Microwave imaging of breast cancer with contrast agents

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2020
Yazarlar
Yıldırım, Sema
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Özet
The prevalence of breast cancer is seen in both sexes worldwide, however, it is the second type of cancer, which is diagnosed especially in women and results with a fatal outcome among cancer types. Breast cancer like other types of cancer manifests itself by changing breast cells for various reasons, firstly spreading to the surrounding cells and then to the tissues in the body. The spread of other cells under the influence of changing breast cells causes malignant tumors to appear. Hence, it is great of importance to control or stop the spread of from breast cells to other cells in the body. For this purpose, early-stage diagnosis studies for breast cancer have been a working area in which researchers showed great interest. In other words, early diagnosis techniques play a key role in determining the course of the disease. In this point, mammography technologies containing ionizing x-ray radiation are most frequently used for the early-stage breast cancer detection. The usage of x-ray radiation can damage to the body tissues. These technologies, which contain x-rays that can ionize tissues, bring along various limitations during measurement due to the prevalence of the disease especially in elderly people. The disadvantages of mammography techniques exhibit the need for new and alternative imaging methods. In recent years, many researchers have worked on breast imaging systems to handle the particular disadvantages of mammography technologies. In this context, the non-ionizing microwave imaging (MWI) method, reducing the risk of patient health, is seen as a more reliable and alternative imaging technology for the early-stage breast cancer detection. The breast imaging with MWI methods is based on the reconstruction of the dielectric permittivity profile of cancerous and healthy breast tissues. After completed the breast reconstruction, the cancerous tissues are diagnosed due to illustrate a higher dielectric permittivity profile than other healthy tissues in the breast. The purpose of these methods is to diagnose and display any cases other than normal that occur in the body. The most important feature of MWI methods is to carry a low-level risk of harm to the patient because of using non-ionizing electromagnetic waves. In addition to this, it can be used in ambulances and many other emergency points for early diagnosis. Notwithstanding all these advantages, the clinical acceptance of MWI methods for breast cancer has not been realized yet. Hence, MWI methods need to improve with new approaches to receive clinical acceptance. The process of imaging or reconstructing the electromagnetic properties of tissues is based on the inverse scattering theory, and there are several quantitative and qualitative imaging methods developed in this area. Benefit from these methods, the positions, shapes, and electromagnetic properties of diseased tissues in the body are obtained in two or three dimensions. The qualitative imaging methods generally give information about the positions and shapes of diseased tissues. The scattered fields from tumors are higher than other normal tissues allows the qualitative imaging methods to be easily applied. While the quantitative imaging methods provide information about the geometric shapes and positions of tumors, as well as numerical information about the dielectric properties. The most widely used the quantitative imaging methods available in the literature are contrast source inversion (CSI) and Newton-based methods. Within the scope of this thesis, all studies have been realized mainly on the solution methods of the inverse scattering problems. In other words, the alternative methods based on enhanced contrast agents are recommended for scatterer objects with different relative dielectric permittivity and magnetic permeability constants, especially for the microwave imaging methods used in breast cancer. The main purpose of these studies is to eliminate the resolution limitation of microwave imaging methods by using dielectric and magnetic contrast agents and to enable the proposed method to be used more efficiently for the diagnose of early-stage breast cancer. All studies can be categorized under three main headings: i) the reconstruction of dielectric permittivity profile based on quasi-Newton method ii) the enhanced-dielectric contrast agents based on the quasi-Newton method for microwave imaging, ii) the enhanced-magnetic contrast agents based on factorization method for microwave imaging. are higher than other normal tissues allows the qualitative imaging methods to be easily applied. While the quantitative imaging methods provide information about the geometric shapes and positions of tumors, as well as numerical information about the dielectric properties. The most widely used the quantitative imaging methods available in the literature are contrast source inversion (CSI) and Newton-based methods. Within the scope of this thesis, all studies have been realized mainly on the solution methods of the inverse scattering problems. In other words, the alternative methods based on