Clinical assessment of the microwave imaging system forbreast cancer screening and early detection
Meme kanseri tarama ve erken tanı için mikrodalgagörüntüleme sisteminin klinik değerlendirmesi
- Tez No: 799210
- Danışmanlar: Prof. Dr. MEHMET ÇAYÖREN, Prof. Dr. İBRAHİM AKDUMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Meme kanseri, her yıl ortaya çıkan yaklaşık 2,3 milyon vaka ile kadın nüfusu içerisinde en yaygın teşhis konulan kanser türü olarak olarak akciğer kanserini geride bırakmıştır ve yine her yıl yaklaşık 685 bin kayıpla, yıllık olarak bildirilen kanser nedenli ölüm vakaların %12'sini oluşturmaktadır. Meme kanseri, dünyanın her ülkesinde kadınlarda ergenlik çağından sonra herhangi bir yaşta görülür, ancak ilerleyen yaşlarda karşılaşılma oranı artmaktadır. Temel olarak, meme kanseri, %85 olasılıkla memenin glandüler dokusundaki kanallarda veya %15 olasılıkla lobüllerindeki astar hücrelerinde (epitel) ortaya çıkar. Başlangıçta, kanserli bölgedeki büyüme, genellikle semptomlara neden olmadığı ve minimum yayılma potansiyeline sahip olduğu kanal veya lobül ile sınırlıdır. Zamanla, bu kanserli dokular (evre 0) ilerleyebilir ve çevredeki meme dokusunu istila edebilir (invaziv meme kanseri), ardından yakındaki lenf düğümlerine (bölgesel metastaz) veya vücuttaki diğer organlara (uzak metastaz) yayılabilirler. Bir kadın meme kanserinden ölürse, bunun nedeni yaygın metastazdır. Artan meme kanseri riski ile ilişkili birkaç belirgin faktör vardır: i) artan yaş – meme kanseri riski yaşla birlikte artar, ii) kişisel meme hastalıkları öyküsü - lobüler karsinom in situ (LCIS), atipik hiperplazisi veya meme biyopsi sayısına bağlı olarak meme kanseri riskinin artışı iii) kişisel meme kanseri öyküsü – eğer kadının bir memesinde kanser varsa diğer memede de kanser gelişme riskinin artması, iv) ailede meme kanseri öyküsü - eğer annesine, kız kardeşine veya kızına özellikle genç yaşta meme kanseri teşhisi konulmuşsa, kadının meme kanseri riski artar, v) radyasyona maruz kalma - kadın çocukken veya genç bir yetişkin olarak göğsüne radyasyon tedavisi aldıysa, meme kanseri riski artar, vi) obezite - obez olmak kadının meme kanseri riskini artırır. Meme kanseri geç evrelerde teşhis edilirse, yalnızca %25'lik hayatta kalma oranıyla oldukça ölümcül olabilir. Erken evrede teşhisin %99'luk sağkalım oranına ulaşması, meme kanserin erken evrede tespit edilmesinin hastaların ölüm oranını düşürmede önemli bir etkiye sahip olabileceğini göstermektedir. Aynı zamanda, beş yıllık hayatta kalma oranı, düşük ve yüksek gelirli ülkeler arasında farklılık gösterir; oranlar, düşük gelirli ülkelerde %40'tan yüksek gelirli ülkelerde %90'a kadar çıkmaktadır. Günümüzde mamografi, meme kanseri tarama ve teşhisinde altın standart olarak kabul edilmektedir. Buna rağmen, genel olarak 40 yaş üstü hastalarda kullanılmaktadır. Mamografinin yanı sıra ultrason ve manyetik rezonans görüntüleme meme kanserini teşhis etmek için kullanılabilir. Bununla birlikte, belirtilen görüntüleme yöntemlerini sınırlayan birkaç risk faktörü vardır, örneğin: iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalma, mamografide memenin sıkıştırılmasının neden olduğu ağrı, aşırı teşhis, yanlış pozitif muayeneler, yoğun memelerde yanlış negatiflik oranın yüksek oluşu, operatör bağımlılığı, işlem süresinin uzunluğu, yüksek hastane maliyetleri ve özel tesis gereksinimleri v.b. Mikrodalga meme görüntüleme, iyonize ediyici elektromagnetik dalgalar kullanmaması ve invaziv olmayan yapısı nedeniyle meme kanseri erken tarama ve teşhis alanına potansiyel olarak katkıda bulunabilecek umut verici yeni bir görüntüleme teknolojisi olarak ortaya çıkmıştır. İyonize edici olmaması nedeniyle mikrodalga görüntüleme 18 gibi erken yaştaki kadınlar için bile sık tarama imkanı sunmaktadır. Özellikle kalıtsal genetik mutasyonları olan ve meme kanseri riskinin yüksek olduğu kadınlar için erken yaş ve rutin testler çok önemlidir. Mikrodalga görüntüleme, iyonize