Geri Dön

Fotoakustik tomografi için dayanıklı fantomların geliştirilmesi

Development of durable phantoms for photoacoustic tomography

PDF İndir

  1. Tez No: 990259
  2. Yazar: YASEMİN İNCİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Fotoakustik tomografi (FAT), optik çözünürlüğün yüksek kontrastını ultrasonik algılama ile birleştiren hibrit bir biyomedikal görüntüleme yöntemidir. Bu tekniğin hibrit yapısı, tıbbi tanı ve tedavi süreçlerinde birçok avantajı beraberinde getirmekte ve bu tekniğe olan ilgiyi her geçen gün artırmaktadır. FAT'ın klinik ve deneysel çalışmalarda güvenilir bir şekilde uygulanabilmesi, test deneylerini gerektirmektedir. Klinik öncesi test deneylerinde kullanılan fantomlar, doku benzeri taklit yapılardan oluşmaktadır. İdeal bir fantom, insan dokularının optik ve akustik özelliklerini doğru şekilde temsil edebilmelidir. Fantomların dokuyu taklit etme oranı ne kadar yüksek ise klinik öncesi yapılan deneylerin doğruluğu da bir o kadar kesin olacaktır. Bununla birlikte, fantomlardan elde edilen fotoakustik verilerin, zamana bağlı olarak kararlı bir davranış sergilemesi, tekrarlanabilirlik yönünden fotokakustik verilerin değerlendirilmesini sağlamaktadır. Literatürde fotoakustik görüntüleme için yaygın olarak kullanılan fantom malzemeleri bulunmakla birlikte, farklı optik emilim ve saçılım özelliği taşıyan fantomların 1. gün, 21. gün ve 6. ay gibi erken, orta ve uzun vadede fotoakustik işaret kararlılığını sistematik olarak karşılaştıran çalışmalar sınırlıdır. Bu tez çalışmasında, FAT görüntüleme için geliştirilen farklı optik emilim ve saçılım özelliklerine sahip fantomların üretim protokolü, optik karakterizasyonu ve zamana bağlı fotoakustik yanıtlarının istatistiksel olarak değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, ana fantom malzemesinin seçiminde; agar, polivinil klorür (PVC) plastisol ve polidimetilsiloksan (PDMS) kullanılmıştır. Bu üç farklı fantomun üretimi ve fotoakustik verimi üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda üretim koşulları ve fotoakustik verim kriterleri göz önünde bulundurularak PDMS, ana fantom malzemesi olarak seçilmiştir. Sonraki çalışmalarda dayanıklı fantomlar geliştirmek amacıyla yalnızca PDMS malzemesine odaklanılmıştır. PDMS fantomları; saf PDMS referans fantom, optik emilim modelleyen siyah boya ile katkılanmış fantom, optik saçılım modelleyen titanyum dioksit (TiO2) ile katkılanmış fantom ve hem optik emilim hem de saçılımı modelleyen siyah boya ve TiO2 içeren kompleks fantomlar üretilmiştir. Fantomların fotoakustik görüntüleme mekanizması, 532 nm dalga boyuna sahip darbeli bir Nd:YAG lazer ile optik olarak uyarılması ve oluşan fotoakustik işaretlerin, 128 elemanlı L22-14vX doğrusal ultrason probu aracılığıyla algılanarak Verasonics Vantage 256 veri toplama sistemi tarafından kaydedilmesinden oluşmaktadır. Fotoakustik görüntülemenin performansı, fantomlardan elde edilen işaret verilerinin MATLAB ortamındaki analiziyle değerlendirilmiştir. Fotoakustik işaretler, fantom içerisine yerleştirilen optik soğurucu kaynaklardan elde edilmiştir. Soğurucu kaynaklar 0.5 mm, 1 mm ve 1.5 mm gibi farklı derinliklere yerleştirilmiş ve fantom ortamının derinliğe bağlı fotoakustik işaretler üzerindeki etkisi değerlendirmeye alınmıştır. 0.5 mm'deki soğurucu kaynaktan 1.5 mm derinlikteki soğurucu kaynağa indikçe lazer ışığı fantom içinde daha fazla yol almakta ve dolayısıyla ışık yoğunluğu azalmaktadır. Buna bağlı olarak soğurucu kaynağın fotoakustik işaret verisi de zayıflamıştır. Ayrıca bu fantomlardan elde edilen fotoakustik işaretler 1. gün, 21. gün ve 6. ay gibi farklı zaman dilimlerinde ölçülmüştür. Zaman faktörünün fotoakustik işaret üzerindeki etkisi tekrarlı ve tek yönlü varyans analizi (one-way) ANOVA ile değerlendirilmiştir. İstatistiksel analize göre tüm fantomlar için 1. gün ve 21. gün arasındaki fotoakustik işaretlerde farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bu iki farklı zaman noktasında farklı yoğunlukta işaretlerin elde edildiği gözlemlenmiş ve bu farklılığın varlığı istatistiksel olarak tek-yönlü ANOVA'da p<0.05 koşulunu doğrulamıştır. İstatistiksel olarak anlamlı farklılık tespit edilen bu fantomlar, erken dönemde yapısal olarak içsel stabilite kazanmamıştır. Bu doğrultuda, fantom iç yapsına bağlı olarak 1. gün ve 21. günde fotoakustik işaretler farklı büyüklüktedir. Öte yandan 21. gün ve 6. ay fotoakustik işaretleri hemen hemen aynı sonuçları vermiş ve istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık tespit edilememiştir. 21. gün ve 6. ay işaretleri arasında p > 0.05 istatistik sonucu elde edilmiş ve p değerinin istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık göstermemesi bu zaman diliminde fantomun iç yapısının daha kararlı hale geldiğini ve tekrarlanabilir fotoakustik işaretler verdiğini kanıtlamıştır. Bu sonuçlar, gerçek insan dokusuna en yakın dayanıklı deri fantomlarının geliştirilmesi için önemli bir temel oluşturmuştur. İnsan deri dokusuna en yakın fantomun geliştirilebilmesi için deri dokusunun epidermis, dermis ve hipodermis katmanları anatomik yapıya uygun olarak sırasıyla 0.12 mm, 1 mm ve 2 mm kalınlıklarda modellenmiştir. Bununla birlikte her katmanın optik emilim ve saçılım özellikleri ilgili katmanı temsil edecek şekilde modellenmiştir. Çok katmanlı deri fantomunun her bir katmanı, önerilen optik tahmin yöntemi ile karakterize edilmiştir. Bulgular, dermis ve hipodermis katmanı için literatürdeki referans optik zayıflama katsayısına yakın değerler gösterirken epidermis için yakın olmayan bir sonuç sunmuştur. Sonuç olarak, mevcut çalışma farklı optik emilim ve saçılım özelliklerine sahip PDMS tabanlı fantomların, FAT görüntüleme sistemleri için kolay üretilebilir, tekrarlanabilir ve uzun süreli deneysel çalışmalara uygun birer model sunduğunu göstermektedir. Geliştirilen fantomların karşılaştırılabilir yapısı sayesinde, fotoakustik işaret davranışlarının sistematik olarak değerlendirilmesi gerçekleştirilebilmiştir. Elde edilen sonuçlar, FAT fantom tasarımı ve standartlaştırılması alanında literatüre önemli katkılar sunarken, aynı zamanda gelecekte gerçekleştirilecek sistem doğrulama, performans değerlendirme ve doku-hastalık senaryolarının taklidi gibi klinik öncesi fotoakustik çalışmalar için yol gösterici nitelik taşımaktadır.

