Geri Dön

Microwave dielectric property based classification of prostate cancer with phantom materials

Mikrodalga dielektrik özellik bazlı fantom materyallerle prostat kanseri sınıflandırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 684479
  2. Yazar: NEGAR VARSHABI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Dokulardaki elektromanyetik dalgaların yayılımı, biyolojik dokularla elektromanyetik alan etkileşimi sürecini ifade eden dielektrik özellikleri ile değerlendirilir. Bu özellikler, hastalıkların teşhisi ve tedavisinde kullanılan tıbbi uygulamaları geliştirmek için kullanılır. Geçmiş çalışmalarda, sağlıklı ve tümörlu dokuların dielektrik özellik farkı araştırılmıştır. Sağlıklı ve tümörlu dokularin arasındaki fark tümörlu dokuların daha yüksek miktarda su içeriğinden kaynaklanıyor. Literatüre gore tümörlu ve sağlıklı dokuların dielektrik özellikleri mikrodalga frekanslarda farklılık göstermektedir. Fakat bu dokuların dielektrik özellikleri arasında bulunan doğal farkın kullanımı, mikrodalga görüntüleme ve mikrodalga hipertermi araştırmalarının temel dayanağı olmak ile sınırlı kalmıştır. Dielektrik özelliklerini ölçmek için kullanılan çeşitli yöntemler vardır ve açık uçlu temaslı prob tekniği, mikrodalga frekans aralığında biyolojik dokuların dielektrik özelliklerinin ölçümü için makul bir yöntemdir. Bu yöntem, yüksek dielektrik özelliklere sahip malzemelerin ölçümü için literatürde sıklıkla tercih edilen yöntemlerden biridir, çünkü açık uçlu kontak prob tekniği geniş bant ölçüm için kullanılabilir ve numunelerin ölçü ve formundaki sınırlamalar küçüktur. Ayrıca yumuşak ve sıvı malzemeler (jeller ve biyolojik dokular gibi) için de uygundur ve tahribatsız ve hızlı ölçüm yapar. Mikrodalga frekanslarında biyolojik dokunun dielektrik özelliklerini ve biyolojik anormallikleri test etmek ve izlemek için açık uçlu temas probları kullanılmıştır. Açık uçlu temaslı probun teşhis kullanımına yönelik uygulamalar literatürde rapor edilmiştir; Çalışmalar, mikrodalga frekanslarında kötü huylu tümör ve sağlıklı dokuların özelliklerinin tutarsızlıklara işaret ettiğini ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, bu dokuların özellikleri arasındaki doğal farkın kullanımı, mikrodalga görüntüleme ve mikrodalga hipertermi araştırmaları için temel bilgileri sağlamakla sınırlandırılmıştır. Ancak ölçme sürecinin kısıtlılıkları nedeniyle bu alandaki araştırmalara devam edilmemiştir. Prostat kanserinin tespiti bu yaklaşımların olası kullanımıdır. Bu proje kapsaminda, sağlıklı ve tümörlu prostat için basit malzemelerle geliştirilen fantom dokunun dielektrik özelliklerini ölçmek için açık uçlu bir prob tekniğine dayalı olarak prostat kanserini teşhis eden ve tanımlayan invazif olmayan bir prob kullanılacaktır. Prostat kanseri, Türkiye'de erkeklerde en çok görülen kanser çeşiti olarak ikinci sırada yer almakta ve gelişmekte olan ülkelerde en çok görülen kanser çeşiti olarak belirtilmektedir. Prostat kanseri genellikle manuel muayene ile tanımlanır