Fotoakustik görüntüleme ile oksijen satürasyonu ölçümünün mürekkep modelinde analizi

Abstract

Fotoakustik tomografi (FAT), optik görüntülemenin yüksek kontrast avantajını ultrasonik algılamanın derin doku penetrasyonu ile birleştiren hibrit bir biyomedikal görüntüleme yöntemidir. Bu yöntem, optik görüntüleme yöntemlerinde karşılaşılan ışığın saçılması, görüntüleme derinliğinin ve çözünürlüğünün azalması gibi dezavantajları ortadan kaldırmayı sağlamaktadır. Güçlü manyetik alanın, iyonlaştırıcı radyoizotopların kullanıldığı görüntüleme yöntemleri ile kıyaslandığında FAT daha az maliyetlidir ve radyasyon maruziyetini ortadan kaldırır. Ultrasonik görüntüleme ile karşılaştırıldığında ise FAT daha yüksek optik kontrasta sahiptir. Tüm bu avantajları sayesinde FAT, son yıllarda klinik ve deneysel çalışmalarda giderek artan bir ilgi görmektedir. FAT'da görüntülenecek doku lazer ışınları ile aydınlatılır. Dokuda bulunan optik emici kaynaklar ışığı emer ve ısı artışı oluşturur. Oluşan ısı artışının termoelastik genleşme ve basınç üretmesi sonucu fotoakustik (FA) dalga oluşur. Doku dışında konumlandırılmış ultrason dönüştürücüler tarafından FA sinyaller algılanarak FAT görüntü ve sinyaller elde edilir. FAT kaynakları arasında hemoglobin 1000 nm'nin altındaki dalga boylarında en önemli emicilerden biridir. FAT görüntülerinde kanla beslenen damarların yüksek kontrastlı görüntülenmesine ve SpO2'nin tespit edilmesine olanak tanır. FAT'ın en önemli uygulama alanlarından biri, kandaki oksijen satürasyonunun (SpO₂) belirlenmesidir. SpO₂, oksihemoglobin (HbO₂) ve deoksihemoglobin (HbR) hemoglobin formlarının oranı ile tanımlanmaktadır. Oksijen metabolizmasındaki işlev bozukluklarının, kanser, diyabet, inme ve nörodejenerasyon olmak üzere çok sayıda yaşamı tehdit eden hastalığın ortaya çıkmasında ve ilerlemesinde belirleyici bir etken olduğu kabul edilmektedir. Bu sebeple, SpO₂ tespiti ve takibi hayati önem arz etmektedir. Günümüzde SpO₂ tespiti için yaygın olarak kullanılan fotoakustik yöntemler, HbO₂ ve HbR'nin farklı dalga boylarındaki optik emilim özelliklerinden yararlanmaktadır. Bu yöntemler iki veya daha fazla dalga boyuna sahip lazer kaynaklarının kullanımını gerektirmektedir. Bu durum sistem karmaşıklığını ve maliyeti artırmakta, ayrıca dalga boyuna bağlı optik zayıflama nedeniyle görüntüleme derinliğini sınırlandırabilmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı, tek dalga boyuna sahip lazer ışık kaynağı kullanılarak FAT ile SpO₂ tespitine olanak sağlayan deneysel ve analitik bir yöntemin geliştirilmesidir. Çalışma kapsamında, insan veya hayvan kanı kullanımının etik kısıtlamalara neden olacağı içim, HbO₂ ve HbR hemoglobin formlarını taklit etmek amacıyla kırmızı ve mavi renk mürekkepler kullanılmıştır. Farklı oksijen satürasyon seviyelerini temsil etmesi amacıyla mürekkepler çeşitli oranlarda karıştırılarak kan modelleri oluşturulmuştur. İlk aşamada kırmızı ve mavi mürekkepler distile su ile seyreltilerek farklı konsantrasyon seviyeleri hazırlanmış, ikinci aşamada ise kırmızı ve mavi mürekkepler belirli oranlarda karıştırılarak %0-%100 aralığında değişen SpO₂ seviyelerini temsil eden beş farklı kan modeli hazırlanmıştır. Hazırlanan bu karışımlar, damar yapısını modellemek amacıyla şeffaf PVC tüplere enjekte edilmiştir. Deneysel ölçümler, 532 nm dalga boyuna sahip Nd:YAG lazer kaynağı ile uyarılan kan modeli ile gerçekleştirilmiştir. Fotoakustik sinyaller, 18 MHz merkez frekanslı doğrusal ultrason dönüştürücü (Veraconics Vantage) dizisine sahip bir FAT sistemi kullanılarak algılanmıştır. Ölçümlerin tekrarlanabilirliğini ve güvenilirliğini artırmak amacıyla her bir kan modeli için 20 defa ölçümler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen fotoakustik sinyaller, zaman alanında genlik analizi ve frekans alanında spektral analiz yöntemleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Genlik analizi kapsamında, farklı mürekkep konsantrasyonlarının fotoakustik sinyal genliği üzerindeki etkisi incelenmiş ve optik emilim artışı ile sinyal genliği arasında doğrusal bir ilişki olduğu gösterilmiştir. Spektral analiz aşamasında ise Welch yöntemi kullanılarak güç spektral yoğunlukları hesaplanmış; spektrumlar üzerinden y-ekseni kesişimi, orta bant uyumu, eğim (-6 dB), lob genişliği ve yarı güç bant genişliği (FWHM) gibi ayırt edici spektral parametreler elde edilmiştir. Bu parametrelerin, farklı SpO₂ seviyelerini temsil eden mürekkep karışımları ile anlamlı bir ilişki gösterdiği deneysel olarak gösterilmiştir. Analiz sonuçları, tek dalga boyu lazer kullanılarak elde edilen fotoakustik sinyallerin hem genlik hem de spektral özelliklerinin oksijen satürasyonu değişimlerine duyarlı olduğunu göstermiştir. Özellikle spektral analizden elde edilen parametrelerin, yalnızca mekanik yapı özellikleriyle değil, aynı zamanda optik emilim farklarıyla da ilişkili olduğu belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, spektral analiz tabanlı fotoakustik analizlerin, SpO₂ tespitinde kullanılabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, tek dalga boyuna sahip bir lazer kaynağı kullanılarak FAT ile SpO₂ tespiti yapılabileceğini gösteren, deneysel olarak doğrulanmış bir yöntem sunulmuştur. Geliştirilen yaklaşım, sistem maliyetini ve karmaşıklığını azaltması, girişimsel olmayan bir yöntem ve geniş bir görüntüleme alanında oksijen satürasyonu bilgisi sağlayabilme potansiyeli açısından literatürdeki mevcut yöntemlere bir alternatif sunmaktadır. Elde edilen bulguların, fotoakustik tabanlı oksijenasyon takibine yönelik gelecekte yapılacak klinik ve deneysel çalışmalara katkı sağlaması beklenmektedir.