Fotoakustik tomografi için dayanıklı fantomların geliştirilmesi

Abstract

Fotoakustik tomografi (FAT), optik çözünürlüğün yüksek kontrastını ultrasonik algılama ile birleştiren hibrit bir biyomedikal görüntüleme yöntemidir. Bu tekniğin hibrit yapısı, tıbbi tanı ve tedavi süreçlerinde birçok avantajı beraberinde getirmekte ve bu tekniğe olan ilgiyi her geçen gün artırmaktadır. FAT'ın klinik ve deneysel çalışmalarda güvenilir bir şekilde uygulanabilmesi, test deneylerini gerektirmektedir. Klinik öncesi test deneylerinde kullanılan fantomlar, doku benzeri taklit yapılardan oluşmaktadır. İdeal bir fantom, insan dokularının optik ve akustik özelliklerini doğru şekilde temsil edebilmelidir. Fantomların dokuyu taklit etme oranı ne kadar yüksek ise klinik öncesi yapılan deneylerin doğruluğu da bir o kadar kesin olacaktır. Bununla birlikte, fantomlardan elde edilen fotoakustik verilerin, zamana bağlı olarak kararlı bir davranış sergilemesi, tekrarlanabilirlik yönünden fotokakustik verilerin değerlendirilmesini sağlamaktadır. Literatürde fotoakustik görüntüleme için yaygın olarak kullanılan fantom malzemeleri bulunmakla birlikte, farklı optik emilim ve saçılım özelliği taşıyan fantomların 1. gün, 21. gün ve 6. ay gibi erken, orta ve uzun vadede fotoakustik işaret kararlılığını sistematik olarak karşılaştıran çalışmalar sınırlıdır. Bu tez çalışmasında, FAT görüntüleme için geliştirilen farklı optik emilim ve saçılım özelliklerine sahip fantomların üretim protokolü, optik karakterizasyonu ve zamana bağlı fotoakustik yanıtlarının istatistiksel olarak değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, ana fantom malzemesinin seçiminde; agar, polivinil klorür (PVC) plastisol ve polidimetilsiloksan (PDMS) kullanılmıştır. Bu üç farklı fantomun üretimi ve fotoakustik verimi üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda üretim koşulları ve fotoakustik verim kriterleri göz önünde bulundurularak PDMS, ana fantom malzemesi olarak seçilmiştir. Sonraki çalışmalarda dayanıklı fantomlar geliştirmek amacıyla yalnızca PDMS malzemesine odaklanılmıştır. PDMS fantomları; saf PDMS referans fantom, optik emilim modelleyen siyah boya ile katkılanmış fantom, optik saçılım modelleyen titanyum dioksit (TiO2) ile katkılanmış fantom ve hem optik emilim hem de saçılımı modelleyen siyah boya ve TiO2 içeren kompleks fantomlar üretilmiştir. Fantomların fotoakustik görüntüleme mekanizması, 532 nm dalga boyuna sahip darbeli bir Nd:YAG lazer ile optik olarak uyarılması ve oluşan fotoakustik işaretlerin, 128 elemanlı L22-14vX doğrusal ultrason probu aracılığıyla algılanarak Verasonics Vantage 256 veri toplama sistemi tarafından kaydedilmesinden oluşmaktadır. Fotoakustik görüntülemenin performansı, fantomlardan elde edilen işaret verilerinin MATLAB ortamındaki analiziyle değerlendirilmiştir. Fotoakustik işaretler, fantom içerisine yerleştirilen optik soğurucu kaynaklardan elde edilmiştir. Soğurucu kaynaklar 0.5 mm, 1 mm ve 1.5 mm gibi farklı derinliklere yerleştirilmiş ve fantom ortamının derinliğe bağlı fotoakustik işaretler üzerindeki etkisi değerlendirmeye alınmıştır. 0.5 mm'deki soğurucu kaynaktan 1.5 mm derinlikteki soğurucu kaynağa indikçe lazer ışığı fantom içinde daha fazla yol almakta ve dolayısıyla ışık yoğunluğu azalmaktadır. Buna bağlı olarak soğurucu kaynağın fotoakustik işaret verisi de zayıflamıştır. Ayrıca bu fantomlardan elde edilen fotoakustik işaretler 1. gün, 21. gün ve 6. ay gibi farklı zaman dilimlerinde ölçülmüştür. Zaman faktörünün fotoakustik işaret üzerindeki etkisi tekrarlı ve tek yönlü varyans analizi (one-way) ANOVA ile değerlendirilmiştir. İstatistiksel analize göre tüm fantomlar için 1. gün ve 21. gün arasındaki fotoakustik işaretlerde farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bu iki farklı zaman noktasında farklı yoğunlukta işaretlerin elde edildiği gözlemlenmiş ve bu farklılığın varlığı istatistiksel olarak tek-yönlü ANOVA'da p<0.05 koşulunu doğrulamıştır. İstatistiksel olarak anlamlı farklılık tespit edilen bu fantomlar, erken dönemde yapısal olarak içsel stabilite kazanmamıştır. Bu doğrultuda, fantom iç yapsına bağlı olarak 1. gün ve 21. günde fotoakustik işaretler farklı büyüklüktedir. Öte yandan 21. gün ve 6. ay fotoakustik işaretleri hemen hemen aynı sonuçları vermiş ve istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık tespit edilememiştir. 21. gün ve 6. ay işaretleri arasında p > 0.05 istatistik sonucu elde edilmiş ve p değerinin istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık göstermemesi bu zaman diliminde fantomun iç yapısının daha kararlı hale geldiğini ve tekrarlanabilir fotoakustik işaretler verdiğini kanıtlamıştır. Bu sonuçlar, gerçek insan dokusuna en yakın dayanıklı deri fantomlarının geliştirilmesi için önemli bir temel oluşturmuştur. İnsan deri dokusuna en yakın fantomun geliştirilebilmesi için deri dokusunun epidermis, dermis ve hipodermis katmanları anatomik yapıya uygun olarak sırasıyla 0.12 mm, 1 mm ve 2 mm kalınlıklarda modellenmiştir. Bununla birlikte her katmanın optik emilim ve saçılım özellikleri ilgili katmanı temsil edecek şekilde modellenmiştir. Çok katmanlı deri fantomunun her bir katmanı, önerilen optik tahmin yöntemi ile karakterize edilmiştir. Bulgular, dermis ve hipodermis katmanı için literatürdeki referans optik zayıflama katsayısına yakın değerler gösterirken epidermis için yakın olmayan bir sonuç sunmuştur. Sonuç olarak, mevcut çalışma farklı optik emilim ve saçılım özelliklerine sahip PDMS tabanlı fantomların, FAT görüntüleme sistemleri için kolay üretilebilir, tekrarlanabilir ve uzun süreli deneysel çalışmalara uygun birer model sunduğunu göstermektedir. Geliştirilen fantomların karşılaştırılabilir yapısı sayesinde, fotoakustik işaret davranışlarının sistematik olarak değerlendirilmesi gerçekleştirilebilmiştir. Elde edilen sonuçlar, FAT fantom tasarımı ve standartlaştırılması alanında literatüre önemli katkılar sunarken, aynı zamanda gelecekte gerçekleştirilecek sistem doğrulama, performans değerlendirme ve doku-hastalık senaryolarının taklidi gibi klinik öncesi fotoakustik çalışmalar için yol gösterici nitelik taşımaktadır.