BE- Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Konu "Mammography" ile BE- Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeCompressed sensing based 3D image reconstruction in digital breast tomosynthesis and micro-bioimaging(Bilişim Enstitüsü, 2018) Polat, Adem ; Yıldırım, İsa ; 519901 ; Satellite Communication and Remote Sensing ; Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan AlgılamaMeme kanseri, dünyada kadınlar arasında görülen en yaygın kanser türüdür. Kanserin erken teşhisi hastalığın tedavisinde çok önemli bir yer tutmaktadır. Erken teşhis araçlarından biri de görüntülemedir. Elektronik Mühendisliği açısından görüntüleme, görüntü geri çatma teknikleri ve görüntü işleme olarak ele alınmaktadır. Bu doktora tezinde, hızla gelişen görüntü geri çatma teknikleri ve görüntü işleme metotlarındaki yeni yaklaşımların kanserli hücre ve doku (örneğin meme kanseri) üzerine yapılan çalışma alanlarına uygulanması kapsamında iki ana proje çalışılmıştır. İlk proje olarak mevcut görüntü geri çatma algoritmalarının limitasyonları ve tıkanıklıkları göz önünde bulundurularak 12 radyasyon doz seviyesinde gerçek meme fantomu kullanılarak sayısal meme tomosentezinde (SMT) (digital breast tomosynthesis-DBT) sıkıştırılmış algılama tabanlı 3-boyutlu (3B) görüntü geri çatma yöntemleri geliştirilmiş ve önerilmiştir. İkinci proje kapsamında mikro biyogörüntülemede (micro-bioimaging) kanserli hücre kolonisi, tümör, kanserli doku, biyopsi, lab-on-a-chip gibi çeşitli biyolojik örnekleri açısal tarama yaparak 3B görüntüleyebilen 3B biyogörüntüleme cihazı (robotic 3D micro-bioimaging tool) geliştirilmiştir. Hastalık tanı ve teşhisinde medikal görüntüleme önemli bir teknolojidir. Yapısal ve fonksiyonel görüntüleme olarak adlandırılan ve farklı amaçlar için kullanılan iki ana medikal görüntüleme sınıfı mevcuttur. Yapısal görüntüleme ile anatomik yapılar incelenir. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), Röntgen ve bilgisayarlı tomografi (BT) yapısal görüntüleme tekniklerinin en önemlileridir. Fonksiyonel görüntüleme ise insan vücudundaki özel bir fonksiyonu analiz eden bir tekniktir. En önemlileri Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) ve Positron Emission Tomography (PET)'dir. Tomografi Yunan kökenli "tomos" (dilim) ve "graph" (tanımlama) kelimelerinin birleşiminden oluşmuştur. İngiliz mühendis Godfrey Hounsfield ve Güney Afrika doğumlu fizikçi Allan Cormack tarafından 1972 yılında geliştirilmiştir. Bu sebeple Hounsfield ve Cormack 1979 yılında Nobel Tıp Ödülü'ne layık görülmüşlerdir. Bilgisayarlı tomografi (BT), vücut içine girmeksizin vücut içini görüntülemek suretiyle çeşitli hastalıkların tanı ve teşhisinde kullanılmasıyla tıpta devrim yaratmıştır. Radyografinin bir formu olan BT günümüzde çok yaygın bir medikal görüntüleme uygulamasıdır. X-ışın kaynağının bir eksen etrafında döndürülmesiyle toplanan 2-boyutlu (2B) radyografik görüntülerden nesnenin 3B görüntüsü elde edilebilmektedir. Ulusal Meme Kanseri Vakfının (NBCF: National Breast Cancer Foundation, Inc.,) 2010 yılında yapmış olduğu araştırmaya göre her yıl kadınlar arasında 200.000 yeni meme kanseri vakası ve 40.000 ölüm yaşanmaktadır. Türkiye'de Sağlık Bakanlığının 2008 verilerine göre meme kanseri %41.6 oranıyla kadınlar arasında en sık görülen hastalık olmuştur. Bunu %15.3 ile tiroid, %13.5 ile kolorektal, %8.7 