Temperature estimation using magnetic nanoparticles: A simulation study
Manyetik nanoparçacıklar kullanarak sıcaklık ölçümü tahmini yapılması: Benzetim çalışması
- Tez No: 618746
- Danışmanlar: PROF. DR. NEVZAT GÜNERİ GENÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Biyomedikal görüntüleme sistemlerinde, sıcaklık dağılımı bilgisinin verilmesini sağlayan algortirmalar, teşhis ve tedavi yöntemlerinde kullanılmak üzere önem kazanmıştır. Bundan yola çıkılarak, bu tez çalışmasında, manyetik nano parçacıklar kullanarak sıcaklık dağılımı tahmini yapılması amaçlanmıştır. Manyetik nano parçacıklar (MNP), Manyetik Parçacık Görüntüleme (MPG) isimli, yeni bir biyomedikal görüntüleme tekniğinde görüntü izleyicisi olarak kullanılırlar. MPG'nin bulunuşundan beri, sıcaklık değişimlerinin, MNP'lar ve manyetik davranışlarına olan etkileri araştırılmaktadır. Bu araştırmalar şu zamana kadar göstermiştir ki, sıcaklık ve MNP davranışı arasında doğrusal olmayan bir ilişki vardır. Bu tez çalışmasının ilk adımı olarak, detaylı bir MPG sisteminin, simülasyon ortamında modellenmesi amaçlanmıştır. MATLAB ortamında, MPG sisteminin temel ögeleri olan 'Seçici', 'RF' ve 'Alıcı' bobin çiftleri modellenmiştir. Seçici ve RF bobin yarıçapları 25cm ve Alıcı bobin yarıçapı ise 10cm olarak ayarlanmıştır, bobinler tek sarımlı ve diresel şekildedir. Tarama yöntemi olarak 'Lissajous Eğrileri' seçilmiştir. Geometrik kurulumun modellenmesi sonrasında, manyetik alan üretimi de modellenmiş ve görüntü geri çatımında kullanılmak üzere bir sistem matrisi oluşturulmuştur. Bu sistem matrisi, MNP'ler tarafından manyetik alana maruz kaldıklarında üretilern manyetizasyon sinyali ve görüntüleme sistemi arasındaki ilişkiyi tarif eder. Görüntü geri çatımında 'Algebraic Reconstruction Technique (ART)', 'Selective Singular Value Decomposition(SSVD)' ve 'Truncated Singular Value Decomposition (TSVD)' yöntemleri kullanılmıştır. Geri çatım yapılan görüntüler, milimetre seviyesinde çözünürlüğe sahiptir. Bu sistemin yanı sıra, sıcaklık değişimlerinin MNP davranışı ve MPG sistemine olan etkisinin incelenmesi için ilk adım olarak gerçekçi bir sıcaklık dağılım haritası modellenmiştir. Bu modelde Pennes Bioheat denklemleri kullanılmış ve simülasyon ortamında 'odaklı ultrason' enerjisi kullanılarak bir takım sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Denklemlerin çözümlenmesinde 2 boyutu ele alan 'Zamanda Sonlu Farklar Metodu (FDTD)' kullanılmıştır. Sonuç olarak, gerçekçi bir sıcaklık dağılım modeli oluşturulmuş ve MPG modeline eklenmiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda görülmektedir ki farklı genlik ve frekansta sinüsoidal manyetik alanla uyarılan MNP'ların üretmiş olduğu sinyalin, beşinci ve üçüncü harmoniklerinin oranları kaydedilerek bir kalibrasyon eğrisi elde edilebilir ve bu eğri sıcaklık tahmininde kullanılabilir. Ancak bu çalışma yalnızca spektroskopik veri toplama sistemleri için geçerlidir. Bu tez çalışmasında, sıcaklık tahmini için iki farklı yöntem önerisinde bulunulmuştur ve bu yöntemler gürültüsüz durum için uygulanmıştır. İlk yöntemde, sıcaklık tahmin algoritması, görüntüleme alanını piksel – piksel taramaya dayalıdır. Çizgisel tarama yöntemi ile elde edilmiş bir kalibrasyon eğrisi kullanarak her pikseldeki sıcaklık tahmin edilmektedir. Bu yöntem sonuçları 0.01°K çözünürlüğe ve yüzde 0.003 hata payına sahiptir. İkinci yöntem ise bir linearizasyon algoritmasıdır. Sıcaklık ve manyetizasyon arasındaki ilişki linearize edilerek çözülmüştür. Bu yöntemin sonuçları ise 0.001°K çözünürlüğe ve yüzde 0.063 hata payına sahiptir.
