Η αντιμετώπιση του καρκίνου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα θέματα που καλείται να αντιμετωπίσει η σύγχρονη επιστήμη. Η αποτελεσματική αντιμετώπιση μόνο των καρκινικών κυττάρων χωρίς την οποιαδήποτε επίδραση στα υγιή κύτταρα αποτελεί τον υπέρτατο σκοπό στη θεραπεία του καρκίνου. Η θέρμανση συγκεκριμένων βιολογικών καρκινικών ιστών και οργάνων ανάμεσα στις θερμοκρασίες μεταξύ 41 και 45oC με σκοπό τη θεραπεία του καρκίνου ονομάζεται “Υπερθερμία” (Hyperthermia). Η υπερθερμία πλεονεκτεί των άλλων μεθόδων θεραπείας του καρκίνου (ακτινοθεραπεία, χημειοθεραπεία) καθώς δεν επιφέρει καμία επίπτωση στα υγιή κύτταρα. Επίσης, ο συνδυασμός της επαγωγικής υπερθερμίας μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω, εάν συνδυαστεί και με άλλες θεραπευτικές τεχνικές που δρουν συνεργιστικά, όπως είναι για παράδειγμα η στοχευμένη μεταφορά φαρμάκου και η ακτινοθεραπεία. Κρίνεται απαραίτητο να υπάρχει ένας μηχανισμός ελέγχου της εσωτερικής θερμοκρασίας των ιστών στην περιοχή εφαρμογής της υπερθερμίας και ο έλεγχος αυτός θα ήταν επιθυμητό να γίνεται μη επεμβατικά, χωρίς την εμφύτευση ειδικών θερμομέτρων στο εσωτερικό του ανθρώπινου οργανισμού. Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος, για την αντιμετώπιση των καρκινικών όγκων, είναι η ταυτόχρονη απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό (ΑΜΣ) και θεραπεία με ελεγχόμενη επαγωγική υπερθερμία, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση κατάλληλα σχεδιασμένων νανοσωματιδίων. Η εφαρμογή της μεθόδου προϋποθέτει τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών και μεθοδολογιών αύξησης και καταγραφής της θερμοκρασιακής μεταβολής σε κλίμακες υπερθερμίας, με χρήση κλινικού συστήματος ΑΜΣ, για την μέτρηση της θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο.

Σκοπός της Έρευνας

Σκοπός της προτεινόμενης έρευνας είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών και μεθοδολογιών καταγραφής της θερμοκρασιακής μεταβολής υλικών σε κλίμακες υπερθερμίας, με χρήση κλινικού συστήματος Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ), για την τελική μέτρηση της θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο (χρόνους της τάξης των msec). Η επίτευξή του απαιτεί την εφαρμογή εξελιγμένων τεχνικών ΑΜΣ που αυτόνομα η/και σε συνδυασμό με κατάλληλα επισημασμένα νανοσωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή ελεγχόμενης επαγόμενης υπερθερμίας με ταυτόχρονη καταγραφή της θερμοκρασίας στο σύστημα ΑΜΣ.

Στόχοι του Έργου

Οι βασικοί στόχοι του έργου είναι:

(Α) ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός πρωτότυπου συστήματος, πλήρως συμβατού με κλινικά συστήματα μαγνητικής τομογραφίας, που θα είναι εξοπλισμένο με ειδικές διατάξεις αύξησης της θερμοκρασίας (κλασσικό και επαγωγικό θερμαντήρα) σε κλίμακες ήπιας υπερθερμίας και ταυτόχρονη καταγραφή της θερμοκρασίας με κατάλληλους αισθητήρες θερμομέτρησης.

Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου κατασκευάσθηκαν αρχικά ένα σύστημα κλασσικού θερμαντήρα και στην συνέχεια δύο ξεχωριστά συστήματα επαγωγικών θερμαντήρων χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές κεραίες εκπομπών ραδιοσυχνοτήτων, ένα σύστημα στην συχνότητα των 27.1 MHz(κεραία βραχέων ραδιοφωνικών κυμάτων) και ένα σύστημα στην συχνότητα των 2.400 MHz (2.4 GHz) (κεραία μικροκυμάτων).

Τα κύρια εξαρτήματα του συστήματος κλασσικού θερμαντήρα περιλαμβάνουν :

• Την αρχική δεξαμενή νερού (waterbathtank) που αποτελεί μια κλασσική δεξαμενή ελεγχόμενης θέρμανσης νερού. Ορίζεται η επιθυμιτή θερμοκρασία και η συσκευή θερμαίνει το νερό αυτόματα.
• Ειδικοί λαστιχιένοι σωλήνες διαμέτρου περίπου 1cmκαι συνολικού μήκους 10 mγια την μεταφορά του θερμού νερού από την αρχική δεξαμενή στον γυάλινο εναλλάκτη θερμότητας.
• ΚυκλοφορητήςDCγια την ρύθμιση της ροής του θερμού νερού.
• Γυάλινος ειδικός εναλλάκτης θερμότητας.
• Δεξαμενή θέρμανσης και τοποθέτησης δειγμάτων.