ve daha sonra büyümenin nedenini bulmak için bir biyopsi alınır. Biyopsi tanı süresini ve tanı masrafını artırır. Kanser tedavisi için alternatif tanı yolu da gereklidir. Prensipte, açık uçlu probları, bir tümörden yoksun, invaziv bir ameliyat olmadan teşhis edilemez. Diğer hasta teşhisleri veya gözdeki gibi, böyle bir durumdaki hasta ve normal dokuları arasındaki farktır. Ancak prostat kanserlerinin dielektrik özellikleri literatürde bulunmamaktadır. Güvenlik açısından yeni görüntüleme yöntemlerinin test edilmesinin doğrulanması için insan dokusu dielektrik özelliklerini uygun şekilde yansıtan bir doku özelliğini taklit eden bir fantom malzeme gereklidir. Fantom malzemeler literatürde mikrodalga tanı teknolojilerini test etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyolojik doku özelliklerini taklit eden fantomların, Bilgisayarlı Tomografi, Manyetik Rezonans Görüntüleme ve ultrason gibi tıbbi görüntüleme yeniliklerini test etmede yardımcı olduğu kanıtlanmıştır. Geniş bant uygulamaları için heterojen fantom yapımında kullanılacak doku taklit eden materyallerin gerekliliği, elektromanyetik özellikleri taklit eden fantomların hazırlanması talebini artırmıştır. Hayvan deneyleri maliyetlidir, zaman alıcıdır ve çeşitli etik gereksinimleri karşılamaları gerekir. Bu nedenle, hayvanlardan veri toplanması zahmetlidir. Öte yandan, ML algoritmalarının büyük veri kümeleriyle daha iyi performans gösterdiği bilinmektedir. Fantom materyallerden veri toplamak, verileri çoğaltmak için veri setini arttırmanın iyi bir yoludur. Bu yöntem şunları sağlar: (1) modellerin başka bir dielektrik özellik veri seti ile doğrulanması, (2) fantom dielektrik özellik verileri üzerinde eğitilmiş modelin in vivo veri setine genelleştirilmesi potansiyelini araştırır. Dokuyu taklit eden deneysel fantomlar yaratmak için jel dokulu malzemeler kullanılmaktadır. Çeşitli yumuşak dokuların dielektrik özelliklerini doğru bir şekilde modellemek için bu malzemelerin dielektrik özellikleri 0,5 ila 6 GHz arasında ayarlanabilir. Bu projede, sağlıklı ve tümörlu fantomlarin dielektrik özelliklerini mikrodalga frekanslarında sınıflandırıp, Destek Vektör Makineleri ve lojistik regresyon yöntemlerinin performansı değerlendirilmiştir. 500 MHz ila 6 GHz mikrodalga frekans aralığında insan prostat dokusunun dielektrik özelliklerine yakin 6 fantom geliştirdik ve karakterize ettik. Jelatin bazlı malzemeler, stabil mekanik özellikleri ve üretim kolaylığı nedeniyle tercih edilir. Bu fantomlarin 3 tanesi sağlıklı ve 3 tanesi tümörlu prostat dokusunu taklit etmektedir. Fantomların dielektrik özelliklerinin farkı için değişik yuzdelerde şeker ilavesi kullanılarak ayarlandı. Sağlıklı fantomlarda 20 ±5 % (15%, 20%, 25%) şeker ve tümörlu fantomlarda 10±5 % (5%,10%, 15%) şeker agar bazli solüsyona eklenmiştir. Açık uçlu prob metodolojisinin tıbbi teşhis teknolojisi olarak gelişmesini engelleyen en önemli dezavantajlardan biri, dielektrik özellik ölçümlerinin yüksek tekrarlanabilirlik ve hassasiyetle