Bilgisayarlı mikro tomografi tarama izdüşümlerinin farklı cebirsel geri çatma yöntemleri ile analizlerinin incelenmesi
Investigation of analysis of computed micro tomography projection using different iterative reconstruction methods
Yazar: GÖKER KÜLÜŞLÜ
Danışman: DOÇ. DR. İSA YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Analiz = Analysis ; Bilgisayarlı mikrotomografi = Computed microtomography ; Cebirsel yöntem = Algebraic method ; İzdüşüm = Projection

Özet:
Medikal görüntüleme yöntemleri, özellikle klinikte hastalıkların tanı ve teşhisinde, tedavi sürecinin takibinde ve hatta girişimsel operasyonlar sırasında da süreç takibi için sıklıkla kullanılmaktadır. Hastalıkların tanı ve teşhisinde hızlı, güvenilir ve girişimsel olmayan bu görüntüleme yöntemleri ile iyonize ya da iyonize olmayan ışınlar kullanılarak hastanın istenilen bölgesine ait yüksek çözünürlükte görüntüler elde edilmektedir. Uzun yıllardır kullanılan ve kullanımı giderek artan medikal görüntüleme yöntemlerinden biri olan Bilgisayarlı Tomografi(BT), incelenen bir nesnenin 3 boyutlu yapısını iyonize X-ışınları kullanarak, radyasyonun farklı bölgelerde farklı tutulumlar göstermesiyle kesitleri yeniden oluşturmak için kullanılan bir görüntü yöntemidir. Yeniden yapılandırma, nesnenin etrafındaki birçok açıdan ölçülen 2 boyutlu X-ışını projeksiyonlarından oluşturulmuştur. BT sisteminin performansı, en çok X-ışını kaynağı ve X-ışını görüntülerini elde etmek için kullanılan dedektör olmak üzere birçok faktör tarafından belirlenir. 
Klinikte kullanılan görüntüleme yöntemleri, özellikle biyolojik ve tıbbi amaçlar için insan vücudunun görüntülenmesinde kullanılsa da destekleyici araştırma grupları tarafından da test ve analiz cihazı olarak tercih edilmektedir. Bu kapsamda kullanılan Mikroskopik Bilgisayarlı Tomografi (Mikro-BT) cihazı sağlık bilimleri, fen ve mühendislik bilimlerinde uzun yıllardır önemli çalışmalarda yer almaktadır[6]. Micro-BT taraması ile elde edilen 2B veya 3B kesit görüntülerini oluşturan pikseller, mikro boyutta olduğundan bir malzemenin iç yapısını malzemeye hiçbir zarar vermeden 3B görüntülerinin elde edilmesine ve bu görüntüler üzerinden analizlerin yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu özelliklerinden dolayı da Mikro-BT, hem canlı örneklerin hem de farklı karakteristik özelliklere sahip katı veya sıvı örneklerin incelenmesinde sıklıkla tercih edilen bir yöntem olmaktadır. Mikro-BT'lerin özellikle canlılar üzerinde yumuşak doku ve kemik dokuların görüntülenmesinde ve analizlerinin yapılmasında, metal ve alaşımlarının veya kompozit malzemelerin incelenmesi gibi farklı konularda kullanım alanlarının olduğu bilinmektedir.   
BT görüntülerinin yeniden yapılandırılması, hastaya bir çok farklı açılarda gönderilen ve elde edilen X ışını verilerini görüntüye dönüştüren matematiksel bir işlemdir. Görüntü yeniden yapılandırılması görüntü kalitesi üzerinde ve işlem esnasında uygulanacak X-ışını dozu üzerinde temel etkiye sahiptir. Kesit görüntülerinin elde edilmesi iki temel yeniden yapılandırma yöntemi mevcuttur. Bunlardan biri analitik, diğeri iteratif yeniden yapılandırmadır. Analitik yeniden geri çatma tekniği olan Filtrelenmiş Geri Projeksiyon(FGP), standart haline gelmiş klinik BT'de kolay ve verimli olduğu için yaygın kullanımı mevcuttur. Adından da anlaşılacağı üzere FGP'de çeşitli filtre yapıları kullanılmakta olup, bu filtreler için görüntü üzerinde istenilen özellikler doğrultusunda uzaysal çözünürlük ile gürültü arasında tercih söz konusudur. Yumuşak ve keskin filtre mevcut olup, yumuşak filtrede daha az gürültü ancak düşük uzaysal çözünürlük, keskin filtrede ise daha yüksek uzaysal çözünürlük ve daha çok gürültü elde ediyoruz. Yumuşak dokuların değerlendirilmesi için yumuşak filtre kullanılmaktadır. Keskin filtre yapıları ise çoğunlukla  kemik gibi daha sert yapıların değerlendirilmesinde yüksek uzaysal çözünürlük elde edebilmek için kullanılmaktadır. Son yıllarda klinik kullanıma giren yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğinin geleneksel FGP tekniğine göre bir çok avantajı bulunmaktadır ve kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır. Fokal spot, detektör geometrisi, foton istatistiği, X-ışını spektrumu ve saçılma gibi bir çok önemli parametreler yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğine daha kolay adapte edilmetedir. yinelemeli yeniden yapılandırma tekniği FGP ile karşılaştırıldığında düşük görüntü gürültüsü ve yüksek uzaysal çözünürlük elde edebiliriz. Bunlara ek olarak yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğinde ışın sertleşmesi ve metal artefaktlarını önemli ölçüde önleyebilir. Yapılan çalışmalar yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğinin FGP'ye oranla dozu %65 azaltabileceğini göstermiştir. Yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğini başlıca sınırlayan faktörler bilgisayar hesaplamaları için çok uzun zaman almasıdır. Bu engeli aşmak ve yinelemeli yeniden yapılandırma tekniğini hızlandırmak için bir çok yazılım ve donanım yöntemleri araştırılmaktadır. Gelecekte bilişim teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde rutin klinik uygulamalarda yinelemeli yeniden yapılandırma tekniği daha gelişmiş şekilde kullanılabilir. Diğer taraftan özellikle klinik çalışmalara geçmeden önce yapılan hayvan çalışmalarında sıklıkla kullanılan mikro-BT analizlerinde iteratif yeniden yapılandırma yöntemlerinin kullanılması hayvan çalışmalarında daha net ve kesin sonuçların elde edilmesinde büyük fayda sağlayabilir.