Özet (Çeviri)

Photoacoustic tomography (PAT) is a rapidly developing hybrid biomedical imaging technique that integrates the high optical contrast provided by light–tissue interaction with the deep penetration and spatial resolution of ultrasound. Based on the photoacoustic effect, in which pulsed laser energy absorbed by tissue chromophores is converted into broadband acoustic waves, PAT has become an increasingly important medical imaging modality for applications such as drug delivery, molecular and cellular imaging, oncology, vascular imaging, cancer diagnosis, and therapy monitoring. Despite technological advances in PAT systems, the lack of static, repeatable, and well-characterized tissue-mimicking phantoms specifically designed for photoacoustic imaging limits the clinical translation and standardization of this technique. Unlike ultrasound or other optical imaging modalities, photoacoustic imaging lacks a generally accepted phantom protocol capable of simultaneously mimicking optical absorption, optical scattering, acoustic wave propagation, and long-term signal stability. The motivations of this thesis include the development of photoacoustic phantoms with controlled optical absorption and scattering properties and the investigation of the behavior of these properties on photoacoustic signal generation. In addition, it is anticipated that the quantitative evaluation of the temporal stability of the developed phantoms using statistical methods will contribute to the existing literature. Although the optical properties of biological tissues, such as the absorption coefficient (μₐ) and the reduced scattering coefficient (μₛ′), have been well reported in the literature, current phantom studies predominantly focus on short-term experiments and do not investigate whether photoacoustic signal amplitudes remain stable over extended periods. In existing studies, the optical characterization of phantoms is generally reported independently of photoacoustic signal analysis, which limits the interpretability of experimental results. In this study, three phantom materials frequently used in the literature—agar, polyvinyl chloride (PVC), and polydimethylsiloxane (PDMS)—were initially evaluated in terms of ideal phantom criteria in order to develop durable phantoms representing different optical absorption and scattering conditions of biological tissues. An ideal phantom for this study is expected to possess a simple fabrication protocol, demonstrate long-term durability and repeatability, and exhibit high potential for photoacoustic image acquisition. In this context, agar was deemed unsuitable for long-term testing due to its water-based structure, while PVC plastisol could not be selected as the primary focus of advanced phantom studies due to fabrication challenges and the sensitivity involved in tuning its optical properties. In contrast, the high stability, ease of fabrication, and optical tunability of PDMS enabled its selection as the primary phantom material for subsequent investigations. PAT experiments were conducted using a laboratory imaging system consisting of a 532 nm Nd:YAG laser, a Verasonics Vantage 256 data acquisition system, and a 128-element linear ultrasound transducer (L22-14vX, 18 MHz center frequency). The phantoms were immersed in a water tank to enable acoustic wave propagation, and optical excitation was delivered to the target region via fiber optics. Photoacoustic signals were obtained from polyester threads embedded at different depths within the phantoms and used as optical absorbers. These absorbers were positioned at depths of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm to evaluate the depth-dependent effects of the phantom environment on photoacoustic signals. As the absorber depth increased from 0.5 mm to 1.5 mm, the laser light traveled a longer path within the phantom and encountered a greater number of absorbing and scattering components. Consequently, the laser fluence reaching the absorber decreased, leading to the generation of weaker photoacoustic signals. In advanced phantom studies, the influence of optical properties on photoacoustic signal generation was investigated using four phantom types: a reference phantom fabricated from pure PDMS, an absorption-dominant optical phantom containing 0.25 wt% black pigment dye, a scattering-dominant optical phantom containing 0.25 wt% titanium dioxide (TiO₂), and a combined absorption–scattering complex phantom containing both additives at 0.25 wt% each. The behavior of photoacoustic signals as a function of the concentrations of black pigment dye and TiO₂ was systematically evaluated. Based on these results, the photoacoustic signal generation capability of the reference, absorption, scattering, and combined absorption–scattering phantoms was investigated. Accordingly, the