Diffüz optik tomografi sistemlerinde optot yerleşimi ve ağırlık matrisi modifikasyonu
Optode arrangement and weight matrix modification in diffuse optical tomography systems
Yazar: HÜSAMETTİN UYSAL
Danışman: PROF. DR. HERMAN SEDEF
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Ridge regresyon = Ridge regression ; Tomografi-optik koherens = Tomography-optical coherence

Özet:
İleri ve ters yol problemi Diffüz Optik Tomografi (DOT) sisteminin önemli parçalarıdır. Optot sayısının doğru belirlenmesi ve kaynak detektör eşleşmelerinin iyi yerleştirilmesi kadar, seçilen geometriye göre kullanılacak düzenlileştirme yöntemi de önemlidir. Maliyetler ve hesaplama süreleri, kaynak ve detektörlerin sayısıyla birlikte artar. Bu parametreler doğru kaynak detektör yerleşimi ile azaltılabilir.
Bu tez çalışmasında, çok sayıda kaynak detektör eşleşmesinden elde edilecek başarının, doğru düzenlileştirme yöntemi ve optot geometrisi ile az sayıda kaynak detektör eşleşmesinden de elde edilebildiği gösterilmiştir.
İlk olarak düşük maliyetli ve etkili bir optot geometrisi üzerinde çalışılmış ve özgün bir optot geometrisi tasarlanmıştır. Bu geometriye ek olarak, önerilen optot geometrisinin performansını test etmek için diğer çalışmalarda sıklıkla kullanılan dört farklı kaynak detektör yerleşimi seçilmiştir. Daha sonra tüm geometriler için ileri model ağırlık matrisi oluşturulmuştur. Ters yol problemini çözmek için sıradan En Küçük Kareler, En Küçük Mutlak Küçülme ve Seçim Operatörü Regresyonu, Ridge Regresyonu ve Elastik-Net düzenlileştirme yöntemleri kullanılmıştır. Ters yol problemi sonucu elde edilen üç boyutlu görüntülerin kalitesi, gürültülü ve gürültüsüz sentetik veriler karşılaştırılarak incelenmiştir.
Son olarak, DOT sistemi üzerinde doğrudan etkiye sahip ağırlık matrisine, uygun ve özgün bir modifikasyon yöntemi uygulanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında üretilen özgün ağırlık matrisi modifikasyonu, oluşturulan tüm geometrilere ait ağırlık matrislerine uygulanmış ve gürültülü ve gürültüsüz durumlar için test edilmiştir.
Sonuçlar, önerilen geometrinin ve doğru düzenlileştirme yönteminin, diğer uygun maliyetli geometrilere göre çok daha iyi tahmin doğruluğuna ve gürültüye karşı daha dayanıklı ve daha düşük hesaplama süresine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca ağırlık matrisi modifikasyonu ile doğruluğun daha da artırılabildiği ve yüksek maliyetli DOT sistemlerine eş değer bir sistem oluşturulabildiği gösterilmiştir.

Abstract:
The forward and inverse problem are the important parts of the Diffuse Optical Tomography system. As well as the correct determination of the optode number and good placement of the source-detector matches, the regularization method to be used relative to the selected geometry is also important. The higher the number of source-detector, the higher cost and computation time. These parameters can be reduced with a correct placement.
In this study is to show that the success to be obtained from a vast amount of source-detector matches can also be obtained from few number of source-detector matches with the correct regularization method and optode geometry.
Firstly, a low cost and effective optode geometry was studied and a custom optode geometry was designed. In addition to this geometry, four different source-detector placements that are frequently used in other studies were selected to test the performance of proposed optode geometry. Then forward model weight matrix was generated for all geometries. Ordinary Least Squares, Least Absolute Shrinkage and Selection Operator Regression, Ridge Regression and Elastic-Net regularization methods were used to solve inverse problem. The quality of the reconstructed images obtained from inverse problem were examined by comparing synthetic data with and without noise.
Secondly, a suitable and unique modification method was applied to the weight matrix, which has a direct impact on the DOT system. The unique weight matrix modification produced in this thesis is applied to the weight matrices of all geometries created and tested for noisy and noiseless cases.
The results show that the proposed geometry and the correct regularization method has better estimation accuracy and lower computation time more robust to noise than the other cost-effective geometries. It is also shown that by modifying the weight matrix, the accuracy can be further improved and a system equivalent to high-cost DOT systems can be created.