Katmanlı ortamlarda fotoakustik görüntüleme için ses hızı tahmin yöntemi geliştirilmesi
Development of a sound speed estimation method for photoacoustic imaging in layered media
- Tez No: 916476
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 83
Özet
Mühendislik ve sağlık alanlarında önemli yeniliklere olanak sağlayan fotoakustik görüntüleme, optik görüntülemenin yüksek kontrast ve spektroskopik özgüllüğünü, ultrason görüntülemenin uzamsal çözünürlüğüyle bir araya getiren hibrit bir modalitedir. Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) ışığı ile dokuya enerji verilmesi sonucunda oluşan termal genleşmenin akustik dalgalar üretmesi prensibine dayanır. Bu akustik dalgalar, dedektörler tarafından algılanır ve biyolojik dokuların optik ve akustik özelliklerini yüksek çözünürlükle haritalayan görüntüler oluşturulur. Oluşturulan görüntülerin niteliği özellikle biyomedikal alanında doğrudan sağlığı etkileyeceği için ayrı bir öneme sahiptir. Görüntüsü elde edilecek dokuya gönderilen laser atımının özellikleri ve oluşan dalgaların vücut içindeki hızlarının doğru bir şekilde ölçülmesi görüntü niteliği için önemli verilerdir. Organların homojen olmaması, kas ve yağ yoğunluğunun organdan organa veya aynı organın farklı bireylerde eşit dağılmaması ve organların katmanlı yapıya sahip olması, akustik dalgaların hızlarının değişken olmasına neden olmaktadır, fakat gerçekte farklı hızlarla hareket eden bu dalgalar sanki homojen bir ortamda hareket ediyor gibi eşit hıza sahip olduğu varsayılmaktadır. Bu durum, görüntü niteliğinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu durum, literatürde birçok ses hızı tahmin yönteminin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu sayede, çeşitli tekniklerle tek bir katmanın hızını belirleyen veya birden fazla katmanın hızını hesaplayan yöntemler ortaya konmuştur. Bu çalışmada, katmanlı ortamlarda her bir katmanın ses hızını ayrı ayrı tahmin edebilen bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde katmanlı bir ortam oluşturulmuş ve son katmana bir kaynak yerleştirilmiştir. Kaynaktan gelen fotoakustik sinyallerin dönüştürücü(transdüser) dizi elemanlarına gelen fotoakustik sinyallerin ulaşma süreleri ve dönüştürücü dizi elemanlarına ulaşıncaya kadar aldıkları yol bilgisi kullanılarak, yolun hız ve zamanın çarpımı formülünden yola çıkarak ortamın ses hızını tahmin eden yöntem geliştirildi, fakat katmanlı ortamlarda kaynaktan çıkan fotoakustik (FA) dalgaları katmanların ses hızlarına bağlı olarak kırınıma uğrayacağı için ses hızlarının yanı sıra FA dalgalarının her bir dönüştürücü elemanına gelirken alınan yol da bilinmemektedir. Bu nedenle problem doğrusal olmayan bir problem olmaktadır. Problemi doğrusal hale getirmek için alınan yolu modelleyen yeni bir dalga yayılım modeli geliştirildi. Kaynak çıkan dalgaların katmanlardan geçişleri Snell yasası ile modellendi. Snell yasasında kırınım acısı da ses hızına bağlı olduğu için tahmini bir başlangıç değeri ile başlandı. Bu değerler, katmanların ses hızlarının alabileceği maksimum ve minimum değerler içerisinde kalınarak yapıldı. Bu şekilde tahmini alınan yol bilgileri belirlendi. Burada kaynağın dönüştürücü dizisinin orta elemanın tam karşısında olduğu varsayımı yapılarak n elemanlı dizi için problem simetrik hale getirildi. m katmanlı yapı için nXm boyutlu matris haline getirilen problemin bilinmeyen ses hızlarının çözümü için matris sayısına bağlı olarak en küçük kareler yöntemiyle çözüldü. Yöntemin doğruluğunun ispatlanması için benzetim çalışmaları ve deneysel çalışma yapılmıştır. Benzetim çalışmaların gerçekleşmesi için bir Matlab aracı olarak kullanılan k-Wave ile yapılmış ve hız tahminlerinin doğruluğu, farklı katman kalınlıkları ile farklı hızlar denenerek test edilmiştir. Ayrıca, deneysel doğrulama amacıyla agar fantom maddesi kullanılarak laboratuvar ortamında deney yapılmıştır. Bu çalışma, biyomedikal görüntüleme ve deri gibi katmanlı dokuların teşhis süreçlerinde kullanılabilecek gelişmiş bir yaklaşım sunmayı hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
Photoacoustic imaging, which enables significant innovations in engineering and healthcare, is a hybrid modality that combines the high contrast and spectroscopic specificity of optical imaging with the spatial resolution of ultrasound imaging. It operates on the principle of thermal expansion induced by the absorption of laser energy by tissues, resulting in the generation of acoustic waves. These acoustic waves are detected by transducers and used to produce high-resolution images that map the optical and acoustic properties of biological tissues. The quality of the resulting images holds particular significance in biomedical applications as it directly impacts health-related outcomes. The characteristics of the laser pulse delivered to the target tissue and the accurate measurement of the propagation speed of the acoustic waves within the body are critical factors for ensuring image quality. However, the non-homogeneous nature of organs, the varying distribution of muscle and fat densities across organs or among individuals, and the layered structure of tissues cause variations in the speed of acoustic waves. Despite this, these waves are often assumed to travel at a uniform speed, as if propagating through a homogeneous medium. This assumption degrades image quality and has led to the development of various sound speed estimation methods in the literature. These methods employ different techniques to determine the speed of sound for a single layer or multiple layers. Current clinical applications assume that the speed of sound in the body is homogeneous and that all tissues have the same sound speed. This assumption is typically set at 1540 m/s. However, this approach does not fully reflect the heterogeneous nature of human tissues. For instance, the speed of sound is approximately 1550 m/s in the liver, 1560 m/s in the kidney, 1570 m/s in blood, and 1580 m/s in