enhanced contrast agents are recommended for scatterer objects with different relative dielectric permittivity and magnetic permeability constants, especially for the microwave imaging methods used in breast cancer. The main purpose of these studies is to eliminate the resolution limitation of microwave imaging methods by using dielectric and magnetic contrast agents and to enable the proposed method to be used more efficiently for the diagnose of early-stage breast cancer. All studies can be categorized under three main headings: i) the reconstruction of dielectric permittivity profile based on quasi-Newton method ii) the enhanced-dielectric contrast agents based on the quasi-Newton method for microwave imaging, ii) the enhanced-magnetic contrast agents based on factorization method for microwave imaging. In the second part of the thesis, all studies on the use of dielectric contrast agents for breast cancer have been conducted. Unlike the first part here, the QN-CSI method by using the dielectric contrast agents is explored in more different and realistic cases. Firstly, a canonical breast model is designed using the HFSS electromagnetic 3-D simulation program. The designed breast model consists of structures had different dielectric permittivity and conductivity values, which are lined up from the outermost muscle, skin, glandular breast tissue, and tumor respectively. Firstly, the breast model is simulated to generate the forward scattering solution for two different cases, which are the presence and absence of dielectric contrast agents. After that, the scattered fields from the breast model are collected from different illumination angles and the field difference is calculated by using these two simulation results. The proposed QN-CSI method realizes the inverse scattering solution with this difference dataset and in this manner, the tumorous tissues placed in the breast model are imaged. Within the scope of this section, the image acquisition skill of the proposed method for different status parameters is examined. In this context, all simulations are operated at f = 2GHz, and two spherical tumors with radius of 1cm are located at (x1, y1,z1) = (3cm,4cm,−2cm) and (x2, y2,z2) = (3cm,4cm,2cm). The dielectric permittivity and conductivity constants of the placed tumors are selected as εr = 43 and σ = 1S/m. Later, the values of these dielectric constants are increased up to 37% under the assumption of using contrast agents at the second simulation. After completed these two simulations, the difference dataset is calculated and the tumors are imaged by the QN-CSI method. The fact notwithstanding that this image is not an anatomical breast model, it contains the expected tumorous tissues. At the end of this section, several simulations according to different status parameters are performed by changing the number of plane waves, the radiuses of tumors, and the conductivities of tumors In this chapter, all numerical results are given by comparison with the CSI method. In the third and last part of the thesis, the magnetic contrast agents are carried out instead of the dielectric contrast agents. Similar to the second part, but here, the changing of magnetic permeability constant (µr) depended on the frequency and the effect of an externally applied magnetic field are taken into account. Namely, magnetic nanoparticles(MNPs) are employed for the magnetic contrast enhancement. The different types of MNPs such as superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), which are most often preferred, are used to detect abnormality in several medical imaging methods. Since the biocompatible SPIONs are functionalized by the effect of the polarized magnetic field externally applied from the outside. While normal tissue cells do not react to the external magnetic fields, the magnetic nanoparticles nonlinearly behave depending on the value of the applied magnetic field. As a result of this, the changing of magnetic contrast is displayed. In this thesis, UWCEM numerical breast phantom repository, which includes several realistic experimental breast models, is used as a database to investigate the enhanced magnetic contrast agents. The phantom repository consists of numerical breast phantoms produced from anatomically realistic magnetic resonance imaging (MRI) for breast cancer detection and treatment applications. Here, the third phantom in ACR class 3, which contains heterogeneously dense fibroglandular breast phantom is selected and embedded into a 3D electromagnetic simulation program adding two tumors with a diameter of 0.5cm located into the model. The relative dielectric permittivity εr = 4 is chosen for the background medium. In the following step, the simulations are performed for two different cases over the 1.91GHz − 2.04GHz frequency band with N = 18 dipole antennas. After both simulations are completed for the given frequency range, the difference between the multi-static response matrices included reflection coefficients are calculated and the inverse problem solution is realized. In this part of the thesis, the factorization method is chosen to reconstruct the breast model. Eventually, the locations and shapes of the tumors are easily determined by the factorization method based on SPIONs contrast agents.
