The derivation of dielectrical breast models from MRI images for breast cancer detection

Abstract

In this study, the objective is the investigation of the electrical properties? variations in the breast tissues in order to exhibit the heterogeneity of the breast tissues and the dispersive nature of the dielectric properties across the breast. In line with this purpose, MRI based breast models, which will presumably assist the breast cancer research carried out at microwave frequencies, were constructed. For precise results, several imaging processes such as the application of various smoothing and edge detection filters to the MRI images, which were obtained from Euromed Radiology Centre and Maltepe University, took place and MRI intensity values were transformed into uniform grids of dielectric values by using the MRI intensity histograms. Histograms were utilized in interpreting the tissue distribution of the relevant breast image and Gaussian curves were plotted to perceive the diversity between the two baseline breast tissue types, namely fibroglandular and fatty tissues. Then, the Gaussian mixture model and the basic statistical definitions were used in order to determine the intensity intervals. Afterwards, the intensity intervals computed were matched with the tissue?dependent dielectric intervals, subsequently, the intensity values were mapped to dielectric values, namely, dielectric constants and conductivity values, via piecewise linear interpolation and cubic spline interpolation. The dielectric distributions obtained from both of the approaches are compared and the resulting figures and graphs are illustrated here. Consequently, it is noticed that the piecewise linear interpolation results in a more scattered dielectric value distribution whereas cubic spline interpolation depicts a high contrast between the tissue regions. It is deduced that both of the methods give efficient results and realistic electrical breast models can be obtained from MRI images via these methods.

Bu çalışmada, amaç göğüs dokularının heterojen yapısını ve dielektrik özelliklerin göğüs içerisindeki değişken dağılımını gözlemleyebilmek için göğüs dokularının elektriksel özelliklerinin incelenmesidir. Bu amaç doğrultusunda, mikrodalga frekanslarda yürütülen göğüs kanseri çalışmalarında kullanılmak üzere MRI tabanlı göğüs modelleri oluşturulmuştur. Hassas sonuçlar elde edebilmek için, öncelikle Euromed Radyoloji Merkezi ve Maltepe Üniversitesi'nden alınan MRI görüntülerine pürüzsüzleştirme ve kenar belirleme filtreleri gibi çeşitli görüntü işleme teknikleri uygulanmış ve sonra MRI intensite değerleri MRI intensite histogramlarından yararlanılarak üniform bir dielektrik değer dağılımına dönüştürülmüştür. Bu kapsamda, histogramlar ilgili göğüs görüntüsünün doku dağılımı hakkında bilgi edinilmesinde ve Gauss eğrileri de iki temel doku türü olan yağ ve fibroglandular doku arasındaki ayrımın belirlenmesinde kullanılmıştır. Gauss karışım modeli ve temel istatiksel tanımlar aracılığıyla intensite aralıkları belirlenmiştir. Bundan sonra, hesaplanan intensite aralıkları doku-bağımlı dielektrik aralıklarla eşleştirilmiş ve ardından parçalı lineer interpolasyon ve kübik spline interpolasyonu kullanılarak intensite değerleri dielektrik değerlere, diğer bir deyişle, dielektrik sabit ve iletkenlik değerlerine, dönüştürülmüştür. Burada, her iki interpolasyon sonucunda elde edilen sonuçlar karşılaştırılmakta ve elde edilen grafik ve şekiller gösterilmektedir. Sonuçta, parçalı lineer interpolasyon daha dağınık bir dielektrik değer dağılımı verirken kübik spline interpolasyonunun dokular arasında daha yüksek bir kontrast gösterdiği fark edilmiştir. Böylece, uygulanan her iki yöntemin de etkin sonuçlar verdiği görülmüş ve bu yöntemler aracılığıyla MRI görüntülerinden yararlanılarak gerçeğe yakın elektriksel göğüs modelleri elde edilebileceği kanısına varılmıştır.