olmayan ve invazif olmayan doğasının yanı sıra hızlı ve ağrısız taramalar sunarak meme kanseri için tarama sayısını önemli ölçüde artırabilir ve erken evre kanserlerin tespit edilmesine olanak sağlayabilir. Sonuç olarak, mikrodalga meme görüntüleme, uzun vadeli meme kanseri sağkalım oranı üzerinde önemli ölçüde iyileştirici bir etkiye sahip olma potansiyeline sahiptir. Teknolojinin kendisi, sağlıklı ve kanserli dokuları arasındaki elektromanyetik özellikleri arasındaki farka dayalıdırı ve çeşitli türdeki kanserli dokular (iyi huylu / kötü huylu – benign / malign) arasındaki dielektrik geçirgenlik farkını kullanarak hastanın memesindeki anormalliklerin varlığını tespit eder ve bunların patolojisine ilişkin kestirimler sunar. Sağlıklı veya kanserli dokunun özellikleri hakkında söz konusu bilgileri sağlamak için bu teknoloji, görüntülenen bölge ile gelen elektromagnetik dalgalar arasındaki etkileşimden ortaya çıkan saçılan elektrik alan ölçümlerini kullanır. Tezin ilk bölümünde İstanbul Teknik Üniversitesi Tıbbi Cihaz Araştırma, Geliştirme ve Uygulama Laboratuvarı ve Mitos Medikal Teknolojileri A.Ş. işbirliğiyle geliştirilen ve SAFE adlı prototip sistemle toplanan mikrodalga saçılma parametresi ölçümleri kullanılmıştır. Bu ölçümlerden mikrodalga görüntülerin oluşturulması için nitel ters saçılma yöntemleri kullanılması ve elde edilen görüntülerin klinik bulgularla uyumu ele alınmıştır. Çalışmada kullanılan ve 115 hastadan elde edilen veri seti, Marmara Üniversitesi Tıp Fakültesi tarafından gerçekleştirilen klinik çalışmalarda toplanmıştır. Meme lezyonunun tespitine ek olarak, meme yoğunluğu ve boyutu, tümör boyutu ve hastanın yaşı gibi ilgili faktörlerin mikrodalga görüntülemeyle elde edilen sonuçlar üzerindeki etkisi detaylı biçimde analiz edilmiştir. Bu çerçevede, ilgili hasta grubu için meme lezyonlarının %63'ünün tespit edilebildiği ve meme boyutunun tespit oranında yüksek bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Küçük memelerde %51 olan tespit oranı, büyük memelere %74'e kadar artmaktadır. Doku yoğunluğu da elde edilen sonuçları etkilediği ve yağ dokusunun yoğun olduğu göğüslerde %76'lık tespit oranının, fibroglandular dokuların yoğun olduğu yoğun göğüslerde %56'ya kadar düştüğü belirlenmiştir. Tespit edilen lezyonların iyi veya kötü huylu (malign / benign) olarak ayrıştırılması durumunda doğruluğun kötü huylu lezyonlarda %59 ve iyi huylu lezyonlarda %64 seviyelerinde olduğu gözlemlenmiştir. Diğer yandan, eğer memeler hacimlerine göre ayrıca değerlendirilirlerse, hem iyi huylu hem de kötü huylu lezyonlar için hassasiyetin büyük memeler de küçük memelerdeki oranlara göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Tezin ikinci kısmı, SAFE prototip sistemiyle toplanan ölçüm verileri makine öğrenmesi yaklaşımları kullanılarak, meme lezyonlarının sınıflandırılabilmesi amacıyla ele alınmıştır. Bu çerçevede, tezin birinci bölümünde kullanılmış olan ölçümler AdaBoost algoritmasıyla yeni bir bakış açısıyla değerlendirilmiştir. Önceki çalışmada olduğu gibi, meme yoğunluğu ve boyutunun, tümör boyutunun ve hastanın yaşının sınıflandırma üzerindeki etkisi detaylı biçimde incelenmiştir. İyi huylu ve kötü huylu lezyonlara ait ölçüm verileri arasında istatiksel bir farkın var olup olmadığını belirlemek için iki örneklem t testi yapılmıştır. Söz konusu ölçümler içinde 70 iyi huylu ve 43 kötü huylu lezyon ve değerlendirmeye alınmayan 2 adet patolojisi belirsiz olgu bulunmaktaydı. Önerilen modelle %78 doğruluk, %79 duyarlılık ve %77 özgüllük oranları elde etmiştir. Sonuçlar, mikrodalga ölçümlerle hem iyi huylu hem de kötü huylu lezyonların benzer oranlarda sınıflandırılabildiğini göstermektedir. Deneklerin yaşına göre değerlendirildiğinde, önerilen modelin daha yaşlı hasta grubunda elde edilen %76'ya kıyasla genç hasta grubunda doğruluğunun %84'e arttığı gözlemelenmiştir. Benzer biçimde, önerilen modelin iyi huylu ve kötü huylu lezyonları doğru bir şekilde