Meme kanseri, dünya çapında her iki cinsiyette görülmekle beraber özellikle kadınlarda tanısı koyulan ve kanser türleri arasında ölümcül sonuçlanan ikinci sıradaki kanser türüdür. Meme kanseri diğer kanser türlerinde olduğu gibi meme hücrelerinin çeşitli sebeplerle değişerek öncelikle etrafındaki hücrelere daha sonra vücut içerisindeki dokulara yayılmasıyla kendini göstermektedir. Değişen meme hücrelerinin etkisiyle diğer hücrelere doğru yayılım kanserin kötü huylu olarak ortaya çıkmasına sebep olmaktadır. Dolasıyla meme hücrelerinden vücuttaki diğer hücrelere doğru yayılımı kontrol etmek veya durdurmak büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda meme kanseri tespitinde erken tanı çalışmaları biyomedikal görüntülemede araştırmacıların yoğunlukla ilgi gösterdiği bir alan olmuştur. Diğer bir ifadeyle, erken tanı ve tarama sistemlerinin önemi hastalığın gidişatını belirlemede büyük rol oynamaktadır. Erken dönemde meme görüntülemede en sık x-ışını içeren mamografi teknolojileri kullanılmaktadır. Dokuları iyonize edebilen ışınlar içeren bu teknolojiler, hastalığın özellikle ileri yaşlı bireylerde görülme sıklığı nedeniyle, ölçüm sırasında çeşitli kısıtlamalar oluşturmaktadır. Bu durum yeni ve alternatif görüntüleme teknolojilerine olan ihtiyacı artırmaktadır. Birçok araştırmacı meme görüntüleme sistemleri üzerine çalışmalar yürütmektedir. Son yıllarda mikrodalga görüntüleme (MWI) yönteminin özellikle dokularda iyonizasyona sebep olan ışınlar içermemesi, hasta sağlığı üzerindeki riski azaltarak meme kanseri tespitinde daha güvenilir alternatif bir görüntüleme teknolojisi olarak görülmektedir. Mikrodalga görüntüleme yöntemi başta meme kanseri tespiti olmak üzere medikal görüntü elde etmede, güvenlik kontrol sistemlerinde, duvar görüntülemede ve daha birçok alanda kullanılmaktadır. Son yıllarda, özellikle meme kanseri teşhisinde kullanılması medikal uygulamalarda oldukça ilgi çekici olmuştur. Çünkü hastalıkların teşhis ve tedavisinde vücudun en konforlu şekilde zarara uğramadan görüntülenmesi büyük önem taşımaktadır. Memenin mikrodalga görüntüleme yöntemiyle görüntülenmesinin temeli kanserli ve sağlıklı meme dokularının dielektrik geçirgenlik profilini oluşturma fikrine dayanmaktadır. Daha sonra oluşturulan profile bakılarak kanserli dokuların meme içerisindeki sağlıklı diğer dokulardan daha yüksek dielektrik geçirgenlik profili göstermesiyle kanserli dokular tespit edilir. Mikrodalga görüntüleme yönteminin yanı sıra manyetik rezonans görüntüleme (MRI), bilgisayar tomografi(CT), ultrasound(US), X-ray gibi yöntemlerle de medikal görüntüleme yapılmaktadır. Bu yöntemlerin amacı vücutta meydana gelen normalin dışındaki herhangi bir durumu tespit ederek görüntülemektir. Her yöntemin bu amaç doğrultusunda donanımsal ve yazılımsal yapısı farklıdır. Hâlihazırda kullanılan yöntemlerin yüksek maliyet gerektirmesi, taşınabilir olmaması ve hasta sağlığını riske atacak seviyede dokuları iyonlaştırıcı radyasyon içermesi mikrodalga görüntüleme yöntemine olan ilgiyi artırmıştır. Ayrıca taşınabilir olma özelliğiyle ambulanslarda ve daha birçok acil durum noktalarında erken teşhiste kullanıma olanak sağlaması bir diğer önemli özelliğidir. Tüm bu öngörülen avantajlarına rağmen MWI yönteminin meme kanseri tespitinde klinik olarak kabulü henüz gerçekleşmemiştir. Daha yüksek dalga boylarında hala düşük çözünürlük göstermesi yöntemin bir dezavantajı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenle gelişmekte olan bu yöntemin klinik kabul alabilmesi için yeni yaklaşımlarla