gerçekleştirilememesidir. Prostat doku örnekleri için, sınıflandırma algoritmaları kullanmanın başarısı, sağlıklı ve kanserli dokuları ayırt etmek için dielektrik özelliklerin kullanılabilir. Ayrıca kalibrasyon veya ölçüm sırasında koşulların sağlanamamasından kaynaklanan hatalar en aza indirilebilir. Bu çalışma, sağlıklı ve tümörlü prostat dokusu fantomları için kesinliğe dayalı sınıflandırma algoritmalarını kullanmayı amaçlamaktadır. Destek Vektör Makinesi (SVM) ve Lojistik Regresyon (LR) sınıflandırmadaki yüksek performanslarından dolayı kullanılmıştır. Sınıflandırılma için 600 adet sağlıklı ve 600 adet tümörlü prostat fantomlarindan olçüm alınmıştır. Sonuç olarak dengeli bir seçim, sınıflandırma algoritmalarının performans ölçümünde sonuçların doğruluğu daha yuksek olacaktır. Dielektrik özellik ölçümleri, açık uçlu bir temas probu ile 6 fantom üzerinde yapıldı. Değerlerden elde edilen geçirgenlik ve iletkenliği hesaplamak için (VNA) kullandık. Makine öğrenmesi algoritmaları için veri setleri, 64 frekans noktasında 100 MHZ aralıklarla 500 MHZ ile 6 GHZ arasında toplanmıştır. Geçirgenlik, iletkenlik ve bunların kombinasyonları üzerinde ayrı testler yapıldı. Veri setleri normalleştirildi. Aşırı uydurmayı önlemek için performans farklı çapraz doğrulamalarla değerlendirildi. 5-kat çapraz doğrulama kullanıldı performansı test edilmiştir. Sağlıklı ve kötü huylu fantomlar arasında önemli bir farklılık vardı ve bulgular önceki araştırmalarla uyumluydu.Performans, Doğruluk, MCC, kesinlik, F1 puanı ve hesaplanan Geri Çağırmayı ölçer. SVM tekniğindeki sonuçlar %89 - %96 ve LR'de %92 - %97 arasında hesaplanmıştır. Tüm performans ölçüm sonuçlarının %98'e kadar güvence verdiği görülmektedir. Destek Vektör Makinesinde en iyi doğruluk ve minimum hata, %96,42 doğruluk ve %3,5 Yanlış pozitif oranı ile geçirgenlik ölçümlerinden elde edilmiştir. En düşük doğruluk ve maksimum hatalar, 92.75 doğruluk ve %9.33 yanlış pozitif oranı ile iletkenlik için ölçülürken, birleştirilmiş verilerin tüm performans ölçümleri, %94.84 doğruluk ve %7.5 hata1 ile ölçülen geçirgenlik ve iletkenliğin ortalamasıdır. Bu sonuçlar, prostat durumunu sınıflandırmak için dielektrik özelliklerin kullanılmasının potansiyel bir yaklaşım olduğunu göstermektedir. Lojistik Regresyon da en iyi doğruluk ve minimum hata sonuçları, %97.61 doğruluk ve %1.3 Yanlış pozitif oranı ile geçirgenlik ölçümlerinden elde edilmiştir. En düşük doğruluk ve maksimum hatalar, 95.53 doğruluk ve %5.6 yanlış pozitif oranı ile iletkenlik için ölçülürken, birleşik verilerin tüm performans ölçümleri, %96.92 doğruluk ve %3.33 hata 1 ile ölçülen geçirgenlik ve iletkenliğin ortalamasıdır. Lojistik Regresyon, Destek Vektör Makinesin sınıflandırıcısına kıyasla biraz daha iyi performans göstermektedir. Bulgular, dielektrik ölçüm verilerinin kanser teşhisi için uygun bir teşhis aracı geliştirmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, EM medikal teknolojilerinin ilerlemesi için daha fazla dielektrik verisi gereklidir.

