Led-fotodiyot optik tomografi sisteminin kalibrasyonu ve ın-vitro deneyler
Calibration of led-photodiode optical tomography system and in-vitro experiments
Yazar: BETÜL KAHYA
Danışman: PROF. DR. MURAT CANPOLAT
Akdeniz Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyofizik = Biophysics

Özet:
Amaç: LED (light emitting diode) - Fotodiyot difüz optik tomografi (DOT) sistemi ile inklüzyon içeren meme fantomları üzerinden alınan ölçümlerden sonra ölçüm verilerini geri çatım algoritmasında kullanarak tomogrofik görüntüleri oluşturmak ve sistemin inklüzyonların çap ve derinlik değişimine olan duyarlılığını incelemektir.

Yöntem: Bu çalışmada, LED-Fotodiyot DOT sistemi kalibrasyonunu sağlamak için öncelikle sistem tarafından alınan ölçümlerde farklı LED ışık seviyelerinin kullanıldığı durumda fotodiyot tarafından alınan ölçüm değerleri ölçüm parametrelerinden bağımsız hale getirildi. Aynı komşuluk içerisinde bulunan dedektörlerin ölçüm değerleri üzerinde düzeltmeler yapılarak sistemin donanımsal kalibrasyonu tamamlandı. Hazırlanan meme fantomlarında ışığın indirgenmiş saçılma katsayısı µs' = 10 cm-1, absorpsiyon katsayısı ise µa = 0.04 cm-1 olacak şekilde karışım oranları belirlendi. LED-Fotodiyot DOT sistemi ile içinde tümör benzeri küresel inklüzyonların olduğu meme fantomları üzerinde ölçümler alındı. Alınan ölçüm verileri kullanılarak oluşturulan tomografik görüntülerdeki inklüzyonun boyutu ve derinliği gerçek boyutuna ve derinliğine bağlı olarak incelendi.

Bulgular: Sürekli modda ışık yayan (CW) LED-Fotodiyot DOT sisteminin hazırlanan inklüzyonların gerçek çap bilgisini farklı derinliklerde doğru bir şekilde saptayabildiğini değerlendirmek için iki farklı In vitro deney düzeneği hazırlandı. Ölçüm sonuçlarına ait veriler kullanılarak geri-çatım algoritmasında oluşturulan görseller değerlendirildi. CW LED-Fotodiyot DOT sisteminin farklı çaplara sahip inklüzyonların derinliklerini ve çaplarını doğru olarak görüntülediği gösterildi.

Sonuç: CW LED-Fotodiyot DOT sistemi, meme fantomu deneylerinde inklüzyon derinliklerini ve boyutlarını klinik çalışma sınırları içinde doğru bir şekilde belirledi. Sonuçlar sistemin meme kanseri hastalarında neoadjuvan kemoterapide tedavi etkinliğini in-vivo ve gerçek zamanlı olarak değerlendirme çalışmalarına başlamak için uygun olduğunu gösterdi.  

Anahtar Kelimeler: difüz optik tomografi, doku fantomu, geri-çatım algoritması, sistem kalibrasyonu, meme kanseri

Abstract:
Objective: This study aims to create tomographic images from measurement data obtained from breast phantoms with inclusions using a light-emitting diode (LED)-photodiode diffuse optical tomography (DOT) system. Additionally, the study aims to evaluate the LED-Photodiode DOT system's sensitivity to changes in the diameter and depth of the inclusions.

Method: In this study, to ensure the calibration of the LED-Photodiode DOT system, the measurement values obtained by the system were made independent of the different LED light levels and the photodiode's light collection durations used. The hardware calibration of the system was completed by making corrections to the measurement values of detectors located in the same vicinity. In the prepared breast phantoms, the mixture ratios were set to achieve a reduced scattering coefficient (µs' = 10 cm⁻¹) and an absorption coefficient (µa = 0.04 cm⁻¹). Measurements were taken on breast phantoms containing tumor-like spherical inclusions using the LED-Photodiode DOT system. The measurement data was used to generate tomographic images, and the size and depth of the inclusions in these images were analyzed relative to their actual sizes and depths.

Findings: To evaluate the continuous wave (CW) LED-Photodiode DOT system's accuracy in detecting the actual diameter of the prepared inclusions at various depths, two different in-vitro experimental setups were prepared. The images generated by the back-projection algorithm using the measurement data were evaluated. It was demonstrated that the CW LED-Photodiode DOT system accurately imaged the depths and diameters of inclusions with varying diameters.

Conclusion: The CW LED-Photodiode DOT system accurately determined the depths and sizes of inclusions within clinical study limits in breast phantom experiments. The results suggest that the system is suitable for initiating in-vivo and real-time studies to evaluate treatment efficacy in neoadjuvant chemotherapy for breast cancer patients.

Key words: diffuse optical tomography, tissue phantom, reconstruction algorithm, system calibration, breast cancer