Özet (Çeviri)
Lately, in biomedical imaging systems, algorithms for providing the temperature data became more important both for diagnosis and for treatment. Aiming to serve this purpose, in this thesis study, it is planned to estimate the temperature data using magnetic nanoparticles; which are actually imaging tracers used in a new medical imaging modality, Magnetic Particle Imaging (MPI). Since the introduction of MPI, the effect of temperature changes on magnetic nanoparticles (MNPs) and their magnetic behavior, is being investigated and the results show that there is a non-linear relation between the temperature and the particle magnetization. For this reason, as the starting point of this study, a detailed MPI system was modelled using MATLAB with its main components, which are the Selection Field, Drive Field and Receiver coil pairs. All coils were modelled to have a circular shape, the Selection and Drive field coils have 25cm radius whereas the receive coils have 10cm radius. Scanning sequence was chosen to be 'Lissajous Trajectory' with sufficient density in order to provide a good spatial resolution. After determining the geometrical setup, a system matrix was obtained, which describes the magnetization signal, induced by the MNPs, as a function of the imaging space. In order to reconstruct images by the use of the system matrix, Algebraic Reconstruction Technique (ART), Selective Singular Value Decomposition (SSVD) Method and Truncated Singular Value Decomposition (TSVD) Method were applied to solve the matrix equation. Reconstructed images have resolution ranged in sub-millimeter level. In order to examine the effect of temperature changes in the model, a thermal solver was implemented using Pennes' Bioheat Equations. Energy of a focused ultrasound beam was used as the heat source and the equation was solved both in time and space, using the Finite Difference Time Domain Method (FDTD) in 2-Dimensional space. As a result, a realistic time-varying temperature data was included in the MPI model. Previous studies show that it is possible to estimate the temperature by utilizing a calibration curve that is acquired from the ratio of the fifth and the third harmonics of the magnetization signal, generated by MNPs, under different strength of applied sinusoidal field. But this was showed only for spectroscopic (0-D) data acquisition systems. In this thesis study two different methods were proposed for temperature distribution and applied for noise free case. For the first method, the algorithm is based on pixel-wise scanning and using a calibration curve obtained from 1D line scanning. The resolution and the maximum relative error was found to be 0.01°K and 0.003 per cent, respectively. Secondly, a linearization method for temperature estimation was proposed and the resolution and the maximum relative error was found to be 0.001°K and 0.063 per cent, respectively.
Benzer Tezler
- FeNiCoCu yüksek entropili alaşımlarının ultrasonik sprey piroliz tekniği ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of FeNiCoCu high entropy alloys via ultrasonic spray pyrolysis method
BURAK KÜÇÜKELYAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Thermophysical properties of nanofluids and empirical correlations
Nanoakışkanların termofiziksel özellikleri ve deneysel korelasyonları
KATİA HAVİTERS
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
KimyaYeditepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM LEVENT ALTAN
- Multicolor fluorescence microscopy fortracking magnetic micro-agents
Başlık çevirisi yok
MERT KAYA
Doktora
İngilizce
1989
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUniversity of TwentePROF. DR. SARTHAK MİSRA
- Elektromanyetik açıcının bazı fiziksel özelliklerinin ölçümü, sonlu elemanlar yöntemi ile analizi ve karakteristiğinin makine öğrenmesi ile kestirimi
Measurement of some physical properties of an electromagnetic plunger, its analysis with finite element method, and estimating the characteristic using machine learning
MAHAMMADKHAN GULIYEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞUAYB ÇAĞRI YENER
- PLC kontrollü indüksiyonlu ısıtma sistemleri için YSA ile farklı çalışma frekanslarında sıcaklığa bağlı endüktans değerinin tahmini
Estimation of inductance depending to temperature at different operating frequencies with ann for PLC controlled induction heating system
MEHMET TOPRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN BİLGİN