absence of optical additives in the reference phantom enabled more effective laser light interaction within the material, resulting in stronger photoacoustic signals compared to the other phantom types. In contrast, the two phantoms containing 0.25 wt% black dye and 0.25 wt% TiO₂ exhibited nearly identical attenuation of photoacoustic signal strength due to the presence of optical additives. In the absorption–scattering phantom containing both 0.25 wt% black dye and 0.25 wt% TiO₂, the laser fluence was further attenuated depending on the total amount of optical additives, naturally leading to the generation of weaker photoacoustic signals. These findings demonstrate the influence of black dye and TiO₂, which mimic optical absorption and scattering, on photoacoustic signal generation. Based on the photoacoustic results obtained from phantoms with different optical absorption and scattering properties, multilayer phantoms capable of most accurately mimicking skin tissue were fabricated. The resulting phantom was designed to model the epidermis, dermis, and hypodermis layers of skin tissue. These multilayer skin phantoms represent the optical properties specific to each layer as reported in the literature. The optical characterization of the epidermis, dermis, and hypodermis layers was performed using a JASCO V-730 UV–Vis spectrophotometer, providing wavelength-dependent transmittance (%T) measurements at 532 nm. The total optical attenuation coefficient (μₜ), representing the combined effects of absorption and scattering, was calculated using the Beer–Lambert relationship. Although this approach does not allow direct separation of μₐ and μₛ′, the obtained μₜ values enable meaningful comparison with the sum of tissue optical coefficients reported in the literature. For the dermis and hypodermis mimics, μₜ values of 4 mm⁻¹ and 2.08 mm⁻¹ were calculated, respectively, which are consistent with values reported in the literature. However, the μₜ value calculated for the epidermis phantom was 18.79 mm⁻¹, which is higher than reported optical properties. This discrepancy is attributed to the higher concentration of optical additives in the epidermis phantom compared to the dermis and hypodermis phantoms, resulting in optical events exceeding the measurement capacity of the instrument. In previously reported studies, optical measurements were performed using spectrophotometers integrated with an integrating sphere. Due to this instrumentation difference, achieving optical results closely matching real tissue for the epidermis layer was not feasible in this thesis. To evaluate the time-dependent changes in photoacoustic signals from PDMS phantoms, repeated measurements were conducted at three time points: day 1, day 21, and month 6. The raw acoustic data collected at different time points were processed in MATLAB, and the photoacoustic signal amplitude metric was quantitatively evaluated. The availability of photoacoustic signals acquired on day 1, day 21, and month 6 enabled investigation of the effect of time on photoacoustic signal generation. Accordingly, repeated and one-way analysis of variance (one-way ANOVA) provided a statistical evaluation of the time-dependent photoacoustic signals obtained from the phantoms. Statistical analysis revealed differences in photoacoustic signals between day 1 and day 21 for all phantom types. The presence of signals with different amplitudes at these two time points were observed, and this difference was statistically confirmed by one-way ANOVA with p < 0.05. These phantoms, which exhibited statistically significant differences, did not achieve intrinsic structural stability during the early period. Consequently, photoacoustic signal amplitudes differed between day 1 and day 21 depending on the internal structure of the phantom. In contrast, photoacoustic signals obtained on day 21 and month 6 yielded nearly identical results, and no statistically significant difference was observed. A p-value greater than 0.05 between day 21 and month 6 indicates that the internal structure of the phantom became more stable over this time interval and produced repeatable photoacoustic signals. These findings provide an important foundation for the development of durable skin phantoms that closely mimic real human tissue. The results demonstrate that PDMS-based phantoms with different optical absorption and scattering properties can provide stable and tissue-realistic photoacoustic signals over long time scales. By integrating optical characterization, photoacoustic signal analysis, durability assessment, and statistical validation, this thesis establishes a comprehensive framework for the development and evaluation of durable photoacoustic phantoms and contributes to the existing literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    992731

