Meme kanserinin erken tespiti için radar tabanlı mikrodalga görüntüleme sistemi tasarlanması ve gerçekleştirilmesi
Design and realizing of a radar based microwave imaging system for early detection of breast cancer
Yazar: HÜSEYİN ÖZMEN
Danışman: DOÇ. DR. MUHAMMED BAHADDİN KURT
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Meme kanseri; gelişmiş, gelişmekte olan ve az gelişmiş ülkelerde kadınların yakalanma oranı yaklaşık %15-16 ile en yüksek olan kanser tipidir. Hastalığın tedavisi için erken tanı hayat kurtaran en önemli parametredir. Hastalığa yakalanma oranı neredeyse tüm dünyada benzer iken hastalıktan kurtulma oranı gelişmiş ülkelerde yüksek, gelişmekte olan ve az gelişmiş ülkelerde ise maalesef düşüktür. Bunun sebebi, gelişmiş ülkelerdeki sağlık sisteminin getirdiği erken tanı avantajıdır. Ülkemizin dahil olduğu gelişmekte olan ülkeler sınıfında ise hastalığa yakalanan insanlar, hastalıkla mücadelenin daha da zorlaştığı ileriki evrelerde hastalıkla yüz yüze gelmektedir. Bu durumun önüne geçmek için insanları, henüz hastalığa yakalanmadan veya henüz hastalığa yeni yakalanmışken erken tanı taramalarıyla buluşturmak gerekmektedir. 
Günümüzde meme kanseri görüntülenmesinde kullanılan teknikler; X-ray mamografi, ultrason, MRI ve pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi yöntemlerdir. Fakat bu yöntemlerin bazı dezavantajları bulunmaktadır. X-ray ışınlarının insan dokusundaki iyonize edici etkisi başka kanserlerin oluşma riskine neden olmaktadır. Ayrıca ölçüm esnasında memenin bastırılması acıya neden olabilmektedir. Ultrason'da, görüntüler düşük çözünürlüklüdür ve habis tümör ile iyi huylu tümörün ayırt edilmesi mümkün değildir. MRI, pahalı bir yöntemdir ve kapalı alan fobisi olan kişiler için korkutucudur. Aynı zamanda çok uzun sürmektedir. PET yönteminde, vücuda enjekte edilen radyoaktif materyal, yaydığı gama ışınlarıyla iyonize etkisi yaratarak yeni kanserlere sebep olma riski taşımaktadır. Meme kanserinin görüntülenmesinde kullanılan bu yöntemlerin dezavantajları alternatif görüntüleme yöntemlerinin araştırılmasını ve geliştirilmesini sağlamıştır. Mikrodalga görüntüleme tekniği bu yöntemlerin başında gelmektedir. Mikrodalga görüntüleme tekniği, normal ve tümörlü dokuların dielektrik özelliklerinin farklılığından doğan yansıyan veya saçılan dalgaları kullanır.
Meme tümörlerinin gerçek konumunda ve yüksek çözünürlüklü olarak görüntülenmesi, gerek mevcut görüntüleme yöntemlerinde gerekse bu çalışma kapsamında çalışılan mikrodalga görüntüleme yönteminde üstesinden gelinmesi gereken en önemli problemlerden biridir. Bu çalışmada kullanılan ve mikrodalga görüntüleme yöntemleri arasında popüler olan radar tabanlı mikrodalga görüntüleme yönteminde yüksek çözünürlüklü ve doğru görüntülerin elde edilmesi bazı parametrelere bağlıdır. Bunlar; kullanılacak antenin uygunluğu, kullanılacak anten sayısı ve radar ölçüm sistemi, filtreleme tekniklerinin performansı ve odaklama algoritmasının performansıdır. Mikrodalga görüntüleme sisteminde kullanılacak antenin biyomedikal görüntüleme uygulamalarına uygun özelliklerde olması gerekmektedir. Antenin kompakt, çok geniş bantlı (3.1-10.6 Ghz), yönlü, yüksek kazançlı (mümkün olduğunca tüm çalışma frekansı aralığında) olması istenmektedir. Bu tez çalışması kapsamında elektromanyetik simülasyon programı kullanılarak istenen özelliklere uygun Vivaldi ve antipodal-Vivaldi olmak üzere iki farklı anten tasarımı gerçekleştirilmiş ve antenlerin performansı bant genişliği, ışıma örüntüsü, kazanç, yönlülük, grup gecikmesi ve "aslına uygunluk" gibi parametrelerle analiz edilmiştir.