sınıflandırma kapasitesi yaşla birlikte düşmektedir; bu durumda genç hastalar için duyarlılık ve özgüllük sırasıyla %100 ve %81 iken, yaşlı hastalar için elde edilen değerler sırasıyla %78 ve %75'e azalmaktadır. Belirlenen bir diğer sonuçta, meme boyutunun modelin kötü huylu lezyonları sınıflandırma yeteneği üzerinde etkisinin olduğudur. Modelle daha küçük memelerdeki %75'lik hassasiyete kıyasla daha büyük memelerde %85'lik bir hassasiyet elde edilmiştir. Bununla birlikte özgüllük büyük memelerde ve küçük memelerde %76 ve %79 oranlarıyla benzerdir. Önerilen modelde kötü huylu lezyonların sınıflandırılma başarımı da memelerin yoğunluğundan etkilenmiştir. Yoğun memelerde elde edilen hassasiyet %73 iken, yoğun olmayan memelerde elde edilen hassasiyet %88 seviyelerinde belirlenmiştir. Bununla birlikte, iyi huylu lezyonların tespitindeki hassasiyet hem yoğun hem de yoğun olmayan memeler için sırasıyla %85 ve %81'lik hassasiyet oranlarıyla benzerdir. Doğruluk açısınan ele alındığında, model yoğun memelerde %80 ve yoğun olmayan memelerde %85'lik doğruluk oranlarıyla meme yoğunluğundan önemli ölçüde etkilenmemiştir. Lezyonların boyutları göre modelin başarımı ele alındığında, küçük lezyonlar için sırasıyla %82 ve %75 ve daha büyük lezyonlar için sırasıyla %87 ve %72'lik duyarlılık ve özgüllükle, modelin kötü huylu ve iyi huylu lezyonları sınıflandırma yeteneği açısından benzer değerlerde sonuçlar ürettiği ifade edilebilir. Doğruluk oranları da küçük lezyonlar için %77 ve büyük lezyonlar için %79 oranlarında olduğu belirlenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, yeni ölçümlerden oluşan bir veri seti bu kez Gradient Boosting yöntemi çerçevesinde ele alınmıştır. Ölçme yazılımı ve donanımı açısından güncellenmiş olan SAFE prototip sistemiyle klinik ortamda yapılan mikrodalga ölçümleri kullanılarak, iyi huylu ve kötü huylu lezyonların önerilen yeni model çerçevesinde ne ölçüde ayrıt edilebileceği incelenmiştir. Söz konusu veri setinde 29'u iyi huylu ve 25'i kötü huylu bulguları bulunan 54 hastaya ilişkin yapılan ölçümler değerlendirilmiştir. Önceki çalışmada olduğu gibi, iyi huylu ve kötü huylu veri seti arasında bir farkın olup olmadığını belirlemek için iki örneklem t-testi yapılarak, veriler arasında istatistiksel olarak anlamlı bir farkın olduğu gösterildi. Önerilen model için elde edilen duyarlılık, özgüllük ve doğruluk değerleri sırasıyla %80, %83 ve %81 olarak belirlendi. Bu durum mikrodalga ölçme sistemi üzerinde yapılan yazılım ve donanım değişikliklerine rağmen, modelin bir önceki modelle tutarlı biçimde iyi huylu ve kötü huylu lezyonları ayırt edebildiğini göstermesi açısından önemlidir. Bu yeni model önceki çalışmaların aksine meme boyutu, meme yoğunluğu ve hasta yaşı gibi etkenlere daha bağımlı sonuçlar üretmiştir. Yeni model, daha büyük memelerde %86 ve daha küçük olanlara %78 doğruluk oranıyla sonuçlar üretmiştir. Modelin kötü huylu lezyonları sınıflandırma kapasitesi de meme boyutundan önemli ölçüde etkilenmiştir, bu oran küçük memelerde %60 iken büyük memelerde %93'e kadar çıkmaktadır. Benzer durum iyi huylu lezyonlar içinde geçerlidir; burada elde edilen oranlar küçük memelerde %71 iken büyük memelerde %86'ya çıkmaktadır. Ayrıca, yoğun memeler (fibroglandular) için %67 olan doğruluk oranı, yağlı memeler için %93 olan doğruluk oranına göre önemli ölçüde düşüktür. Yağlı memelerde, model benzer sayıdaki iyi huylu ve kötü huylu lezyonları sırasıyla %100 ve %91'lik özgüllük ve duyarlılıkla doğru bir şekilde sınıflandırdı. Bununla birlikte, yoğun memelerde, kötü huylu lezyonlar %56 ve sayı olarak daha fazla olan iyi huylu lezyonlar %83 oranlarıyla sınıflandırılabildi. Hasta yaşına göre yapılan analizlerde, önerilen modelin daha genç hasta grubunda elde edilen %71 oranına kıyasla daha yaşlı hasta grubunda doğruluğunun %88 olduğu belirlendi. Modelin kötü huylu lezyonları sınıflandırabilme kabiliyeti hastanın yaşı özelinde ele alındığında, yaşlı ve genç hastaların aynı oranda ve %80 özgüllükle sınıflandırabildiği gözlemlendi. Diğer taraftan iyi huylu lezyonlar söz konusu olduğunda model, genç hasta grubunda %69 olan özgüllük, yaşlı hasta grubunda çok daha iyi bi performansla %100'e ulaşmıştır.