muscle. In bone, the speed of sound is significantly higher, at approximately 2117.5 m/s. Accurate estimation of layer-specific sound speeds plays a critical role, especially in the identification of cancerous regions and enhancing the effectiveness of treatment processes in cancer patients. Therefore, it is crucial to develop new sound speed estimation methods to overcome the inaccuracies introduced by the assumption of a homogeneous sound speed. The studies conducted on this issue and the novel sound speed estimation method presented in this thesis have been developed as solutions to address this problem. The primary advantage of this method is its ability to simultaneously estimate the sound speeds of all layers without prior knowledge of the speed in any specific layer. For instance, in a two-layered medium, it can determine the speeds of both layers simultaneously, and in a three-layered medium, it can simultaneously estimate the speeds of all three layers. In this thesis, a novel method has been developed to estimate the speed of sound in each layer of a layered medium individually. The proposed method estimates the sound speed of the medium using the travel times of photoacoustic signals from the source to the transducer array elements and the corresponding path lengths. Based on the relationship between speed, distance, and time, the sound speed was calculated. However, since the photoacoustic waves emitted by the source are refracted at layer interfaces depending on the sound speeds, the exact path of the waves to each transducer element is unknown. Consequently, the problem becomes nonlinear. To linearize the problem, a new wave propagation model was developed to estimate the path lengths. The transitions of waves between layers were modeled using Snell's law. Since the refraction angle in Snell's law also depends on the sound speed, an initial guess for the sound speeds was required. These initial values were selected within the minimum and maximum possible sound speeds for the layers. Using these estimations, the path lengths were calculated. A symmetry assumption was made, with the source positioned directly opposite the central element of the transducer array, simplifying the problem for an array with n elements. For an m-layered structure, the problem was formulated as an n\ast m matrix, where the unknown sound speeds were solved using the least squares method, depending on the matrix dimensions. Simulation and experimental studies were conducted to validate the accuracy of the proposed method. Simulations were performed using k-Wave, a MATLAB-based toolbox, to test the accuracy of the speed estimations under various layer thicknesses and sound speeds. The accuracy of the method was examined in simulations by varying the layer thicknesses, different speed values, and the placement of the source at different positions, with the addition of noise, in both two-layered and three-layered media. Additionally, the proposed method was tested through experimental validation using tissue-mimicking agar phantoms. The experimental setup utilized a Verasonics Vantage 256 Data Acquisition (DAQ) system and an L22-14vX linear ultrasound probe with a central frequency of 18 MHz, a bandwidth of 60%, and 128 transducers. As the illumination source, an Nd:YAG laser (DPS-532-B, 15 mJ) with a wavelength of 532 nm was selected.Synchronization between the DAQ system and the laser source was achieved using an external trigger provided by a Keysight 33500B Series waveform generator. For accurate positioning of the ultrasound probe, it was secured to a 3D adjustable holder, symmetrically mounted to support the fiber optic cables delivering the laser pulses to the source. The two-layered structure was modeled using water and agar phantoms, and the developed method was applied. Speeds were estimated using experimental data. These experimental results demonstrated that the method is not only validated through simulations but can also be effectively applied in real-world experimental studies. In the studies conducted, it was found that in two-layered structures, the system determined the speeds of both layers with an error rate of less than 1%, even when noise was added, and the accuracy remained close to the actual speed values. In three-layered media, particularly the first and last layers were determined with an error rate of less than 1%, while the speed estimates for the second layer, especially when smaller layers were selected, resulted in error rates exceeding 1%. In conclusion, the developed method offers a new perspective in the field of photoacoustic imaging by aiming to accurately estimate the speed of sound in layered tissues.
Benzer Tezler
- Analysis of slotted sectoral waveguide antenna arrays embedded in cylindrically stratified media
Silindirik katmanlı ortamlarda sektörel yarıklı dalga kılavuzu dizi antenlerin analizi
MERT KALFA
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK
- Development of a rigorous and efficient electromagnetic simulation algorithm for 3-D printed structures in multilayer environment
Çok katmanlı ortamlarda 3-boyutlu baskılı yapılar için doğru ve verimli elektromanyetik benzetim algoritmasının geliştirilmesi
TAYYAR ÖNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. İRŞADİ AKSUN
- Efficient methods for electromagnetic characterization of 2-D geometries in stratified media
Çok katmalı ortamlarda 2 boyutlu geometrilerin elektromanyetik tanımlaması için etkili yöntemler
FATMA ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. İRŞADİ AKSUN
- Numerical solution of free convection heat transfer in stratified media
Başlık çevirisi yok
ENGİN UFUK AYKOL
- Closed-form green's functions in cylindrically stratified media for method of moments applications
Silindirik katmanlı ortamda momentler metodu uygulamaları için kapalı formda green fonksiyonlar
ŞAKİR KARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VAKUR ERTÜRK