Bu çalışma kapsamında da mikro-BT taramasında kullanılan cevizin farklı iteratif yeniden yapılandırılması sonucu elde edilen kesit görüntülerinin analiz sonuçları değerlendirilmiştir.

Abstract:
Medical imaging methods are frequently used in the diagnosis and diagnosis of diseases, especially in the clinic, in the follow-up of the treatment process and even during interventional operations. With these rapid, reliable and non-invasive imaging methods in the diagnosis and diagnosis of diseases, high resolution images of the desired region of the patient are obtained by using ionized or non-ionized rays. Computed Tomography (CT), which is one of the medical imaging methods that has been used for many years and is increasingly used, is an imaging method used to reconstruct the 3D structure of an object under investigation by using ionized X-rays, with the radiation showing different uptakes in different regions. The reconstruction was created from 2D X-ray projections measured from multiple angles around the object. The performance of the CT system is determined by many factors, most notably the X-ray source and the detector used to obtain the X-ray images.
Although imaging methods used in the clinic are used for imaging the human body, especially for biological and medical purposes, they are also preferred by supporting research groups as test and analysis devices. Microscopic Computed Tomography (Micro-CT) device used in this context has been involved in important studies in health sciences, science and engineering sciences for many years. Since the pixels that make up the 2D or 3D cross-sectional images obtained by micro-CT scanning are micro-sized, they allow 3D images to be obtained without damaging the internal structure of a material, and to analyze these images. Because of these features, Micro-CT is a frequently preferred method for examining both living samples and solid or liquid samples with different characteristics. It is known that micro-CTs have different areas of use, such as imaging and analysis of soft tissue and bone tissues on living things, and examination of metal and alloys or composite materials.
Reconstruction of CT images is a mathematical process that transforms X-ray data, which is sent to the patient from many different angles and obtained, into images. Image reconstruction has a major impact on image quality and the X-ray dose applied during the procedure. There are two basic reconstruction methods for obtaining cross-section images. One is analytical and the other is iterative restructuring. Filtered Back Projection (FGP), an analytical reconstruction technique, is widely used in standardized clinical CT because it is easy and efficient. As the name suggests, various filter structures are used in FGP, and for these filters, there is a preference between spatial resolution and noise in line with the desired features on the image. There is a soft and sharp filter, we get less noise but low spatial resolution in the soft filter, and higher spatial resolution and more noise in the sharp filter. A soft filter is used to evaluate soft tissues. Sharp filter structures are mostly used to obtain high spatial resolution in the evaluation of harder structures such as bone. The iterative reconstruction technique, which has been used clinically in recent years, has many advantages over the traditional FGP technique and its use is rapidly spreading. Many important parameters such as focal spot, detector geometry, photon statistics, X-ray spectrum and scattering are more easily adapted to the iterative reconstruction technique. Compared with the iterative reconstruction technique FGP, we can achieve low image noise and high spatial resolution. In addition, it can significantly prevent beam hardening and metal artifacts in iterative reconstruction technique. Studies have shown that iterative reconstruction technique can reduce the dose by 65% compared to FGP. The major limitations of the iterative reconstruction technique are the very long time required for computer computations. Many software and hardware methods are being researched to overcome this obstacle and accelerate the iterative reconstruction technique. In the future, iterative reconstruction technique can be used more advanced in routine clinical applications thanks to the developments in information technologies. On the other hand, the use of iterative reconstruction methods in micro-CT analyzes, which are frequently used in animal studies, especially before clinical studies, can be of great benefit in obtaining clearer and more precise results in animal studies.
Within the scope of this study, the analysis results of the cross-section images obtained as a result of different iterative reconstruction of the walnut used in micro-CT scanning were evaluated.