοκόλλου μέτρησης, τον υπολογισμό της ευαισθησίας της μεθόδου και τον καθορισμό συγκεκριμένων ποσοτικοποιημένων ανώτερων/κατώτερων ορίων για κάθε παθογόνο κατάσταση.	el
heal.abstract	The present work constitutes a biophysical study of the dielectric properties of biological mammalian tissues and the effects of ionizing and non-ionizing radiation. In addition human tumor (prostate and lung) tissues were studied following the specific methodologies. The aim was the use of the Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) in the field of structural studies of tissues with different types of stresses and the examination as to whether the method employed is sufficient enough for use in non-invasive diagnostics. This study includes rat and human tissues, healthy and stressed, exciled either from the same organism (parts remote from the maleficence) or from a healthy animal used as control, in order to allow comparison between them as counterparts. Specifically, rats were exposed to γ-irradiation (a dose of 5Gy) or to DECT radiofrequencies (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) and their skin or cerebellum (respectively) was studied. Furthermore, another type of stress was included, ie lung and prostate cancer in humans. In the same experimental philosophy, tumor and remote from tumor tissues were exciled. All samples were subjected into DRS measurements, which means isothermal recording of the complex dielectric permittivity responding to 10-1-10-6 Hz alternate electric field for temperatures between -150 oC and 20oC. Additionally, Equilibrium water Desorption Isotherm (EDI) method was employed when necessary to evaluate the water content of tissues during the different experimental stages. Measurements and some critical calculated quantities like conductivity are presented in comparative diagrams and tables. Useful conclusions were extracted from data analysis, in combination with respective literature, regarding the measurement accuracy and tissue handling. More specifically, DRS method was successfully employed in biopolymeric materials with such a complex geometry and high sensitivity and the recorded dielectric magnitudes spectra form meets the bibliographic standards. A fact of outmost importance is the detection of multiple relaxation mechanisms after unbiased data analysis, the identification of them as literature’s α-, β- and γ- dispersions and the confirmation of δ- dispersions’ existence, which are faint overlapping sub-dispersions attributed to the dipolar moments of large bio-molecules (proteins) and their bound water. The later dispersion is a particular feature of the biological matter in relation to the other physical or artificial polymeric materials. The mild nature of DECT does not appear to cause an actual difference in the dielectric permittivity, ε΄, and the dielectric loss , ε΄΄, spectra of rat cerebellum, possibly due to equally mild interaction of electromagnetic radiation with this particular part of the brain tissue. On the other hand, some first signs of reduction in conductivity, σAC, were recorded in the measurements of rat skin which was exposed to the more effective γ- irradiation. Focusing on the magnitude of conductivity in 20oC, for practical reasons, and in the frequency of 105Hz, as suggested in literature, there was observed satisfactory agreement with the literature values for the majority of samples. This also includes the human lung tissues, which, furthermore, showed greater values of conductivity in case of malignancy than in the healthy ones. This fact indicates the possible satisfactory resolution of DRS technique towards its potential contribution in medical diagnosis. Unlike lung tissues, the conductivity of high Gleason score prostate adenocarcinoma appears to be of lower value in this particular frequency, as suggested in literature. Finally it should be marked that the extraction of these interesting, but rather complex and insufficient, results and their comparison with the previous relative work, underline the need for further investigation of biological structures with the DRS method. Better statistics are of vital importance in the direction of establishing a standard protocol, exploiting the sensitivity of the method, determining specific quantified thresholds for each pathogenic situation and drawing univocal conclusions.	en
heal.advisorName	Γεωργακίλας, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Κυρίτσης, Απόστολος	el
heal.committeeMemberName	Μακροπούλου-Λουκογιαννάκη, Μυρσίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	94 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true