    Fotoakustik tomografi ile altın nanokürelerin karakterizasyonu

    Characterization of gold nanospheres using photoacoustic tomography

    BİRGÜL SAYAN KARAÇAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR

  2. Tez No

    992502

    Fotoakustik görüntüleme ile oksijen satürasyonu ölçümünün mürekkep modelinde analizi

    Analysis of oxygen saturation measurement in ink model with photoacoustic imaging

    ELİF ÇANKAYA KAHRAMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR

  3. Tez No

    444974

    Lazer beneklenme-zıtlık görüntülemesi ile yakın deri–altı mikro kan dolaşımına ilişkin kan akışının kestirilmesi

    Estimation of near subcutaneous blood microcirculation related blood flow using laser speckle contrast imaging

    ARMAN JALALI PAHNVAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ENGİN

  4. Tez No

    762111

    Derişim ölçümü için optik tabanlı foto akustik sensör geliştirilmesi

    Development of optical photoacoustic sensors for concentration measurements

    ÖMER FARUK DİNÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAVUZ ÖZTÜRK

  5. Tez No

    383132

    Koklear apertür ve internal akustik kanal ile vestibülokoklear sinir varlığı arasındaki ilişkinin araştırılması

    Investigation of the bony cochlear nerve canal and internal auditory meatus and their effect on the vestibulocochlear nerve

    EMEL TAHİR

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kulak Burun ve BoğazHacettepe Üniversitesi

    Kulak Burun Boğaz Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT SENNAROĞLU

Geri Dön