Katmanlı ortamlarda fotoakustik görüntüleme için ses hızı tahmin yöntemi geliştirilmesi

Abstract

Mühendislik ve sağlık alanlarında önemli yeniliklere olanak sağlayan fotoakustik görüntüleme, optik görüntülemenin yüksek kontrast ve spektroskopik özgüllüğünü, ultrason görüntülemenin uzamsal çözünürlüğüyle bir araya getiren hibrit bir modalitedir. Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) ışığı ile dokuya enerji verilmesi sonucunda oluşan termal genleşmenin akustik dalgalar üretmesi prensibine dayanır. Bu akustik dalgalar, dedektörler tarafından algılanır ve biyolojik dokuların optik ve akustik özelliklerini yüksek çözünürlükle haritalayan görüntüler oluşturulur. Oluşturulan görüntülerin niteliği özellikle biyomedikal alanında doğrudan sağlığı etkileyeceği için ayrı bir öneme sahiptir. Görüntüsü elde edilecek dokuya gönderilen laser atımının özellikleri ve oluşan dalgaların vücut içindeki hızlarının doğru bir şekilde ölçülmesi görüntü niteliği için önemli verilerdir. Organların homojen olmaması, kas ve yağ yoğunluğunun organdan organa veya aynı organın farklı bireylerde eşit dağılmaması ve organların katmanlı yapıya sahip olması, akustik dalgaların hızlarının değişken olmasına neden olmaktadır, fakat gerçekte farklı hızlarla hareket eden bu dalgalar sanki homojen bir ortamda hareket ediyor gibi eşit hıza sahip olduğu varsayılmaktadır. Bu durum, görüntü niteliğinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu durum, literatürde birçok ses hızı tahmin yönteminin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu sayede, çeşitli tekniklerle tek bir katmanın hızını belirleyen veya birden fazla katmanın hızını hesaplayan yöntemler ortaya konmuştur. Bu çalışmada, katmanlı ortamlarda her bir katmanın ses hızını ayrı ayrı tahmin edebilen bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde katmanlı bir ortam oluşturulmuş ve son katmana bir kaynak yerleştirilmiştir. Kaynaktan gelen fotoakustik sinyallerin dönüştürücü(transdüser) dizi elemanlarına gelen fotoakustik sinyallerin ulaşma süreleri ve dönüştürücü dizi elemanlarına ulaşıncaya kadar aldıkları yol bilgisi kullanılarak, yolun hız ve zamanın çarpımı formülünden yola çıkarak ortamın ses hızını tahmin eden yöntem geliştirildi, fakat katmanlı ortamlarda kaynaktan çıkan fotoakustik (FA) dalgaları katmanların ses hızlarına bağlı olarak kırınıma uğrayacağı için ses hızlarının yanı sıra FA dalgalarının her bir dönüştürücü elemanına gelirken alınan yol da bilinmemektedir. Bu nedenle problem doğrusal olmayan bir problem olmaktadır. Problemi doğrusal hale getirmek için alınan yolu modelleyen yeni bir dalga yayılım modeli geliştirildi. Kaynak çıkan dalgaların katmanlardan geçişleri Snell yasası ile modellendi. Snell yasasında kırınım acısı da ses hızına bağlı olduğu için tahmini bir başlangıç değeri ile başlandı. Bu değerler, katmanların ses hızlarının alabileceği maksimum ve minimum değerler içerisinde kalınarak yapıldı. Bu şekilde tahmini alınan yol bilgileri belirlendi. Burada kaynağın dönüştürücü dizisinin orta elemanın tam karşısında olduğu varsayımı yapılarak n elemanlı dizi için problem simetrik hale getirildi. m katmanlı yapı için nXm boyutlu matris haline getirilen problemin bilinmeyen ses hızlarının çözümü için matris sayısına bağlı olarak en küçük kareler yöntemiyle çözüldü. Yöntemin doğruluğunun ispatlanması için benzetim çalışmaları ve deneysel çalışma yapılmıştır. Benzetim çalışmaların gerçekleşmesi için bir Matlab aracı olarak kullanılan k-Wave ile yapılmış ve hız tahminlerinin doğruluğu, farklı katman kalınlıkları ile farklı hızlar denenerek test edilmiştir. Ayrıca, deneysel doğrulama amacıyla agar fantom maddesi kullanılarak laboratuvar ortamında deney yapılmıştır. Bu çalışma, biyomedikal görüntüleme ve deri gibi katmanlı dokuların teşhis süreçlerinde kullanılabilecek gelişmiş bir yaklaşım sunmayı hedeflemektedir.