iyileştirilmeye ihtiyacı vardır. Bu alan araştırmacılar için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Mikrodalga görüntüleme sistemlerinin çalışma prensibi, vücut üzerindeki hedeflenen bölgeye verici antenlerle sinyal gönderip daha sonra o bölgeden saçılan sinyallerin alıcı antenler ile toplanarak işlenmesine dayanır. Saçılan alanların işlenmesi ile hedef bölgedeki dokulara ait dielektrik geçirgenlik ve iletkenlik dağılımı elde edilir. Dolayısıyla doku kontrastı bulunur. Bu kontrast dağılımına bakılarak sağlıklı ve hastalıklı dokular arasındaki farklılıklar karakterize edilmiş olur. Daha farklı bir ifadeyle, dokuların dielektrik yada manyetik kontrast dağılımlarının haritalaması yapılır. Dokuların elektromanyetik özelliklerini görüntüleme yada yeniden oluşturma işlemi ters saçılma teorisine dayanmakta olup bu alanda geliştirilmiş çeşitli nicel ve nitel görüntüleme yöntemleri mevcuttur. Bu yöntemlerle iki ya da üç boyutlu olarak, vücut içerisindeki hastalıklı dokuların (tümör) konumları, şekli ve elektromanyetik özellikleri elde edilir. Nitel görüntüleme yöntemleri genel olarak hastalıklı dokuların konumları ve şekli hakkında bilgi vermektedir. Şöyle ki hastalıklı dokuların saçılan alan sinyalleri diğer normal dokulara göre daha yüksektir. Bu özellik sayesinde direkt olarak nitel görüntüleme yöntemleriyle görüntü elde etme oldukça kolaydır. Doğrusal örnekleme (Linear sampling method), faktorizasyon yöntemi (Factorization method) en çok kullanılan nitel görüntüleme yöntemleridir. Nitel görüntüleme yöntemleri daha çok radar ve yeraltı görüntüleme sistemlerinde sıklıkla tercih edilmektedir. Doğrusal örnekleme ve faktorizasyon gibi yöntemlerin matematiksel altyapısı lineer ters problem çözümüne dayanıp oldukça az hesaplama maliyetine ve hızlı sonuç üretme avantajına sahiptir. Bu yöntemlerle hedeflenen bölgedeki bilinmeyen nesnelerin geometrik şekilleri bir gösterge fonksiyonu kullanılarak elde edilir. Nicel görüntüleme yöntemleri ise hastalıklı dokuların geometrik şekilleri ve konumları hakkında bilgi vermenin yanı sıra dielektrik özellikleriyle ilgili sayısal olarak bilgi vermektedir. Literatürde var olan en yaygın kullanıma sahip nicel görüntüleme yöntemleri contrast source inversion (CSI) ve Newton tabanlı yöntemlerdir. Bu yöntemlerle doğrusal olmayan ters saçılma problemleri, Born ve Distorted Born gibi yaklaşımlar yardımıyla doğrusal bir ters saçılma problemine dönüştürülerek çözülür. Şöyle ki lineer yapıdaki bir problemin çözümü çok büyük boyutlu matris terslerinin alınmasını gerektirmektedir. Bu durum ters saçılma çözüm yöntemleri için bir dezavantaj oluşturmaktadır. Meydana gelen bu olumsuz durumu iyileştirmek amacıyla iteratif çözüm yöntemleri geliştirilmiştir. Tüm bunların sonucunda araştırmacılar en az hesaplama maliyetiyle var olan nicel görüntüleme yöntemlerini iyileştirmek ve geliştirmek amacıyla yeni çalışmalara yönelmiştir. Hazırlanan bu tez kapsamında, mikrodalga görüntüleme yöntemiyle meme kanseri tespiti için geliştirilmiş dielektrik ve manyetik kontrast ajanlarının kullanımına dayanan yeni ve alternatif yaklaşımlar önerilmektedir. Yapılan çalışmaların esas amacı mikrodalga görüntüleme yönteminin çözünürlük sınırlamasını kontrast ajanları kullanarak iyileştirmek ve yöntemin meme kanseri tespitinde daha verimli olarak kullanımına olanak sağlamaktır. Yapılan çalışmalar üç ana başlık altında toplanmaktadır: i) quasi- Newton yöntemine dayalı mikrodalga görüntüleme ile saçıcı nesnelerin dielektrik özelliklerini elde etme, ii) dielektrik kontrast ajanlarının