Özet (Çeviri)
Female breast cancer has surpased lung cancer, as the most diagnosed cancer in women population, with around 2.3 million cases arising each year. If diagnosed in late stages, it can be highly lethal, with the survival rate of only 25%. Thus, detecting the cancer in an early stage can have a major impact on decreasing the death rate of the patients. Nowadays, mammography is considered as a gold standard for breast cancer screening and diagnostics. Beside mammography, ultrasound, and magnetic resonance imaging can be used to detect the cancer. However, there are several risk factors that are limiting mentioned imaging modalities, such as: ionizing radiation exposure, pain induced by breast compression, overdiagnosis, false-positive examinations, falsenegativity in dense breasts, operator dependancy, prolonged procedures, high hospital costs, and special facility requirements. Microwave breast imaging emerged as a promising novel imaging technology that can, potentially, contribute to the field of breast cancer early screening and diagnostics, mostly because of its non-ionizing and non-invasive nature. Harmless radiation offers the opportunity of frequent scanning, even for the women of an early age, such as 18. Early-age and routine tests are crucial, especially for women with hereditary genetic mutations, where there is a considerable risk of breast cancer appearance. Beside its non-ionizing, and non-invasive nature, microwave imaging offers fast and painless scans, which can significantly increase the number of breast check-up tests, consequently increasing the number of detected early-stage cancers. Consequently, microwave breast imaging can have can substantially impact on the long-term breast cancer survival rate. The technology itself utilizes the difference in electromagnetic properties of healthy and cancerous tissue, as well as the dielectric difference between different type of cancerous tissues (benign or malignant), to detect the presence of anomalies inside the patient's breast and provide their pathology. In the first part of the thesis, we integrated inverse scattering algorithm to acquire the microwave images, and provide information about breast cancer location (detect the breast cancer), from the data collected with the microwave breast imaging device, namely SAFE, developed by the joint work of Mitos Medikal Technologies A.S. and the Medical Device Research, Development, and Application Laboratory of Istanbul Technical University. Dataset used in the study (scans from 115 patients), was acquired through the clinical trials performed by the Marmara University School of Medicine. In addition to the breast lesion detection, we analyzed the effect of the factors of interest, such as: breast density and size, tumor size, as well as patient's age, on the SAFE clinical capabilities. Results show, that we were able to detect 63% of breast lesions, where the breast size had a high impact on the overall score. Significantly lower number of lesions were detected in smaller breasts (51%), compared to the large ones (74%). Density also influenced our inverse scattering approach, as the overal rate of 76%, we achieved in fatty breasts, decreased to 56% in dense breasts. Second part of the thesis is reserved for the machine learning approach, namely adaptive boosting, we implemented on the SAFE dataset, to classify breast lesions, based on their pathology. We used the same dataset as in the first part of the thesis. As in the previous study, we analyze the effect of breast density and size, tumor size, and patient's age, on the used data. In addition, we perform statistical analysis (two-sample t-test) to determine if the