Hard and soft tissue characterization with microwave dielectric spectroscopy
Mikrodalga dielektrik spektroskopi ile sert ve yumuşak doku karakterizasyonu
- Tez No: 741159
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Dielektrik Özellik, Mikrodalga Dielektrik Spektroskopisi, Güç Yasası, Doku Karakterizasyonu, Dielectric Property, Microwave Dielectric Spectroscopy, Power-Law, Tissue Characterization
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 66
Özet
Mikrodalga frekanslarında sert ve yumuşak dokular arasındaki dielektrik özellik farkı yumuşak dokuların sert dokulardan ayrılması için kullanılabilme potansiyeline sahiptir. Biyolojik dokuların mikrodalga frekanslarda dielektrik özellikleri geleneksel olarak açık uçlu koaksiyel prob tekniği ile ölçülür. Bununla birlikle, doku heterojenitesi, kullanıcı hataları, matematiksel yaklaşım ve kalibrasyon bozulması nedeniyle kullanılan teknik yüksek hata oranlarına sahiptir. Farklı değerlere sahip veri gruplarına makine öğrenimi algoritması uygulandığında verinin yüksek doğrulukta sınıflandırılabileceği bilinmektedir. Bu nedenle, tekniğe özgü hatalardan en az etkilenebilecek bir sınıflandırma parametresinin seçilmesi, doku kategorizasyonunun doğruluğunu artırmak için kritik öneme sahiptir. Emprik olarak, mikrodalga frekanslarındaki dielektrik özellikler güç yasasına uyar. Bu olguya göre daha önce araştırılmamış bir parametre, dielektrik özelliklerden elde edilebilecek güç parametresidir. Bu kapsamda güç parametresinin farklı dokuları, özellikle sert ve yumuşak dokuları, ayırabilme potansiyeli bu çalışmada literatürde verilmiş olan veri gruplarından yola çıkarak araştırılmıştır. Ayrıca güç parametresinin etkinliğini araştırmak amaçlı sağlıklı ve kanserli karaciğer dokularına ait dielektrik özellik ölçümlerine ait güç parametreleri kullanılarak makine öğrenme algoritmalarıyla sınıflandırma yapılmıştır. Uygulanan teknik sonucu %82 doğruluk elde edilmiştir. Bu kapsamda güç parametresinin doku sınıflandırılmasında dielektrik özelliklere ek olarak farklı bilgi barındıran bir özellik olarak kullanılabilmesi öngörülmektedir. Alternatif olarak, bazı durumlarda dielektrik özellikler yeterli bilgi sağlamaz, buna bir örnek sert ve yumuşak dokuların ayrılmasıdır. Bu koşullar altında güç parametresi sınıflandırma amacıyla kullanılabilir. Bu yaklaşım yüksek maliyetli görüntüleme veya mutasyon tarama testlerine alternatif bir hızlı tanı yöntemi olarak kullanılabilir. Dokunun frekansa bağlı dielektrik özelliklerinin bilgisi, teşhis teknolojilerini geliştirmek için gereklidir. Bu amaçla, 0,5 GHz ile 20 GHz mikrodalga frekans aralığında yumuşak ve sert dokuların dielektrik özellikleri karakterize edilmiştir. Son on yılda yapılan araştırmalar, farklı dokuların dielektrik özelliklerinin de farklı olduğunu göstermiştir. Ancak, sert ve yumuşak biyolojik dokuları ayırt etmek için yapılmış dielektrik çalışmaları yoktur. Bu konuda bilgi vermek amacıyla sert ve yumuşak biyolojik dokuların dielektrik karakterizasyonu sunulmuştur. Ölçümler, 0,5–20 GHz frekans bandında açık uçlu bir koaksiyel prob kullanılarak IFAC-CNR uygulamasından elde edilmiştir. Sonuçlar, yumuşak ve sert dokuların güç yasasına bağımlı dielektrik katsayısı arasında farklılık olduğunu göstermektedir. Dokuların dielektrik özellikleri, son 20 yıldır mikrodalga dielektrik spektroskopisi ile karakterizasyon amaçlı laboratuvar ortamlarında kullanılmaktadır. Doku dielektrik ölçümlerinin toplanmasındaki ana motivasyon mikrodalga görüntüleme, mikrodalga hipertermi ya da ablasyon gibi teşhis ve tedavi yöntemlerinin geliştirilmesini sağlamaktır. Geçtiğimiz yıllarda mikrodalga dielektrik spektroskopinin tek başına bir teşhis yöntemi olarak yüksek doğrulukta kanserli doku teşhisi amaçlı kullanılabileceği öne sürülmüştür . Fakat, mikrodalga dielektrik spektroskopi için sıklıkla kullanılan açık uçlu prob yönteminin yüksek hatalı ölçüm yaptığı, ek olarak yumuşak ve sert doku gibi bazı dokular arasındaki dielektrik özellik farkının ölçüm hatasını tolere edebilecek kadar belirgin olmadığı bilinmektedir. Matür kistik teratomlar yumuşak ve sert dokuları beraber bulunduran biyolojik yapılara örnek oluşturmaktadır. Literatürde tüm yumurtalık tümörleri arasında görülme sıklığı %10-20 arasında değişen matür kistik teratomlar en sık karşılaşılan iyi huylu tümörlerdir. Bu tümörlerin, üreme çağındaki kadınlarda (20-40 yaş) teşhis sıklığı %45-60 arasındadır. Matür kist teratomları