Mikrodalga Tomografi Ve Meme Kanser Tespiti

Abstract

Meme kanseri bütün dünyada kadın ölümleri arasında ikinci sırada. Birleşik Devletler ve Avrupa Birliği Ülkeleri’nde görülme sıklığı giderek artıyor. Meme kanserinin etkin tedavisinde en önemli etmenlerden birisi erken teşhistir. Erken teşhis hem tedavide başarı oranını arttırmada hem de tedavi masraflarını düşürmede çok önem arz ediyor. Erken teşhis ve etkin tedavi için meme görüntüleme önem arz etmektedir. Meme görüntülemede farklı teknikler mevcut: mamografi, ultrason, manyetik rezonans görüntüleme, ve tomosentez. Meme görüntülemede kullanılan en yaygın yöntem sıkıştırılmış memenin 2 boyutlu görüntüsünü sağlayan mamografi görüntülemedir. Ancak mamografi, görüntülenen dokuların üst üste binmesi kaynaklı oluşan kısıtlarından dolayı erken ve doğru teşhiste yetersiz kalabilmektedir. Sayısal meme tomosentezi düşük doz kullanılarak, sınırlı bir tarama açısıyla elde edilen sınırlı sayıda 2B iz düşümler kullanarak memenin yüksek çözünürlüklü 3B görüntüleyebilen yeni ve gittikçe yaygınlaşması beklenen görüntüleme tekniğidir. Bu özelliği 3B elde edilen meme görüntüsünün dilim dilim görüntülenebilir ve derinlik bilgisiyle daha detaylı incelenmesine olanak sağlar. Sayısal meme tomosentezi geleneksel mamografi görüntülemenin görüntüleme esnasında memenin fazla sıkıştırılması ve dokuların üst üste gelmesi kaynaklı memedeki normal olmayan yapıların gözden kaçması gibi problemleri azaltırken daha fazla doz problemi ortaya çıkmaktadır. X-ışını temelli bir görüntüleme olduğu ve x-ışınının iyonize edici radyasyon etkisi nedeniyle rutin tarama yöntemi olarak kullanılabilmesi için doz miktarının düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için donanımsal iyileştirmeler üzerine yapılan çalışmalar ve görüntü geri çatma teknikleri üzerine yapılan çalışmalar olmak üzere iki yönlü çalışmalar yapılmaktadır. Gelişmekte olan dedektör teknolojisiyle birlikte düşük doz görüntüler alınması mümkün olabilmektedir. Diğer taraftan az sayıda projeksiyon kullanarak sıkıştırılmış algılama tabanlı geri çatma teknikleriyle de doz azaltma mümkün hale gelebilmektedir. Sayısal meme tomosentezi görüntüleme tekniğinin meme görüntülemede kullanımı azalan doz miktarıyla doğru orantılı şekilde artacaktır. Görüntüleme teknikleri yüksek duyarlılık ve hassasiyete sahip olmalı. Bununla birlikte, kullanım kolaylığı, az girişimsel olması, keskin yorumlama için yüksek konumsal çözünürlüğe sahip olması, düşük maliyet vb. aranan özelliklerdendir. Bütün bunları birlikte sağlayan mikrodalga görüntüleme tabanlı ve 1 GHz civarı frekansdaki elektromanyetik radyasyonu kullanan yinelemeli doğrusal olmayan geri çatma algoritmasıyla memenin görüntülenmesine olanak tanıyan bir yaklaşım son yıllarda öne çıkmaktadır. Mikrodalga uygulamaları doku, yağ, kas vb. canlı dokuların dielektrik özelliklerini belirlemede kullanılmaktadır. İnsan vücudu içerisine penetre eden bu dalgalar görüntülenen dokuların elektriksel özelliklerine bağlı olarak saçılırlar. Saçılan dalgaların uygun bir model kullanarak işlenmesiyle görüntülenen dokuların elektriksel özelliklerini haritalamak mümkün olur. Elektriksel geçirgenlik ve iletkenlik mikrodalgaların malzemelerdeki yayılılımını belirleyen iki önemli parametrelerdir. Mikrodalga frekans aralığında farklı biyolojik dokular dolayısıyla farklı yayılıma davranışına neden olurlar. Örneğin yağ ve deri düşük geçirgenlik değerlerine sahipken kan ve kanserli dokular daha yüksek değerlere sahiptirler. Farklı açılardan hedef dokuların mikrodalga işaretlere verdiği tepkiler birlikte işlenerek dokuların iç yapısının görüntülenmesine imkan tanırlar. Mikrodalga tomografi sistemi yazılım ve donanım olmak üzere iki ana parçadan oluşur. Donanım kısmında elektromanyetik dalgaları hem görüntülenen dokulara iletmek hem de dokulardan yayılanları alan 24 tek kutuplu anten bulunur. Yazılım kısmında ise ölçülen veri farklı geri çatma algoritmaları ile işlenerek hedefin görüntüsü oluşturulur. Mikrodalga tomografide görüntü geri çatmanın temeli hedeften saçılan ve antenlerce algılanıp toplanan verileri kullanarak ters problemin çözülme işlemidir. Geri çatma işlemini gerçekleştirmek için bir maliyet fonksiyonu tanımlanır. Geri çatma algoritmasında temel fikir ölçülen ve kullanılan modeli hesaplanan değerlerin farkını minimize edecek şekilde görüntülenen hedefin dielektrik özelliklerini güncellemektir. Gradyan hesaplama elektromanyetik problemin sonlu fark zaman domeni (SFZD) benzetimi aracılığıyla yapılır. Buna ek olarak, bu simülasyon sonucu eş değer Maxwell denklemi sonucu ile birleştirilir. Geri çatma işlemini yinelemeli olarak başlatmak için bir başlangıç değer seçilir ve bu her yinelemede hatayı azaltacak yönde güncellenir. Mikrodalga meme görüntülemenin iyonlaştırıcı radyasyon tehlikesi olmadığından verimli ve güvenilir bir kanser tespit yöntemi olma şansı vardır. Bu görüntülemenin temel prensibi mikrodalga frekanslarında sağlıklı dokunun ve kanserli dokunun farklı dielektrik özelliklere sahip olmasıdır. Bu yöntemin çok önemli bir kısıtı geri çatma yönteminin anten modeli, ölçüm hatası ve frekans ayarlamaya çok duyarlı olması veya az toleranslı olmasıdır. Bunun için ızgara hücre boyut ve anten modeli kullanılan görüntüleme sistemine göre doğru bir şekilde modellendi. Geri çatma algoritması için doğru parametre ayarının yapılması görüntülenen hedef dielektrik özelliklerin daha başarılı ve doğru olarak kestirilmesine yardımcı olur. Bu tezin amacı farklı malzemelerin dielektrik özelliklerini modelleyen uygun frekans bileşeni parametrelerini bularak meme benzeri prototipi oluşturmaktır. Bu amaçla, antenleri ve geri çatma parametrelerini modellemek için SFZD yöntemi kullanarak farklı simülasyonlar gerçekleştirildi. Yöntemin performansı uygun frekans bileşenleri ve geri çatma ayarlamaları yaparak ölçüldü. Farklı ortamlarda farklı nesnelerin dielektrik karakteristiklerini belirlemek için çok sayıda benzetim çalışması yapıldı ve başarılı sonuçlar elde edildi. Bir büyük ve iki küçük nesnenin geçirgenlik değerleri başarılı bir şekilde tespit edildi. Farkı büyüklük ve sayılarda çok sayıda meme modeli kullanarak yapılan testlerde ölçülen ve kestirilen değerlerin örtüştüğü gözledi. Simülasyonlara ek olarak mevcut görüntüleme sistemi kullanarak meme fantomları kullanarak elde edilen sonuçlar fantomlarla karşılaştırıldı. Hem kullanılan sistemin hem de geri çatma algoritmasının meme kanserinin erken teşhisinde kullanılmak üzere mevcut görüntüleme modalitilerine destek verecek şekilde istenen duyarlılık ve hassasiyette ölçümlerin ve görüntülerin elde edilmesinde kullanılma potansiyeline sahip olduğu kanısı güçlü bir şekilde oluştu.