Özet (Çeviri)

The electromagnetic waves propagation in tissues is assessed by their dielectric properties that express the process of electromagnetic field interaction with biological tissues. These material properties are used for improving medical applications for diagnosing as well as treatment of diseases. There are a variety of methods used for measuring the dielectric characteristics, and the open-ended contact probe technique is a reasonable method for the dielectric properties measurement of biological tissues in microwave frequencies range. This method is one of the frequently preferred methods in the literature for the measurement of materials with high dielectric properties because the open-ended contact probe technique may be used for broadband measurement and there are minor limits on the scale and form of the samples. Open-ended contact probes have also been used to test and monitor biological tissue's dielectric properties and biological abnormalities at microwave frequencies. Applications for diagnostic usage of the open-ended contact probe are reported in the literature. The studies reveal that the properties of the malignant and healthy tissues at microwave frequencies Indicate inconsistencies. However, the use of the inherent difference among the properties of these tissues has been restricted to supplying basic information for research into microwave imaging and microwave hyperthermia. However, because of the limitations of the measurement process, researches in this field has not proceeded. The detection of prostate cancer is a possible use for these methods. In this project, a non-invasive probe that diagnosis and identifies prostate cancer based on an open-ended contact probe technique will be used to measure relative permittivity and conductivity of the phantom tissues developed by simple materials for the healthy and malignant prostate tissues. Prostate cancer has the second rank as the most prevalent kind of cancer for men in Turkey, and in developing countries, it is stated as the most prevalent malignancy among them. Prostate cancer is usually identified by manual inspection. A biopsy is then taken to figure out the cause of the enlargement. The biopsy increases the diagnosis time as well as the diagnosis expense. Alternative methods of diagnosis are also required. In principle, by using open-ended contact probes, the cancerous nature of a tumor can be diagnosed without an invasive operation. As in other microwave diagnostics or treatment modalities, the foundation of such an application is the dielectric variation between malignant and healthy prostate tissues. However, the prostate cancer dielectric properties in the microwave frequency range have not been documented in the literature. Phantom materials have been frequently used in the past studies to put microwave technology for diagnosis to the test. Animal experiments are high priced, have long-term measurements, and they must satisfy many ethical requirements. Therefore, collecting data from animals is difficult. Contrarily, ML algorithms perform better with extensive data sets. Collecting data from phantom materials is a good way for increasing the dataset to extend the training data. With the help of this method: (1) it is possible to validate the models with other data set's properties (2) investigate the possibility of generalizing the model trained on phantom dielectric property data to the collection of in vivo data. For making tissue mimicking experimental phantoms, we present solid and stable gel based tissue-mimicking materials. For modeling the dielectric characteristics of a variety of soft tissues accurately, these properties of the materials can be tuned between 0.5 GHz and 6 GHz. We proposed and characterized phantoms that approximate the permittivity and conductivity of a human prostate tissue at microwave frequency ranging from 500 MHz to 6 GHz. Gel based materials are favored because of their mechanical stability and the simplicity of manufacturing. A significant limitation that prevents the improvement of the open-ended contact probe methodology as medical diagnostic technology, is that the measurements of the dielectric property cannot be carried out with high repeatability and precision. For prostate tissue samples, the success of using classifier algorithms suggests that dielectric properties can be used to discriminate between healthy and cancerous tissues. In addition, errors caused by the conditions not being maintained during the calibration or the measurement can be minimized. This study aims to use classification algorithms for healthy and malignant prostate tissue phantoms based on precision. Because of their high classification performance, Support Vector Machine and Logistic Regression methods were utilized. Dielectric property measurements were done on 6 phantoms including 3 healthy phantoms and 3 malignant phantoms with an open-ended contact probe. We used a network analyzer(VNA) for calculating the permittivity and conductivity obtained from the values. Data sets were collected at 500 MHz -6 GHz frequency range with 100 MHz intervals at 64 frequency points. Separate tests were performed on the relative permittivity, conductivity, and their combinations. The data sets were normalized. Performance was assessed by different cross-validations to avoid overfitting. The cross-validation was chosen 5 to predict the performance measures. The performance measures Accuracy, MCC, precision, F1 score, and Recall calculated. Results in the SVM technique were calculated between %89 - %96, and %92-%97 in the Logistic Regression. The best results for Accuracy is 95.53% for conductivity, 97.61% permittivity, and 96.9% combined data for using data with LR classification, while results of Accuracy were 96.4% permittivity, 92.7% conductivity, and 94.8% for combined data with SVM algorithm.LR showed slightly better performance in comparison to the SVM classifier. The findings indicate that dielectric measurement data may be used to develop an appropriate diagnostic tool for cancer diagnosis. As a result, more tissue dielectric data is required for the advancement of EM medical technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    725335

    Microwave dielectric property characterization with open-ended coaxial probe and sensing depth analysis of the probes for biological tissues

    Açık uçlu koaksiyel prob ile mikrodalga dielektrik özellik tanımlaması ve biyolojik dokular için probların algılama derinlik analizi

    CEMANUR AYDINALP

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  2. Tez No

    633588

    Microwave spectroscopy based breast cancer diagnosis using support vector machines

    Destek vektör makineleri kullanılarak mikrodalga spektroskopi temelli meme kanseri tanısı

    EMRE ÖNEMLİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  3. Tez No

    737924

    Microwave dielectric property characterization of normal and malignant cells with open-ended coaxial probes

    Normal ve tümörlü hücrelerin mikrodalga dielektrik özelliklerinin açık uçlu koaksiyel prob ile karakterizasyonu

    ŞEYMA TEKMEN AKTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  4. Tez No

    557815

    Microwave dielectric property characterization of healthy and cancerous bone cells with open-ended coaxial probe

    Sağlıklı ve kanserli kemik hücrelerinin mikrodalga dielektrik özelliklerinin açık uçlu koaksiyel prob ile karakterizasyonu

    ZEYNEP MACİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  5. Tez No

    275976

    Production and characterisation of Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 pyrochlore ceramics with precious metal oxide additives

    Değerli metal oksit katkılı Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 piroklor seramiklerinin üretimi ve karakterizasyonu

    OĞUZ ÖZYOLDAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Metalurji MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN MERGEN

Geri Dön