yapılarında yağ, kıl, diş, kıkırdak ve kemik gibi dokuları bulundururlar. Dermoid kist ismiyle de bilinen teratomların teşhisi; ultrasonografi, bilgisayarlı tomografi ve manyetik rezonans görüntüleme gibi çeşitli yöntemlerle yapılmaktadır. Ancak bu yöntemler yalnızca operasyon öncesi planlama için ön bilgi sağlamak amaçlı kullanılmaktadır. Yakın literatürde sunulan ve doku sınıflandırılması için kullanılabilecek bir başka yöntem ise mikrodalga spektroskopi tekniğidir. Dielektrik özellik ölçümleri genellikle açık uçlu koaksiyel prob tekniği kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu tekniğin pratik uygulamaları, mikrodalga biyopsi probu gibi, daha önce literatürde öngörülmüştür. Fakat dielektrik özellikler doğrudan ölçülebilen karakteristik özellikler değildir. Bu nedenle çeşitli ölçüm düzeneğinden toplanan veriler dielektrik özelliklere dönüştürülür. Biyolojik dokuların dielektrik özelliklerini ölçmeye en uygun olan açık uçlu prob tekniği ise yönteme özgü yüksek hata değerleri içerir. Bu hata doku heterojenitesi, kablo hareketleri, matematiksel yaklaşım gibi birçok faktörün katkısıyla yükselerek ölçümün kalitesini azaltır. Bu nedenle tek bir ölçüm sonucu elde edilen dielektrik özelliklerle doku sınıfının belirlenmesi mümkün olamamaktadır ve kontrollü deneylerle test edilen materyalden çok sayıda ölçüm örneği elde edilmesi gerekmektedir. Bir örnekten birden fazla verinin toplanması laboratuvar ortamında mümkün olsa da pratik uygulamalarda tek veri ile yüksek doğrulukta ölçüm yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Mikrodalga spektroskopi ile şüphelenilen dokudan hızlıca veri toplanabilir. Daha sonra bu verilerin otomize olarak sınıflandırılması ile laboratuvar ortamında testlere ya da radyolog gibi eğitimli personele ihtiyaç duyulmaksızın dokunun çeşidine karar verilebilir. Bu teknoloji hem teşhis amaçlı hem de ameliyat sırasında sınır belirlemek amaçlı kullanılabilir. Kemik dışı dokularn kemikleşerek kemik dokusu niteliği kazanmasına ossifikasyon denir. Bir başka ossifikasyon hastalığı ise ''taş adam sendromu'' olarak bilinen Fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) bağ dokusunun zamanla kemiğe dönüşmesine yol açan nadir bir genetik bozukluktur. Bu sendromun ilk belirtisi doğumdan sonra ve takip eden yıllarda pediatrik grubun ayak parmak boyutundaki farklılık ile gözlemlenir. Kesin tanısı ise sadece mutasyon tarama yöntemleri ile konmaktadır. Bu bozukluğun herhangi bir cerrahi müdahale ile tedavisi söz konusu değildir; ancak mutasyon tarama yöntemlerinin yüksek maliyeti sebebiyle şüpheli dokuların dielektrik özelliklerinin ölçümü alternatif bir teşhis yöntemi olarak geliştirilebilir. Mikrodalga teşhis ve tedavi yöntemleri dokular arasında doğal olarak bulunan dielektrik özellik farkına dayanır. Bu kapsamda, farklı dokuların dielektrik özellikleri literatürde farklı koşullar altında olmak üzere ölçülmüş ve dokuların kendi içerisinde su içeriğine göre dielektrik özelliklerinin farklılaştığı raporlanmıştır. Aynı şekilde, sağlıklı dokular ile anomaliler arasında da dielektrik özellik farkları gözlemlenmiştir. Bulguların erken evre anomali tespiti ve teşhisinde potansiyel uygulaması vardır ve teşhis için yeni araçlar geliştirmenin yanı sıra sağlıklı, kanserli ve anormalliklerin elektromanyetik modellerini oluşturmada faydalı olabilir.Sağlıklı ve anomali gösteren dokuların arasındaki dielektrik özellik farkını en iyi şekilde temsil edecek, literatürde daha önce araştırılmamış olan, eğim parametresi analiz edilmiştir. Güç yasası bağımlılığını kantitatif olarak tanımlamak amacıyla hesaplanan eğim değeri, dielektrik özellik verilerinin logaritmik ölçekte incelenmesiyle elde edilmiştir. Bağıl dielektrik katsayısının mikrodalga frekanslardaki doğrusal değişimi sonucu ortaya çıkan bu bağımlılığın, vücutta yumuşak ve sert dokuların ayrımı için belirleyiciliği incelenmiştir. Dolayısıyla, yumuşak dokuların kemikleşmesine yol açan genetik bozuklukların ve kemik dokusu içeren tümörlerin teşhisinde potansiyel olarak kullanılabilecek bir teknik olarak kullanılabileceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