Breast cancer is the second-leading cause of female death around the world. Recent researches in United States and several European countries state that significant number of women face this problem. However, this kind of cancer can be cured with effective treatments if it is diagnosed in early stage. Several breast-screening methods such as X-ray based mammography; ultrasound and Magnetic Resonance Imaging (MRI) exist for breast tumour examination. It should be taken into consideration that screening methods should have high specificity and sensitivity to malignant tumours. Furthermore, these methods have to satisfy some conditions such as comfort of the patient during imaging, high-resolution images for more accurate interpretation, cost and ability to detect the malignant tumours in early stage. The mentioned imaging modalities do not meet all of these conditions simultaneously. A new approach dealing with breast cancer is microwave imaging. Microwave imaging is an iterative nonlinear reconstruction algorithm, which uses electromagnetic radiation with frequencies around 1 GHz. As this method utilizes non-ionizing radiation, it is an efficient and safe technique for breast cancer detection. Principle of this technique relies on the significant contrast between the dielectric properties of tumours and healthy tissues at microwave frequencies. In Tomography technique, different slices of an object are created by measuring the transmitted and reflected penetrating waves to the object. In microwave tomography, the breast is monitored with magnetic field and properties of breast are reconstructed by evaluating the scattered electromagnetic signals. In this thesis work, 24 monopole antennas are placed around the object and scattered field is measured when transmitted waves interact with an object in microwave tomography setup. In the following, different simulations are made by using FDTD method to model the antennas and reconstruction domain. The reconstruction algorithm uses inverse problem algorithm to define a feature of dielectric properties of the target object. Several measurements are performed with current microwave setup for imaging the modelled breast phantoms. Appropriate frequency components and reconstruction setting is evaluated for different large and small objects in several medium. The permittivity of one large object and two small objects were reconstructed successfully. Several breast models including different sizes of tumours were simulated with the existent algorithm. Reconstruction of dielectric properties of simulated data show good agreement with original models.