ile uterus korpusu, %8.4 ile trakea, akciğer ve bronş, %8 ile mide, %6.5 ile over, %4.7 ile non-hodgking lenfoma, %4.4 ile uterus serviksi, %4.2 ile beyin ve diğer sinir sistemi kanserleri takip etmektedir. Kadın meme dokusu süt üretme bezleri (lobules), süt taşıma kanalları (ducts) ve bağ dokusu (stroma) olmak üzere üç ana kısımdan meydana gelir. Bağ dokusu kan damarları, lenfatik damarlar ve yağ dokusunu çevreler. Bazı kanserler süt üretme bezlerinden başlarken (lobular cancers), çoğunluğu süt taşıma kanallarında (ductal cancers) meydana gelir. Mamografi yönteminin, birçok avantajlarının yanında tanı görüntülemesinde yaklaşık %20 oranında kanserli hücreyi kaçırdığı tahmin edilmektedir. 2B görüntülemeden kaynaklı dokunun üst üste binme problemi mamografinin en büyük kısıtlarındandır. Sayısal meme tomosentezi (SMT) ise yüksek çözünürlüklü 3B görüntü elde etme imkânı sunan yeni görüntüleme yaklaşımıdır. Bu sayede SMT ile geleneksel mamografide karşılaşılan dokunun üst üste binme problemi nedeniyle dokular arasına gizlenen kanserli hücreler daha kolay algılanabilmektedir. SMT'de plakalarla sıkıştırılan meme etrafında bir yay şeklinde ve genellikle 50 derecelik tarama açısı ile hareket eden X-ışın tüpünden gönderilen radyasyon meme altındaki detektöre düşürülerek memenin 2B projeksiyonları elde edilir. Uygulamalarda yaygın olarak SMT'de 11-60 derece tarama açısı ile 9-25 arasında projeksiyon elde edilir. Bu projeksiyonlar daha sonra çeşitli görüntü geri çatma yöntemleriyle geri çatılarak dilim dilim 3B geri çatılmış meme görüntüsü elde edilir. Böylece doku üst üste binmesi problemi nedeniyle meydana gelen yanlış pozitif ve yanlış negatif oranları azaltılabilir. SMT'nin radyasyon nedeniyle sınırlı açıda ve sınırlı sayıda tarama yapması ise dezavantajdır. SMT Y=AX lineer cebirsel denklem formu ile yazılabilen hedef nesnenin (X) 3B geri çatılmış görüntüsünü elde eden yenilikçi bir görüntüleme modelidir. Y=AX formunda Y gözlenen veri (projeksiyon) vektörü, A ışın izleme geometrisini modelleyen sistem matrisi, X ise 3B görüntülenmesi istenen nesnenin vektör formunu göstermektedir. Lineer denklem katsayılarını içeren A sistem matrisi yinelemeli geri çatma algoritmasının uygulanması için elde edilmelidir. Geri çatılan 3B görüntü, sınırlı açıda ve sınırlı sayıda taramayla elde edilen 2B projeksiyonlardan elde edildiğinden eksik veri problemi olarak adlandırılan önemli bir kısıt ortaya çıkmaktadır. Bu kısıtı aşmak için ileri düzey 3B görüntü geri çatma algoritmalarının geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Literatürde bir yinelemeli yöntem olan cebirsel geri çatma tekniğinin (algebraic reconstruction technique (ART)) ve bir analitik yöntem olan filtrelenmiş geri izdüşüm tekniğinin (filtered back projection (FBP)) SMT gibi ileri tıp teknolojisinde uygulandığından bahsedilmektedir. Bu doktora tezinde ART ile 3B görüntü geri çatılmıştır. ART algoritmasında, Y=AX formundaki, ışın izleme geometrisini modelleyen sistem matrisini (A) elde etmek için Siddon'un 3B ışın izleme algoritması kullanılmıştır. ART ile elde edilmiş geri çatılmış 3B görüntünün kalitesini arttırmak için sıkıştırılmış algılama tabanlı bir uygulama olan (compressed sensing based application) 3B toplam değişinti algoritması TV3D (3-dimensional total variation) ART sonrası elde edilen geri çatılmış 3B görüntüye uygulanmıştır. İlk