Uygun antenler tasarlandıktan sonra simülasyon ortamında homojen, yarı-homojen ve heterojen meme yapıları oluşturulmuştur. Ölçümler zaman domeninde monostatik, bistatik ve multistatik olarak gerçekleştirilmiştir. Monostatik ölçümde, aynı anten hem verici hem de alıcı anten olarak görev yapmaktadır. Meme etrafında farklı noktalardan yapılacak ölçümler neticesinde geri yansıyan sinyaller toplanmaktadır. Simülasyon ortamında monostatik, bistatik ve multistatik ölçüm sistemleri analiz edilmiş ve avantaj-dezavantajlarıyla birlikte sonuçlar ortaya konmuştur. Bu sonuçlar sistemin deneysel olarak kurulumu esnasında hangi sistemin kullanılması gerektiği konusunda yol gösterici olmuştur.
Tasarlanan antenler, mikrodalga görüntüleme sisteminde sensör olarak kullanılmışlardır. Sistemin performansı, biyokimya laboratuvarında hazırlanan ve gerçek insan dokusunu taklit eden, yani meme dokularının elektriksel özellikleriyle benzer özellikler taşıyan, gerçekçi yapay fantomlarla test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tez kapsamında geliştirilen mikrodalga görüntüleme sisteminin meme kanseri erken tespitinde kullanılabileceğini göstermektedir. Bu sistem düşük maliyetli, güvenli, konforlu ve hızlıdır.

Abstract:
Breast cancer, in developed, developing and underdeveloped countries, is the highest cancer type among woman with a rate of about 15-16%. Early diagnosis for the treatment of the disease is the most important parameter to save lives. While the rate of the disease is almost similar all over the world, the rate of recovery from the disease is high in developed countries and unfortunately low in developing and underdeveloped countries. The reason for this is the early diagnosis advantage of the healthcare system in developed countries. In the developing countries where our country is included, the people who get sick are acquainted with the disease in the later stages where the fight against disease becomes more difficult. In order to prevent this situation, it is necessary to bring people together with early diagnosis scans while they are not yet caught in the disease or have yet to be new.
Nowadays there are methods such as X-ray mammography, ultrasound, MRI, and positron emission tomography (PET) for imaging of breast cancer. However, these methods have some disadvantages. The ionizing effect of x-ray rays in human tissue causes the risk of other cancers. In addition, pressing of the breast during measurement can cause pain. In ultrasound, images are of low resolution and it is not possible to distinguish malignant tumor from benign tumor. MRI is an expensive method and is frightening for people with closed area phobia. It also takes too long. In the PET method, the radioactive material injected into the body carries the risk of causing new cancers by creating an ionizing effect with the emitted gamma rays. The disadvantages of these methods used in the imaging of breast cancer have led to the research and development of alternative imaging methods. Microwave imaging technique is one of these methods. Microwave imaging technique uses backscattered waves arising from the contrast between dielectric properties of normal and tumor tissues.
Imaging of the breast tumors in their exact position and with high resolution is one of the most important challenge to be overcome in current imaging methods and in the microwave imaging method. To obtain high resolution and accurate images in radar-based microwave imaging, which is used in this study and is popular among microwave imaging methods, are dependent on some parameters. These are the suitability of the antenna to be used, the number of antennas to be used and the radar measurement system, the performance of the filtering techniques and the performance of the focusing algorithm. The antenna must be compact, ultra wide band (3.1-10.6 Ghz), directional, high gain (as far as possible, in all operating frequency band). Within the scope of this thesis, the antenna design will be realized according to the desired characteristics by using the electromagnetic simulation program and the performance of the antenna analyzed by parameters such as bandwidth, radiation pattern, gain, directionality, group delay and fidelity.
After the suitable antennas were designed, homogeneous, semi-homogeneous and heterogeneous breast structures were created in the simulation environment. Measurements were performed in time domain as monostatic, bistatic and multistatic. In monostatic measurement, the same antenna serves as both the transmitting and receiving antenna. As a result of measurements made at different points around the breast, the reflected signals are collected. In the simulation environment, monostatic, bistatic and multistatic measurement systems have been analyzed and results have been presented with their advantages and disadvantages. These results guided which system should be used during the experimental setup of the system.
The designed antennas were used as sensors in a microwave imaging system. The performance of the system has been tested with realistic breast phantoms prepared in the biochemistry laboratory that mimic real human tissue, that is, have similar characteristics with the electrical properties of breast tissues. The results obtained show that the developed microwave imaging system that developed in this thesis can be used in early detection of breast cancer. This system is low cost, safe, comfortable and fast.