Geri yansıma geometrisinde çalışan lazer diffüz optik tomografi sisteminin geliştirilmesi
Development of the back reflection laser diffuse optical tomography system
Yazar: HÜSEYİN ÖZGÜR KAZANCI
Danışman: PROF. DR. MURAT CANPOLAT
Akdeniz Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Algoritmalar = Algorithms ; Kalibrasyon = Calibration ; Lazerler = Lasers ; Optik dedektör = Optical dedector ; Tomografi = Tomography ; Tomografi-emisyon-bilgisayarlı = Tomography-emission-computed

Özet:
Bu tez çalışmasında geri yansıma geometrisinde çalışan lazer meme diffüz optik tomografi sistemi geliştirilmiş ve test edilmiştir. Optik tomografi sisteminde veri toplamak ve sistemi kontrol etmek için kullanılan elektronik kartlar Biyomedikal Optik Araştırma Ünitesi (BMO), Akdeniz Üniversitesi Tıp Fakültesi' nde tasarlanmış ve yapılmıştır. Üzerinde 49 kaynak ve 49 detektör olan optik görüntüleme probu geliştirilmiştir. Prob üzerindeki bütün kaynak ve detektör fiberler 10x10' luk, boyutları 28x28 mm2 olan bir matris üzerine yerleştirilmiştir. Bir 1x49' luk optik anahtar kullanılarak lazer sırası ile prob üzerinde bulunan 49 kaynak optik fibere yönlendirilmiştir. Doku fantomundan geri dönen lazer 49 tane optik fiber ile toplanıp fotodetektörlere iletilmiştir. Sistemde kullanılan kaynak ve detektörler yeni bir yöntem kullanılarak kalibre edilmiştir. Meme fantomlarının hazırlanmasında su, %20 intralipid ve Indocyanine Green (ICG) kullanılmıştır. İndirgenmiş saçılma katsayısı 10 cm-1 ve arka plan absorpsiyon katsayısı ise 0.04 cm-1 olan meme fantomları çalışmada kullanılmıştır. Doku fantomu içinde 5 mm-20 mm arasındaki derinliklere saçılma katsayısı 10 cm-1 olan ve absorpsiyon katsayısı 0.16 cm-1 olan çapları 5-10 mm arasında değişen kürecikler (tümör benzeri yapılar, inklüzyonlar) konularak ölçümler alınmıştır. Optik tomografinin problemlerinden bir tanesi kaynak detektör kalibrasyonudur. Absorpsiyon ve saçılma katsayıları bilinen ortamlar için elde edilen ölçüm verileri saklanarak kalibrasyon kütüphanesi oluşturuldu. 
Geri yansıma optik tomografi sistemleri ile yapılan geri çatımlarda Tikhonov düzenlemesi (Tikhonov regularization) kullanılmaktadır. Bu çözüm sonucu elde edilen tomografik görüntüde ağırlık matrisinde yüzeye yakın olan voksellerin değerleri daha büyük olduğu için derinde olan inklüzyonun görüntüsü yüzeye kaymaktadır. Buna çözüm olarak "Depth Compasition Algorithm" (DCA) geliştirilmiştir. Bu tez çalışmasında "Depth Normalization Algorithm" (DNA) geliştirilmiş ve geri çatım algoritmasında kullanılarak görüntüler oluşturulmuştur. DNA' nın avantajı önceden inklüzyon derinlik bilgisinin gerekmemesidir. DNA derinlik hakkında bilgi verebilmektedir. Son olarak çalışmada farklı kalibrasyon fantomları kullanılmış ve oluşturulan tomografik görüntüler üzerinde bir etkisinin olmadığı gösterilmiştir. Ayrıca meme fantomunun indirgenmiş saçılma katsayısından farklı değerler için MC simülasyonu çalıştırılmış ve ağırlık matrisleri elde edilmiştir ve geri çatım algoritmasında kullanılmıştır. Memenin gerçek indirgenmiş saçılma katsayısını bilmeden ortalama bir indirgenmiş saçılma katsayısı kullanarak MC simülasyonlarında elde edilen ağırlık matrisleri ile tomografik görüntü oluşturulabileceği gösterilmiştir. Sistemin pratikte kullanılma potansiyeli bulunmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Diffüz Optik Tomografi, Kalibrasyon, Doku Fantomu, Geri Çatım Algoritması

Abstract:
In this thesis, a CW back reflection diffuse optical tomography system has been developed and tested. In construction of the tomography system, two electronic circuit boards, one for data acquisition and the other one to control the system have been developed in BMO. An optical fiber imaging probe with 49 source and 49 detector fibers has been developed. All the source and detector fibers of the probe are located on a 10×10 grid with dimensions of 28 mm × 28 mm. An optical switch was used to switch the light from the source laser to the 49 different source fiber positions sequentially for a pre-defined time period and back reflected light from the tissue phantom acquired by the 49 detector fibers and delivered to the photodiodes. All the sources and detectors have been calibrated using a  new practical calibration method. Breast phantoms have been prepared using %20 intralipid, water and Indocyanine green (ICG). Tissue phantoms with background absorption and reduced scattering coefficients (s') and (a) 10 cm-1 and 0.04 cm-1 respectively were used. Inclusions with a range of diameter, 5-10 mm, reduced scattering coefficient of 10 cm-1 and absorption coefficient of 0.16 cm-1 were placed in the tissue phantoms far from the surface 5-20 mm then data were acquired from the tissue phantom using the reflection diffuse optical tomography system then images reconstructed. One of the problem in optical tomography is calibration. Calibration library has been created by the acquired experimental data for known absorption and scattering coefficients.
Tikhonov regularization method is being used in reconstructions for back reflection optical tomography systems. Tomographic image which is created by the result of this solution is being superficial due to voxel weights in superficial layers are much more bigger than deeper layers. The image of deep layers are being superficial. "Depth Compasition Algorithm" (DCA) has been developed to solve this problem. In this thesis "Depth Normalization Algorithm" (DNA) has been developed and the images are created by using of reconstruction algorithms. The advantage of DNA is no need to know about depth information for inclusions. DNA could give us depth information. Finally in this thesis different calibration phantoms have been used and it has been realized and showed that there is no any effect on reconstructed tomographic images. Additionally for different reduced scattering coefficients than breast phantoms MC simulations have been run and weight matrixes have been created then in reconstruction algorithms they are used. It has been shown that without knowing of real breast reduced scattering coefficient, with using the average reduced scattering coefficient, weight matrixes by the run of MC simulations tomographic images could be created. The system has practically usable potential. 


Keywords: Diffuse Optical Tomography, Calibration, Tissue Phantom, Reconstruction.