projede iki ayrı alt çalışma yapılmıştır. İlk olarak 3B toplam değişinti temelli maksimizasyon-minimizasyon algoritması (majorization-minimization (MM) based on 3D total variation) yinelemeli görüntü geri çatma literatüründe yenilikçi bir yaklaşım olarak sunulmuştur (ART+TV3D+MM). İkinci olarak ART, ART+TV3D ve ART+TV3D+MM yöntemleri ile elde edilen geri çatılmış görüntüler 12 farklı radyasyon dozu için elde edilerek, sıkıştırılmış algılama tabanlı yinelemeli görüntü geri çatma teknikleri olan ART+TV3D algoritmasının ve bizim önerdiğimiz yeni ART+TV3D+MM yönteminin hastaya uygulanan radyasyon dozunun azaltılabilmesi noktasında uygulanabilirliği araştırılmıştır. İlk proje kapsamında, Lizbon Üniversitesi da Luz S.A. hastanesinde Siemens MAMMOMAT Inspiration system (Siemens AG, Healthcare Sector, Erlangen, Germany) kullanılarak 12 farklı doz seviyesinde yaklaşık 47o açısal tarama aralığında 25 projeksiyonu alınan gerçek meme fantomu (CD Pasmam 1054) için ART, ART+TV3D ve ART+TV3D+MM uygulanarak 3B görüntüler elde edilmiş ve aynı fantomun Siemens MAMMOMAT cihazının filtrelenmiş geri izdüşüm tekniğiyle (FBP) elde edilen geri çatılmış görüntüleri ile kıyaslanmıştır. Siemens MAMMOMAT cihazında know-how'ı bilinmeyen bir filtreleme yöntemine sahip FBP kullanılmaktadır. Sonuçların performansını karşılaştırmak amacıyla önce yinelemeli görüntü geri çatma tekniği olan (iterative reconstruction technique: IRT) ART, ART+TV3D ve ART+TV3D+MM bir analitik fantom için test edilmiştir. Sonuçlar niteliksel ve niceliksel olarak değerlendirilmiştir. Niceliksel değerlendirmede iki metrik olan sinyal-gürültü oranı (signal-to-noise ratio: SNR) ve yapısal benzerlik (structural similarity: SSIM) kullanılmıştır. Daha sonra, 12 dozda alınan CD Pasmam 1054 gerçek meme fantomu projeksiyonları için yinelemeli görüntü geri çatma tekniğinin üç yöntemi (ART, ART+TV3D ve ART+TV3D+MM) kullanılarak elde edilen geri çatılmış görüntüler ile Siemens MAMMOMAT cihazının filtrelenmiş geri izdüşüm tekniğiyle (FBP) elde edilen geri çatılmış görüntüler kıyaslanmıştır. Bu kısımdaki sonuçlar ise hem niteliksel hem de karşıtlık gürültü oranı (contrast to noise ratio (CNR) ve 1B profil değişimi metrikleriyle niceliksel olarak değerlendirilmiştir. İlk proje İstanbul Teknik Üniversitesi ve Lizbon Üniversitesi'nde gerçekleştirilmiştir. İkinci projede, SMT'deki çalışmalardan elde ettiğimiz umut verici sonuçların verdiği ilhamla kanserli hücre kolonisi, tümör, kanserli doku, biyopsi, lab-on-a-chip gibi çeşitli biyolojik örnekleri 3B görüntüleyebilen robotik 3B biyogörüntüleme cihazı (robotic 3D micro-bioimaging tool) geliştirilmiştir. Tıp ve biyoloji alanlarında bilimsel araştırma yapılan merkezlerde kullanılabilecek olan cihazın avantajları arasında, ucuz, taşınabilir ve kullanımı kolay olması sıralanabilir. Bu cihaz donanım (mekanik, elektronik ve robotik kontrol kısımları) ve yazılım (robotik kontrol yazılımı ve 3B görüntü geri çatma yazılımı) olmak üzere iki aşamalı tasarlanmıştır. Donanımsal olarak robotik 3B biyogörüntüleme cihazının ana mekanik çatkısı, dönme eksenine yeterli güç ve desteği sağlamak için 20 mm'lik T-oluklu eloksallı alüminyumdan 35cmx35cmx30cm boyutlarında üretilmiştir. Hassas hareket ve ölçümler için bazı parçalar 3B yazıcı ile üretilirken, bazıları ise polymethylmethacrylate (PMMA) malzeme kullanılarak CNC makine ve lazer