T1-ağırlıklı 3-boyutlu Mrı Datası Kullanılarak Gerçekçi Mikrodalga Göğüs Modelleri Üretilmesi

Abstract

Son yıllarda, meme kanserinin erken teşhisi konusunda mikrodalga görüntüleme alanında yapılan çalışmalar popülerlik kazanmıştır. Bu bağlamda, insan memesinin elektromanyetik sayısal modelleri bu konuda çalışan araştırmacılara, hızlı deneysel analizler yaparak yeni teknolojilerin fizibilitesinin artırılması ve böylece daha iyi görüntüleme tekniklerinin ve aygıtlarının geliştirilmesi konularında yardımcı olmaktadır. Literatürde özel olarak sayısal mikrodalga meme modellerini konu alan bu ilk çalışmada arzu edilen türde bir model üretilebilmesi için 3 ana adım içeren bir yöntem öne sürülmüştür. Bu yöntemin alt adımları kısaca: MRI verisindeki gürültünün homomorfik filtreleme ile giderilmesi, dokuların Gauss Karışım Modeli (GMM) ile segmentasyonu ve elektromanyetik özelliklerin parçalı-doğrusal eşleme fonksiyonları ile eşlenmesi olarak tarif edilebilir. Bu çalışmada, mikrodalga meme görüntülemesi çalışmalarında kullanılmak üzere değişik şekil, ebat ve radyografik yoğunluklarda 3-boyutlu sayısal mikrodalga meme modelleri üretilmesi için etkin ve kendi kendine işleyebilen bir yöntem sunulmuştur. Memenin heterojen yapısının mekânsal bilgisi, memelerinde bir anomaliye rastlanmayan değişik hastaların yüz üstü pozisyonda alınmış T1-ağırlıklı 3-boyutlu MRI verileri kullanılarak elde edilmiştir. Dokulara ait her bir sınıf ile elektromanyetik özellikler arasında tekdüze parçalı kübik Hermitte interpolasyon yöntemi kullanılarak doğrusal olmayan bir ilişki kurulmuştur. İlgili meme dokularının elektromanyetik özellikleri Debye and Cole-Cole dağılım modelleri üzerinden tercih edilen çalışma frekansına göre belirlenmiş, böylece MRI verisindeki her bir voksel değeri uygun bağıl geçirgenlik ve iletkenlik değerleri ile eşlenmiştir. Bağıl geçirgenlik ve iletkenlik dağılımlarına dönüştürülen MRI kesitleri, doğrusal interpolasyon ile 3-boyutlu ve gerçekçi bir yapıya dönüştürülmüştür.

Recent years, early detection of breast cancer in the field of electromagnetic imaging has gained high popularity. In this context, computational electromagnetic models of the human breast are used to help researchers develope better techniques and instruments for imaging, increasing the feasibility of new technologies, and doing fast experimental analysis. In this study, an effective and automated methodology for realistic numerical 3-D breast phantom development of different shapes, size and radiographic density in order to be used for different electromagnetic simulation models in microwave breast imaging research is presented. The spatial information of heterogeneity of the breast structure is collected from T1-weighted MRI slices of different patients’ in prone position with normal breast tissue (not malignant or abnormal). Each voxel in MRI data was mapped to the appropriate dielectric properties using several steps. First, bias field appears on each slice in MRI data was estimated and eliminated. After filtering of all slices, voxels belong to adipose and glandular tissues were classified into four categories. Then those tissue categories were related to electromagnetic properties of relative permittivity and conductivity by monotone piecewise polynomial cubic Hermite interpolation. Electromagnetic properties of the breast tissue are expanded to desired frequency using Debye dispersion models. Each voxel intensity value is nonlinearly mapped to the appropriate electromagnetic properties of the corresponding breast tissue. Later, the resultant slices of permittivity and conductivity are linearly interpolated to form a proper 3-D breast structure.