The dielectric property discrepancy between hard and soft tissues at microwave frequencies can potentially be utilized for the separation of those tissues from each other. Microwave dielectric properties of biological tissues are traditionally measured with the open-ended coaxial probe technique. However, the technique suffers from high error rates thanks to tissue heterogeneity, user errors, mathematical approach, and calibration degradation. It is known that datasets with different values will be classified with high accuracy when a machine learning algorithm is applied. Therefore, choosing a classification parameter that might be least plagued by inherent errors is critical for increasing the accuracy of tissue categorization. Empirically, dielectric properties at microwave frequencies abide by the power law. Supported this fact, one unexplored parameter is the power parameter which might be derived from the dielectric properties. This work presents investigations on the potential use of the power parameter to separate different tissues, spesifıcally hard and soft tissues, supported by the datasets within the literature. Additionally, to research the effectiveness of the power parameter, classification was performed with machine learning algorithms using the power parameters obtaıned from dielectric property measurements of healthy and malignant liver tissues. Through the appliance of the technique 82% accuracy was obtained. Towards this goal, it's predicted that the power parameter might be used as a feature containing different information additionally to dielectric properties in tissue classification. Alternatively, in some cases dielectric properties do not provide enough information, one example is that the separation of hard and soft tissues, under such conditions the power parameter might be employed for classification purposes. This approach might be used as an alternative method for rapid diagnostic to high-cost imaging or mutation screening tests. The frequency-dependent dielectric properties of the biological tissues are crucial to developing diagnostic technologies. To the current end, we characterized the dielectric properties of the hard and soft biological tissues in the microwave frequency ranging from 0,5 GHz to 20 GHz. The obtained data were modeled as the Cole-Cole model to fit the Cole-Cole parameters as a function of frequency. The created model provides accessibility to the dielectric properties of soft and hard tissues at any frequency within the specified range. Most of the studies carried out over the decades have shown that the dielectric properties of different types of biological tissues generally show different dielectric properties. However, no intensive dielectric studies between tissue anomalies in keeping with their softness and hardness. To provide information regarding this matter, a dielectric characterization of anomalies and healthy tissues is presented. Measurements are obtained from the IFAC-CNR application, using an open-ended coaxial probe within the 0,5–20 GHz frequency band. Results show that the differences between the power-law dielectric coefficient of soft and hard tissues are different. The results of the study have a potential method for early-stage detection and diagnosis of soft and hard tissue anomalies. Therefore, developing new tools for diagnosis and detection as well as creating parametric models for hard and soft tissue characterization might be useful.
Benzer Tezler
- Polietilen glikol ve Hint yağı temelli şekil hafıza özelliği gösteren poliüretan filmlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of polyethylene glycol and castor oil based-shape memory polyurethane films
MİREY BONFİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F. SENİHA GÜNER
- Design of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties
Farklı kimyasal ve mekanik özellikte bölgeler içeren biyouyumlu hidrojel tasarımları
ASLIHAN ARĞUN
- Development of mechanically robust, biodegradable bioink formulations for 3D bioprinting
3B biyobaskı için mekanik stabiliteye sahip, biyobozunur biyomürekkep formülasyonlarının geliştirilmesi
IŞIL YAZGAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikAnkara ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PINAR YILGÖR HURİ
- Terahertz time-domain spectroscopy and its applicationtowards measurements in biology
Zaman dayalı terahertz spektroskops ve biyolojk ölçümlere yönelk uygulamaları
ZEYNEP ÖZER
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
- Geopolimer üretiminde nanopartiküllerin kullanımının incelenmesi
Investigation of nanoparticle usage in geopolymer production
BEGÜM SEDA ÖĞÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMEK MÖRÖYDOR DERUN