kesici ile üretilmiştir. Elektronik ve robotik kontrol kısmı, bir Arduino Mega 2560 R3 kartı, bir RAMPS 1.4 kartı, Arduino yazılımla kontrol edilen iki adım motoru, bir lineer motor, üç motor sürücü ve bir güç kaynağından meydana gelmiştir. Optik görüntüleme kısmı ise bir metal oksit yarı iletken dedektör (complementary metal oxide semiconductor (CMOS) görüntüleyici, bir lens ve bir ışık kaynağından meydana gelmiştir. CMOS görüntüleyici dedektör olarak Logitech C160 kullanılmıştır. Optik görüntülemede hassas optik masa tasarımı sayesinde projeksiyon elde etme geometrisi ve görüntüleme kalitesi iyileştirilmiştir. -45o ve +45o açı aralığında tarama yapabilme yeteneğine sahip cihaz ile bu projede -25o ve +25o açı aralığında 5o açı adımıyla 11 projeksiyon elde edilmiş ve geri çatılmıştır. Yazılımsal olarak ise açısal tarama ve üç boyutlu düzlemde eksen hareketlerini yapan robotik motor kontrollerin mikrokontrolör programlanması C++ kod derleyici ve Matlab grafiksel kullanıcı arayüzü ile yazılmıştır. 3B görüntüleme için ise sıkıştırılmış algılama tabanlı yinelemeli 3B görüntü geri çatma yazılımı (ART+TV3D) mikro-biyogörüntüleme (micro-bioimaging (MBI)) araştırmalarında kullanılmak üzere revize edilerek geliştirilmiştir. Testlerde kullanılan biyolojik fantomlar transparan ortam sağlayan polydimethylsiloxane (PDMS) kullanılarak üretilmiştir. İkinci proje Harvard Medical School, Harvard-MIT Health Science and Technology ve Massachusetts Institute of Technology'de gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, ilk projenin ilk kısmında ART+TV3D+MM yönteminde analitik fantom için elde edilen sonuçların SSIM ve SNR değerleri on iterasyon sonunda ART+TV3D ve ART yöntemleriyle elde edilen aynı değerlerden yüksek çıkmıştır. Onuncu iterasyonda ART+TV3D+MM'in SSIM ve SNR değerleri sırasıyla 0.9814 ve 24.56 olurken, ART+TV3D'in 0.9771 ve 24.32; ART'in ise 0.9208 ve 22.48 olmuştur. Ayrıca ROI ve object of interest (OOI)'ler FBP ve ART'ye göre ART+TV3D ve ART+TV3D+MM yöntemlerinde görsel olarak daha net bir şekilde ayırt edilebilmiştir. İlk projenin ikinci kısmında, 12 farklı doz seviyesi için ART+TV3D ile elde edilen görüntülerde CNR değerleri hem doz arttıkça artmış, hem de aynı doz seviyesindeki ART'nin CNR değerlerinden genel olarak yüksek çıkmıştır. Örneğin en yüksek doz seviyesi olan 199 mAs doz seviyesinde, ROI-1 için FBP, ART, ART+TV3D ve ART+TV3D+MM'in CNR değerleri sırasıyla 1.203, 54.621, 55.894 ve 56.443 olurken; ROI-2 için yine sırasıyla 2.188, 2.292, 2.364 ve 2.473 olmuştur. İkinci projede ise tasarlanan robotik 3B biyogörüntüleme cihazıyla laboratuvar ortamında üretilen biyolojik fantomların projeksiyonları değişik açılardan başarıyla alınmıştır. ART+TV3D yöntemiyle, bu projeksiyonlar 3B görüntü şeklinde geri çatılmış ve bu biyolojik fantomlar başarılı bir şekilde dilim dilim görüntülenebilmiştir. İki projede de alınan olumlu sonuçların gerek yinelemeli 3B görüntü geri çatmada yeni yaklaşımların araştırılması ve geliştirilmesi noktasında; gerekse tasarlanan robotik 3B biyogörüntüleme cihazının bilimsel araştırma laboratuvarlarında, kanserli hücre ve doku çalışmaları ile bunlara karşı ilaç vb. geliştirmek için yapılan tıbbi ve biyolojik araştırmalarda kullanılan çeşitli biyolojik numunelerin 3B görüntülenmesinin geliştirilmesi noktasında gelecekteki çalışmalara ışık tutacağı düşünülmektedir.