difference between the benign and malignant dataset exists. In the existing dataset, 70 benign, and 43 malignant lesions were present. We exclude two cases, due to the unknown pathology. Our machine learning approach achieved the accuracy of 78%, sensitivity of 79% and specificity of 77%. The results indicate that we were able to classify both, benign and malignant lesions, at similar rate. Participant's age was the only factor that highly affected our approach outcome, where the overall rate (accuracy) of the device in young patient group was 84%, compared to the 76% achieved in older patient group. In the third part of the thesis, we implement another machine learning approach, namely Gradient Boosting, to distinguish benign from malignant lesions, considering new dataset, acquired from latest SAFE clinical trials. Additionally, compared to the previous studies, we changed the measurement unit component of the device. Fiftyfour patients were analyzed, where 29 of them had benign, and 25 malignat findings. As in the previous study, we apply statistical analysis (two-sample t-test), to determine if the difference between the benign and malignant dataset exists. Sensitivity, specificity and accuracy we achieved were 80%, 83% and 81%, showing that, in this study as well, we were able to classify both benign and malignant lesions at similar rate, despite of the hardware and software changes implemented. Contrary to the previous studies, multiple factors (breast size, density and age) affected our approach outcome. We achieved significantly higher accuracy in larger breasts (86%), compared to the smaller ones (78%). Additionally, accuracy acquired in dense breast (67%) was significantly lower than in fatty ones (93%). At the end, our method accuracy was 88% in older patient group, compared to the 71% in younger group.
Benzer Tezler
- Primer hiperparatiroidili hastalarda mikrodalga ablasyon tedavisinin etkinliğinin değerlendirilmesinde superb mikrovasküler görüntülemenin rolü
The role of superb microvascular imaging in evaluating the efficacy of microwave ablation for primary hyperparathyroidism
SERCAN VURĞUN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Radyoloji ve Nükleer TıpPamukkale ÜniversitesiRadyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ARSLAN
- Ankilozan spondilit hastalarında global postural reedukasyon ve radar tedavisinin hastalık aktivitesi, spinal mobilite,yaşam kalitesi ve depresyon üzerine olan etkisi
The effect of global postural reeducation (GPR) and microwave (RADAR) therapy on pain, disease activity, mobility, quality of life and depression in patients with ankylosing spondylitis: a randomized controlled trial
ÜLKÜ DÖNMEZ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2014
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonEge ÜniversitesiFizik Tedavi ve Rehabilitasyon Bölümü
PROF. DR. CİHAT ÖZTÜRK
- 'Reciprocal Mini-Chin Cup' aygıtının klinik değerlendirmesi
Clinical assessment of the reciprocal Mini-Chin Cup appliance
ASLIHAN AZAKLI UZEL
- Elekrokonvülsif tedavi uygulaması sırasında kullanılan rokuronyum ve süksinilkolinin konvülsiyon süresi ile derlenme üzerine etkilerinin klinik olarak karşılaştırılması
Clinical assessment of the seizure duration and recovery in patients receiving succinylcholine or rocuronium for electroconvulsive therapy
DENİZ CİHAN TÜRKKAL
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2003
Anestezi ve ReanimasyonDokuz Eylül ÜniversitesiAnesteziyoloji ve Reanimasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ GÜNERLİ
- Acil servise ani bilinç değişikliği ile gelen geriatrik hastaların değerlendirilmesi
Clinical assessment of geriatric patients with acute altered mental status in emergency department
TÜRKER DEMİRTAKAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2021
Geriatriİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaAcil Tıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA ÖZKAN