Τα κύρια εξαρτήματα του συστήματος επαγωγικού θερμαντήρα βραχέων ραδιοφωνικών κυμάτων στην συχνότητα των 27.1 MHzπεριλαμβάνουν :

• Την γεννήτρια παραγωγής βραχέων ραδιοφωνικών κυμάτων στην συχνότητα των 27.1 ΜΗzκαι τελική ισχύ συνεχούς εκπομπής περίπου στα 200 W.
• Ένα ζεύγος από ειδικά πολύκλωνα ηλεκτρικά καλώδια διαμέτρου 0.8 cm, συνολικού μήκους 6 mγια την αποδοτική μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύος από την γεννήτρια στους ηλεκτρικούς εφαρμογείς(applicators).
• Τους ηλεκτρικούς εφαρμογείς (applicators) που αποτελούνται από δύο μεταλλικούς δίσκους από αλουμίνιο τοποθετημένους μέσα σε μια ειδική θήκη από Teflonκαι φελλό. Οι εφαρμογείς διαρρέονται από υψίσυχνο ρεύμα και αποτελούν πρακτικά τους μεταλλάκτες της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα όταν ανάμεσά τους τοποθετούνται τα προς θέρμανση δείγματα/υλικά.
• Ειδική ξύλινη βάση για την στήριξη των ηλεκτρικών εφαρμογέων και την τοποθέτηση των δειγμάτων για την τελική θέρμανση.

Τα κύρια εξαρτήματα του συστήματος επαγωγικού θερμαντήρα μικροκυμάτων στην συχνότητα των 2.400 MHzη (2.4 GHz) περιλαμβάνουν :

• Την γεννήτρια παραγωγής μικροκυμάτων στην συχνότητα των 2.400 ΜΗzκαι τελική ισχύ συνεχούς εκπομπής περίπου στα 250 W.
• Ένα ειδικό σύστημα κυματοδήγησης αποτελούμενο από κυματοδηγό μικτής κατασκευής διαμέτρου 18 cm,συνολικού μήκους 3mγια την αποδοτική μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύος από την γεννήτρια κατευθείαν στο θερμαινόμενο δείγμα. Ο κυματοδηγός είναι κατασκευασμένος από αλουμίνιο και ανοξείδωτο χάλυβα.
• Ειδικός ανακλαστήρας από αλουμίνιο η άργυρο για την βελτιστοποίηση της απόδοσης του θερμαντήρα κοντά στην έξοδο του κυματοδηγού.
• Ειδική ξύλινη βάση για την στήριξη τουκυματοδηγού και του ανακλαστήρα και την τοποθέτηση των δειγμάτων για την τελική θέρμανση.

Όλα τα παραπάνω συστήματα των θερμαντήρων σχεδιάσθηκαν έτσι ώστε να είναι συμβατά με τα σημερινά σύγχρονα κλινικά συστήματα Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ) (κλινικά συστήματα μαγνητικής τομογραφίας). Τα υλικά στον κλασσικό θερμαντήρα είναι στο μεγαλύτερο ποσοστό τους πλαστικά. Εννοείται ότι η αρχική δεξαμενή του νερού και ο κυκλοφορητής βρίσκονται εκτός του ακτινολογικού θαλάμου του συστήματος ΑΜΣ. Σε αντίθεση με τον κλασσικό θερμαντήρα, που κάποια μαγνητικά εξαρτήματά του τοποθετούνται εκτός του ακτινολογικού θαλάμου, οι επαγωγικοί θερμαντήρες τοποθετούνται στο σύνολό τους μέσα στον ακτινολογικό θάλαμο. Όταν εκπέμπεται ηλεκτρική ισχύς από τις γεννήτριες το σύστημα ΑΜΣ βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής (standby). Σημαντικό να αναφέρουμε ότι τα κλινικά συστήματα ΑΜΣ λειτουργούν υποχρεωτικά μέσα σε κλωβούς Faraday. Ο κλωβός Faradayλειτουργεί αποδοτικά στην θωράκιση από την συνεχή εκπομπή ραδιοσυχνοτήτων (είτε βραχέα ραδιοφωνικά κύματα είτε μικροκύματα). Κατά την διάρκεια των εκπομπών ραδιοσυχνοτήτων στις πειραματικές διαδικασίες παραμένουμε απόλυτα ασφαλείς.