kullanımına dayanan mikrodalga görüntüleme yöntemiyle meme kanseri tespiti, iii) manyetik kontrast ajanlarının kullanımına dayanan mikrodalga görüntüleme yöntemiyle meme kanseri tespiti. Tezin ilk kısmında, saçıcı cisimler için dielektrik özellikleri hesaplamada kullanılan var olan nicel ters saçılma çözüm yöntemlerine alternatif bir yöntem üzerine yoğunlaşılmıştır. Burada amaç önceki çalışmaların dezavantajlarını azaltacak nitelikte yeni bir yöntem önermektir. Nicel görüntüleme yöntemlerinin en büyük dezavantajı çok büyük boyutlu matris terslerinin yüksek hesaplama maliyetleridir. Yapılan araştırma ve çalışmalar sonucunda ters alma işlemini daha kolay bir şekilde gerçekleştirmeye olanak sağlayan contrast source inversion (CSI) yöntemine dayalı quasi-Newton yöntemiyle ters saçılma problem çözümü yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında önerilen yöntem QN-CSI olarak adlandırılmaktadır. Özellikle quasi-Newton yönteminin seçilme sebeplerinden biri büyük boyutlu matris tersi hesaplamalarında iteratif olarak yaklaşık değer formülasyonlarının kullanılmasıdır. Diğer alternatif yöntemlere göre bir diğer avantajı ise ters problem çözümünde her bir iterasyon adımında düz saçılma problem çözümünün yapılmamasıdır. Bu durum ciddi anlamda hesaplama maliyetini minimize etmektedir. Esasen ters saçılma problem çözümünde saçılan ve toplam alan bilgisini içeren iki önemli integral denklemi kullanılır. Bu denklemler sırasıyla veri ve obje denklemleridir. Bu denklemlerin çözümü, problemde tanımlanan hata fonksiyonunu minimize eden bir optimizasyon yöntemiyle gerçekleştirilir. Diğer önerilen yöntemlerden farklı olarak bu yöntemde dielektrik cisim parametrelerini içeren bilinmeyen nesne fonksiyonu yerine bilinmeyen kontrast kaynakları iteratif olarak hesaplanmaktadır. Özetle dielektrik geçirgenlik ve iletkenlik profillerini oluşturmak üzere bir optimizasyon algoritması olan quasi-Newton metodu contrast source inversion yöntemiyle birleştirilerek nicel bir görüntüleme yöntemi önerilmiştir. Quasi-Newton yönteminin farklı türleri mevcut olup BFGS( Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) optimizasyon yöntemi en sık kullanılan yöntemdir. Bu tez çalışmasında iki boyutlu görüntülemede quasi-Newton yöntemi olarak BFGS tercih edilmiştir. Üç boyutlu durumda ise daha hızlı yakınsama sağlamak ve artan matris kapasitelerini minimize etmek amacıyla L-BFGS(limited memory -BFGS) yöntemi kullanılmıştır. Yöntemin uygulanabilirliği ve sınırları ilk olarak sayısal simülasyonlarla daha sonra Fresnel deney verileri kullanılarak gösterilmiştir. Simülasyonlarda iki boyutlu ve üç boyutlu homojen olmayan cisimler görüntülenmektedir. İki boyutlu cisim olarak iki farklı profil kullanılır ve bu profiller öncelikle etrafına yerleştirilmiş farklı sayılarda antenlerle aydınlatılır. Dielektrik kontrast değerleri ise her bir saçıcı cisim için farklıdır. Düz problem çözümü MoM (Method of moment) yöntemiyle gerçekleştirilir. İlk örnekte düşük kontrast değerleri incelenirken, ikinci örnekte nispeten daha yüksek kontrast ve daha az anten aydınlatmasıyla yöntemin görüntü elde etme başarısı incelenmiştir. Ayrıca dilektrik geçirgenlik değişiminin yanı sıra iletkenliğin sonuçlar üzerindeki etkilerine de bakılmıştır. Özetle iki boyutlu cisimler için farklı dielektrik geçirgenlik değerleri, iletkenlik ve anten sayısının etkileri önerilen QN-CSI yöntemiyle ters problem çözümü yapılarak incelenmiştir. Üç boyutlu durumda ise homojen olmayan saçıcı cisimler bir elektromanyetik simülasyon programı olan HFSS (High Frequency Structural Simulator) simülatörü kullanılarak tasarlanmıştır. Yine iki farklı örnek üzerinde çalışılarak düz problem çözümü HFSS ile geçekleştirilmiştir. Her iki örnekte de aydınlatma açıları ve dielektrik geçirgenlik değerleri yaklaşık olarak aynı seçilmiştir. Gözlem noktaları çalışma alanında küresel bir yüzey üzerinde tanımlanır ve cisimden saçılan elektrik alan verileri bu noktalar üzerinden ölçülür. Elde edilen sonuçlar elektromanyetik cisim parametreleri olan göreli dielektrik sabiti (ε_r) ve iletkenlik sabitinin (σ) uzaysal dağılımı şeklinde verilmiştir. Sonuçlar üç boyutlu durum için farklı iki kesitten alınan görüntülerle sunulmuştur. Üç boyutlu durum için yine Fresnel deney verileri kullanılarak yöntemin performansı gerçek veriler için test edilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise, dielektrik kontrast ajanlarının meme kanseri tespitinde kullanımıyla ilgili çalışmalar yürütülmüştür. Tezin ilk kısmında homojen olmayan saçıcı özellikteki cisimler için yeni bir nicel görüntüleme yöntemi olarak QN-CSI yöntemi önerilmiştir ve sayısal olarak yapılan çalışmalarla uygulanabilirliği gösterilmiştir. İkinci kısımda ise bu yöntemin dielektrik kontrast ajanlarının kullanımıyla daha farklı ve daha gerçekçi bir senaryoda nasıl bir sonuç üreteceği üzerine çalışılmıştır. İlk olarak, HFSS elektromanyetik simülasyon programında içerisine tümörlerin yerleştirildiği tabakalı bir meme modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan bu meme modeli en dıştan içe doğru kas, deri, glandular meme dokusu ve son olarak tümörlerin bulunduğu farklı dielektrik geçirgenlik ve iletkenlik değerlerine sahip yapılardan oluşmaktadır. Böyle bir meme modeli kontrast ajanının kullanıldığı ve kullanılmadığı iki farklı durum için simüle edilerek düz problem çözümü gerçekleştirilir. Simülasyonların sonucunda farklı aydınlatma açıları için saçılan elektrik alan matrisleri elde edilerek bu iki simülasyon sonucunda alanlar arasındaki fark matrisi oluşturulur. Daha sonra önerilen QN-CSI yöntemiyle ters problem çözümü yapılarak meme modeline yerleştirilmiş tümörler görüntülenir. Bu bölüm kapsamında farklı durum parametreleri için yöntemin görüntü elde etme becerisi incelenmiştir. Tüm ölçümler 2GHz çalışma frekansında gerçekleştirilir. Bu çalışmada meme modeli içerisine yerleştirilmiş tümörlerin yarıçap değerleri r= { 0.6cm, 0.8cm, 1cm } olmak üzere farklı büyüklüklerde seçilerek tömür büyüklüğünün görüntü çözünürlüğüne olan etkisi incelenmektedir. Daha sonra yarıçap değeri sabit seçilerek gelen düzlem dalga kaynak sayısının S={18,24,30 } etkisi gözlemlenir. Son olarak diğer tüm parametreler sabit seçilerek tümörlerin iletkenlik değerleri artırılır ve iletkenliğin bozucu etkiler oluşturup oluşturmadığına dair inceleme yapılır. Bu bölümde elde edilen tüm sonuçlar CSI yöntemiyle karşılaştırmalı olarak verilmektedir. Tezin üçüncü ve son kısmında ise, manyetik kontrast ajanlarının mikrodalga görüntüleme yöntemlerinde kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. İlk kısımdan farklı olarak burada manyetik geçirgenlik sabitinin (μ_r) frekansa ve dışarıdan uygulanan harici sabit bir manyetik alana bağlı olarak değişiminin mikrodalga görüntülemede ne tür sonuçlar oluşturulduğu üzerinde durulmuştur. Son zamanlarda yeni bir çalışma alanı olarak ortaya çıkan manyetik parçacık görüntüleme (MPI) yöntemi bu konunun temelini oluşturmaktadır. MPI yöntemi, mikrodalga görüntülemeden farklı olarak düşük frekanslarda hastalıklı doku tespitinde kullanılan bir biyomedikal