A novel opto-electro-mechanical tactile sensor for breast cancer imaging

Abstract

Meme tümörlerinin non-invazif olarak teşhisinde klinisyenlere ve ev kullanıcılarına yol gösterecek kompakt bir dokunsal sensör geliştirdik. Bu sensör 10 x 10 kızılötesi ışık yayıcı-alıcı ikililerinden, bir elastik silikon katmandan ve meme dokusunu muayene etmek için memeyi çevreleyen bir dokunmatik arayüzden (25x21 hareketli pim) oluşmaktadır. Yeni tasarımımızın maliyeti mamografi, MRI ve ultrasonografi gibi klasik yöntemlere göre daha düşüktür. Ayrıca bu yöntem meme muayenesinden önce veya sonra herhangi bir yan etkiye sebep olmamakta, hamile veya bebek emziren bayanlara uygulanabilmektedir. Kapasitif veya basınç tabanlı algılama teknolojilerine sahip olan dokunsal sensörlerden farklı olarak önerilen sistem muayene edilen yüzeyin şeklini alarak yüzeydeki kuvvet dağılımını ölçebilmekte ve böylelikle daha yüksek bir uzaysal çözünürlüğe ulaşabilmektedir. Önerilen sistemin performansının ölçülmesi için tümor benzeri sert silikon yumrular doku benzeri silindirik silikon örneklerin içine koyuldu. Daha sonra dokunsal sensörün bu tümör benzeri yumruları bulmadaki hassasiyetini ve keskinliğini ölçmek için sıkıştırma deneyleri yapıldı. 2 değişik boyutta, 2 değişik sertlikte ve 3 değişik derinlikte bulunan 11 tümör benzeri silikon yumru ile yapılan deneylerin sonuçlarına göre dokunsal sensör 90.82 ± 8.08% hassasiyet ve 89.80 ± 12.66% keskinlik gösterdi. Son olarak 12 insan deneğin katılımıyla aynı silikon örnekler üzerinde elle muayene deneyleri yapıldı. Çıkan sonuçlar ile dokunsal sensör sonuçları karşılaştırıldı. Dokunsal sensörün silikon örnekler içindeki derin yumruları bulma performansının insanlarınkine göre daha yüksek olduğu, insanların ise silikon örneklerin yüzeyine yakın yumruları bulma performansının dokunsal sensörünkine göre daha yüksek olduğu tespit edildi.

We developed a compact Tactile Imaging (TI) system in order to guide the clinician or the self-user for non-invasive detection of breast lumps. Our TI system consists of 10×10 infrared emitter-detector sensors, a silicon-rubber elastic pad, and a contoured tactile interface (25x21 moving pins) for palpating breast tissue. The proposed TI system is more cost-effective than the conventional imaging techniques such as mammography, MRI, and ultrasonography. Furthermore, it has no side effects during or after the breast examination and can be used by women who are pregnant or breastfeeding. Compared to the other TI systems utilizing capacitive or piezo-based sensing technologies, the proposed system conforms to the palpable object, which results in distributed force sensing and leads to higher spatial resolution. In order to evaluate the performance of the proposed TI system, tissue-like cylindrical silicon samples containing tumor-like inclusions were prepared first. Then, compression experiments were performed with the TI system to measure its sensitivity and specificity in detecting those inclusions. Based on the experiments performed with 11 inclusions, having 2 different sizes and 2 different stiffnesses, located at 3 different depths, our TI system showed an average sensitivity of 90.82 ± 8.08%, an average specificity of 89.80 ± 12.66%. Finally, manual palpation experiments were performed with 12 human subjects on the same silicon samples and the results were compared to that of the TI system. The performance of the TI system was significantly better than that of the human subjects in detecting deep inclusions while the human subjects performed slightly better in detecting shallow inclusions close to the contact surface.