Στα τελικά μας πειράματα με την χρήση κλασσικών θερμαντήρων καταφέραμε να θερμάνουμε μια ομάδα δειγμάτων σε θερμοκρασιακές κλίμακες ήπιας υπερθερμίας (από 37 στούς 45^oC) σε χρόνο περίπου 4 h. Τα δεδομένα αλλάζουν δραματικά όταν χρησιμοποιούμε τους επαγωγικούςθερμαντήρες. Με την χρήση του επαγωγικού θερμαντήρα βραχέων ραδιοφωνικών κυμάτων ο χρόνος θέρμανσης για την ίδια ομάδα δειγμάτων και για την ίδια θερμοκρασιακή κλίμακα μειώνεται στα 40 λεπτά της ώρας. Όταν γίνεται χρήση του επαγωγικού θερμαντήρα μικροκυμάτων ο χρόνος θέρμανσης μειώνεται δραματικά σε περίπου 10 λεπτά της ώρας.

(Β) Προσαρμογή του συστήματος ελέγχου και καταγραφής της θερμοκρασίας στο κλινικό σύστημα Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού

Έγινε η τελική προσαρμογή του τελικού συστήματος ελέγχου και καταγραφής της θερμοκρασίας μέσα στο κλινικό σύστημα ΑΜΣ. Από τα τρία συστήματα που σχεδιάσθηκαν και υλοποιήθηκαν δώθηκε έμφαση στο σύστημα επαγωγικού θερμαντήρα μικροκυμάτων.

Στο σύστημα αυτό ενσωματώθηκε συσκευή ελέγχου και καταγραφής της θερμοκρασίας με χρήση τεχνολογίας οπτικών θερμομέτρωνφθορισμού. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερεις (4) αισθητήρες οπτικών θερμομέτρων φθορισμού, ο καθένας με ενεργό όγκο μέτρησης θερμοκρασίας 0.5 mm³ και ακρίβεια 0.1 ^οC. Οι αισθητήρες αυτοί τοποθετήθηκαν μέσα σε επιλεγμένα δείγματα και ακτινοβολήθηκαν με χρήση του συστήματος επαγωγικού θερμαντήρα μικροκυμάτων. Έγινε καταγραφή των αποτελεσμάτων θέρμανσης με χρήση ειδικού λογισμικού (TrueTempSoftware) της εταιρίας LUXTRON.

(Γ) Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση κατάλληλου απεικονιστικού πρωτοκόλλου μαγνητικής τομογραφίας για την μέτρηση θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο.

Υλοποιήθηκε πλήρως ο σχεδιασμός ενός γρήγορου πρωτοκόλλου μαγνητικής τομογραφίας για την μέτρηση της θερμοκρασίας σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Ο χρόνος λήψης της ακολουθίας είναι μόλις 2 sec. Η ακολουθία αυτή ανήκει στην ομάδα ακολουθιών τύπου HASTE (HalffourierAcquisitionSingleShotTurboSpinEcho). Με απλή οπτική επισκόπηση είναι δυνατός ο έλεγχος του αποτελέσματος της θέρμανσης. Για την τελικό παραμετρικό πίνακα θερμοκρασίας χρειάζονται επιπλέον 1 με 2 mins ανάλογα με την υπολογιστική ισχύ του συστήματος ανάλυσης/επεξεργασίας εικόνων. Αναλυτικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Παραδοτέο 3 του συγκεκριμένου έργου.

(Δ) Βαθμονόμηση του συστήματος ΑΜΣ για την καταγραφή θερμοκρασιών με χρήση κατάλληλων μεθόδων μέτρησης. Συγκεκριμένα, θα πραγματοποιηθεί βαθμονόμηση του συστήματος ΑΜΣ για τη μέτρηση θερμοκρασιών:  (Ι) μέσω των μετρήσεων του φαινομενικού συντελεστή αυτοδιάχυσης του νερού  (ApparentDiffusionCoefficient, ADC),  (ΙΙ) μέσω των μετρήσεων των χρόνων μαγνητικής αποκατάστασης Τ1 και  (ΙΙΙ) μέσω των μετρήσεων της επαγόμενης διαφοράς φάσης (Δφ)  στην κινητικότητα των μορίων του νερού.

Υλοποιήθηκε πλήρως ο έλεγχος των ακολουθιών μέτρησης θερμοκρασίας σε επιλεγμένα δείγματα ελέγχου. Χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές μετρητικής χρόνων μαγνητικής αποκατάστασης (Τ2*, Τ2 και Τ1), τεχνικές ποσοτικοποίησης διάχυσης (Μετρήσεις ADC) και τεχνικές μέτρησης της επαγόμενης διαφοράς φάσης (Δφ). Από όλες τις τεχνικές η πλέον αποδοτικότερη στις μετρήσεις θερμοκρασίας αναδείχθηκε η τεχνική μέτρησης των χρόνων Τ2 με την ακολουθία τύπου HASTE.  Αναλυτικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Παραδοτέο 3 του συγκεκριμένου έργου.