Difüz optik tomografide iki farklı geri-çatım tekniğiyle görüntü oluşturma ve elde edilen görüntüleri karşılaştırma

Abstract

Günümüzde meme kanserini teşhis amaçlı kullanılan yöntemler mevcuttur. Bunlar X-ray tomografi, ultrason ve MRI gibi cihazlardır. Bu cihazların vücuda zararlı ışınlar göndermesi, maliyetinin fazla olması, çözünürlüğünün az olması ve taşınabilirliğinin güç olması nedeniyle meme kanseri teşhisinde yeni yöntemler aranmaktadır. Bu yöntemlerden biri de Difüz Optik Tomografi (DOT)'dir. Difüz optik tomografi meme tümörlerini belirlemek amacı ile geliştirilen bir sistemdir. Bu çalışmada kullanılan DOT sisteminde dokuya penetrasyonu yüksek olan 808 nm dalga boyunda lazer kullanılmaktadır. DOT sisteminin probu 49 kaynak ve 49 detektör fiberden oluşmaktadır. Kaynak ve detektör fiberler 10x10 luk bir matris üzerine sırası ile yerleştirilmiştir. Tek bir kaynaktan ortama ışık gönderilirken difüzyon ile geri dönen ışık 49 detektör fiber tarafından toplanmakta ve fotodiyotlara gönderilmektedir. Bir ölçüm sonunda 49x49 = 2401 tane veri alınmaktadır.Yapılan deneylerde meme benzeri ortam (meme fantomu) olarak %1 konsantrasyonu olan intralipid kullanıldı. Intralipid'in 808 nm de absorpsiyonu çok düşüktür. Intralipid'in içine meme dokusuna benzemesi için absorpsiyon katsayısını 0.04 cm-1 olacak şekilde Indocyanine green (ICG) konuldu. Tümör yapıyı temsil etmek için saydam baloncukların içine intalipid ve absorpsiyon katsayısı 0.16 cm-1 olacak şekilde ICG konuldu. Bunun nedeni de tümör olan bölgedeki yoğun kanlanmadan dolayı absorpsiyonun normal dokuya göre daha yüksek olmasıdır. Bu çalışmada meme fantomunun ve tümör benzeri yapının (absorber) ışığı saçma katsayıları (µs) aynı olup sadece absorpsiyon katsayıları (µa) farklıdır. Bundan dolayı geri çatım (reconstruction) algoritmaları ile oluşturulan görüntüler absorpsiyon konsantrasyonu farkına bağlıdır. Çalışmada 0.3cm ile 1.5cm derinliklerinde inklüzyon olan meme fantomları üzerinde ölçümler alındı. DOT sistemi ile alınan ölçümlerin, Algebraic Reconstruction Teknik (ART) ve Truncated Conjugate Gradient (TCG) yöntemleri kullanılarak 3 boyutlu görüntüleri oluşturuldu. Probun altında kalan hacim x-y-z ekseninde sırasıyla 15x15x10 voksele bölündü ve böylelikle sistemde toplam voksel sayısı 2250 olmuş oldu. Farklı geri çatım algoritmaları ile oluşturulan görüntüler konum (derinlik) ve gerçek şekle benzeme (inklüzyon şekline) parametreleri göz önünde bulundurularak karşılaştırıldı.TCG algoritması ile elde edilen sonuçlar ART algoritmasına göre gerçeğe daha yakın, daha gürültüsüz ve absorberın boyutlarına en yakın olanıdır. Algoritmalar için kullandığımız sistem 2401 ölçüm 2250 vokselden oluştuğundan dolayı böyle sistemlere over-determined sistemler denilmektedir. Over-determined sistemlerde TCG algoritmasının daha iyi çalışmış olduğunu sonuçlarımızdan çıkarmaktayız.

Currently, there are several devices have been used for diagnosis of breast cancer. These devices are X-ray tomography ultrasound and MRI. Because of these devices sending harmful photons to the body, costly, lack of resolution and portability, new methods are searching on diagnosis of breast cancer. One of these methods is Diffuse Optical Tomography (DOT). Diffuse optic tomography system was developed in order to diagnose breast tumors. In this study, 808 nm wavelength laser which has a high penetration to tissue is used. In the DOT system there are 49 source and 49 detector fibers. The source and detector fibers are placed in 10x10 matrix in an order. When photons are sending into the tissue by one source, returning light is collected by 49 detectors fiber and are delivered to the photodiode. At the end of the measurements, there are 49x49 data are taken. In in-vitro experiments, to make similar environment like breast tissue Intralipid with a concentration of 1% was used. Intralipid has very low absorption at 808 nm. To make similar absorption coefficient to the breast tissue Indocyanine green (ICG) was added to make the absorption coefficient 0.04 cm-1. To mimic tumor, a transparent balloon was filled with 1% Intralipid and ICG to set scattering and absorption coefficients 10 cm-1 and 0.16 cm-1. Because of the extensive blood supply of tumor region, absorption is higher in tumor region than normal tissue. In this study, the breast phantom and tumor-like structure's (inclusion) light scattering coefficients (μs) is same but absorption coefficients (μa) are different. Therefore, reconstructed images created based on the difference in the absorption between the background and the inclusion. In the study, measurement were taken breast phantoms for the depth of the inclusion of 0.3 cm to 1.5 cm. 3D Image of breast phantoms were created by using Algebraic Reconstruction Technique (ART) and Truncated Conjugate Gradient (TCG) methods. In the reconstruction, the volume under the probe was divided to 15x15x10 voxels on x-y-z axes respectively and so the total number of voxels in the system became 2250. Images created by different reconstruction algorithms are compared to each other in terms of some parameters such as position and resembling the actual shape. The results obtained by the TCG algorithm are closer to the real, which is the closest of absorber`s dimensions and contains less artifact. The system which we use consists of 2401 measurement and 2250 voxels so it is called as over-determined systems. According to our findings, we inference that TCG algorithm works better for over-determined system.