görüntüleme yöntemidir. MPI yönteminde farklı tür manyetik nanoparçaçıklar kullanılmakla beraber en sık süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar (SPIONs) tercih edilmektedir. Biyouyumlu SPION'ların dışarıdan uygulanan polarize manyetik alanın etkisiyle işlevselleşir. Şöyle ki, normal doku hücreleri bu duruma tepki göstermezken nanoparçacıkların olduğu bölgeler uygulanan manyetik alanın şiddetine bağlı olarak doğrusal olmayan bir davranış gösterir ve bu davranışın etkisiyle saçılan alan meydana gelir. Ölçülen saçılan alandan SPION'ların neden olduğu saçılan alan çıkarılarak hastalıklı dokuların bulunduğu yerler görüntülenir. Bu tez çalışması kapsamında üç boyutlu bir elektromanyetik simülasyon programı kullanılarak gerçekçi bir deney setinden alınmış meme dokusundaki tümörlerin manyetik kontrast ajanları kullanılarak tespiti gerçekleştirilmektedir. Gerçekçi deney seti olarak UWCEM sayısal meme fantom kaynağı kullanılmıştır. Bu fantom kaynağı meme kanseri saptama ve tedavi uygulamaları için anatomik olarak gerçekçi manyetik rezonans görüntülemeden üretilmiş sayısal meme fantomları içerir. Bu tezde heterojen olarak yoğun fibroglandular meme dokusu içeren ACR (the American College of Radiology) sınıf 3'te yer alan meme fantomu seçilmiştir (ID:062204). Meme fantomu seçildikten sonra elektromanyetik simülasyon programına üç boyutlu bir model olarak gömülmüştür. Model içerisine 0.5 cm yarıçapında küresel yapıda iki tümör yerleştirilmiştir. Tümörlerin yerleştirildiği ortam için göreli dielektrik sabiti ε_r=4 olarak seçilmiştir. Daha sonra modelin etrafına 0.1 cm yarıçapında 4.15 cm boyunda 18 dipol anten yerleştirilerek 10MHz aralıklarla 1.91GHz-2.04GHz frekans bandında iki farklı durum için simülasyon gerçekleştirilir. İlk simülasyonda göreli manyetik geçirgenlik sabitinin μ_r değeri dışarıdan herhangi bir harici manyetik alan uygulanmadığı durum için μ_r=0.99-0.015i seçilir. İkinci simülasyonda ise dışarıdan 80 kA/m şiddetinde harici sabit bir manyetik alan uygulandığı durum için μ_r=1.015-0.005i değerinde seçilir. Her iki simülasyon verilen frekans aralığı için gerçekleştirildikten sonra saçılan alan parametresi olan yansıma katsayılarının yer aldığı çoklu statik cevap matrisleri arasındaki fark alınarak ters saçılma problem çözümü gerçekleştirilir. Tezin bu kısmında ters problem çözüm yöntemi olarak nitel görüntüleme yöntemlerinden biri olan faktorizasyon yöntemi seçilmiştir. Bu yöntem ile meme modeli manyetik kontrast ajanları kullanılarak yeniden oluşturulmuştur. Oluşturulan bu görüntü anatomik bir görüntü içermemekle beraber, manyetik kontrast ajanı olarak kullanılan nanoparçaçıkların etkisiyle tümörlü bölgelerin yeri ve şekli hakkında bilgi vermektedir. Elde edilen sonuçlar farklı simülasyon parametrelerine göre gruplandırılarak iki boyutlu kesit görüntüleri olarak sunulmuştur. Sonuç olarak bu tez çalışmasıyla öncelikle nicel bir görüntüleme yöntemi olarak QN-CSI yöntemi önerilerek uygulanabilirliği gösterilmiştir. Daha sonra erken dönem meme kanseri tespitinde, mikrodalga görüntüleme yöntemi için geliştirilmiş dielektrik ve manyetik kontrast ajanlarının kullanımı ile ilgili fizibilite çalışmaları yapılmıştır. Önerilen yöntemlerin meme kanseri tespitinde kullanılabileceği sayısal simülasyonlarla gösterilerek deneysel olarak uygulanabilirliği öngörülmüştür.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Anahtar kelimeler
Mikrodalgalar, Microwaves, Mikrodalga uzaktan algılama, Microwave remote sensing, Meme kanseri görüntüleme, Breast cancer imaging
Alıntı