Lazer Optik Görüntüleme Yöntemi ile Oksijen Doyumunun

27-29 Ekim 2016
IC Hotel Santai Family Resort, Antalya
Lazer Optik Görüntüleme Yöntemi3.ile
Oksijen
Gün / 29
Ekim 2016, Cumartesi
Doyumunun Kestirilmesi
Lazer Optik Görüntüleme Yöntemi ile Oksijen
Estimation
of Oxygen Kestirilmesi
Saturation with Laser
Doyumunun
Optical Imaging Method
Estimation of Oxygen Saturation with Laser
Optical Imaging Method
Biyomedikal Optik
Arman Jalali Pahnvar1,Anl Işkhan1,İbrahim Akkaya2,Yusuf Efteli1, Mehmet Engin2, Erkan Zeki Engin2
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Ege Üniversitesi, İzmir, Türkiye
{armanjalali35,aisikhan200,yusufefteli
}@gmail.com 2{mehmet.engin, ibrahim.akkaya,erkan.zeki.engin}@ege.edu.tr
Arman Jalali Pahnvar1,Anl Işkhan1,İbrahim Akkaya2,Yusuf Efteli1, Mehmet Engin2, Erkan Zeki Engin2
1
1
1
Elektrik
Elektronik
Mühendisliği
Ege Üniversitesi,
İzmir,oxygen
Türkiyesaturation; laser; nonÖzetçe— Çalşmann
amac;ve
deri
tümör oluşumuna
eşlik Bölümü,Keywords
— melanoma;
2
{armanjalali35,aisikhan200,yusufefteli
}@gmail.com
{mehmet.engin,
ibrahim.akkaya,erkan.zeki.engin}@ege.edu.tr
eden oksijen doyumunu, deri kanserinin erken tans için,
invasive imaging.
1
doku hemoglobin derişimleri cinsinden örselemesiz
(non-invasive) lazer tabanl işlevsel görüntüleme araclğyla
Özetçe— Çalşmann
derikanserinin
tümör oluşumuna
eşlik
belirlemektir.
Melanomaamac;
türü deri
erken tans,
edenhastalğa
oksijen bağl
doyumunu,
deri kanserinin
erken azaltan
tans için,
bu
ölüm orann
önemli ölçüde
bir
doku hemoglobin
derişimleri
cinsinden
örselemesiz
etkendir.
Difüz yansmal
spektroskopi,
tan ve tedavide
in(non-invasive)
tabanl işlevsel
görüntüleme
araclğyla
vivo
(vücut-içi)lazer
çalşmalarnda
çok kullanşl
bir araçtr.
Bu
belirlemektir.
Melanoma
türü deri kanserinin
erken tans,
yöntemin
esas;
şğn saçlmasn
dikkate alarak,
şğn
bu hastalğa bağl kaynaklanan,
ölüm orann önemli
ölçüde azaltan
bir
zayflatmasndan
optik soğurma
maddesi
etkendir. Difüz yansmal
spektroskopi,
tan ve
tedavide
inyoğunluğunun
belirlenmesidir.
Lazer
şk
tabanl
vivo (vücut-içi)yöntemleri
çalşmalarnda
kullanşl biroldukça
araçtr. Bu
görüntüleme
tbbiçoktanlamada
iyi
yöntemin vaat
esas;etmektedir.
şğn saçlmasn
dikkate
alarak, esasn;
şğn
sonuçlar
Dolaysyla
çalşmann
zayflatmasndan
optik (Hb)
soğurma
maddesi
ve oksijensiz
hemoglobin
oksijenli
(HbO2)kaynaklanan,
yoğunluğunun
Lazer
şk
tabanl
derişimlerinin (% belirlenmesidir.
) kestirilmesi oluşturmaktadr.
görüntüleme yöntemleri tbbi tanlamada oldukça iyi
sonuçlar vaat etmektedir. Dolaysyla çalşmann esasn;
oksijenli (HbO2) ve oksijensiz (Hb) hemoglobin
Anahtar Kelimeler
— melanoma;
oksijen doyumu; lazer ;
derişimlerinin
(% ) kestirilmesi
oluşturmaktadr.
örselemesiz görüntüleme .
I.
hemoglobin
derişimleri
cinsinden
örselemesiz
I.
GİRİŞ
(non-invasive) lazer tabanl işlevsel görüntüleme
Çalşmann
amac; deri tümör
oluşumuna
eşlik eden
araclğyla
belirlemektir.
Deri dokusu
bileşenlerinin
oksijen
doyumunu,
deri kanserinin
erken tans
için, doku
(kromofor)
derişimlerinin
değişimi
genellikle
deri
hemoglobin
derişimleri
cinsinden
örselemesiz
kanserine eşlik edebildiğinden, deri - şk etkileşimine
(non-invasive)
tabanlbu işlevsel
görüntüleme
dayal modeller lazer
yardmyla,
derişimlerle
kuvvetli
araclğyla
belirlemektir.
Deri katsaylarnn
dokusu bileşenlerinin
ilişkili olan soğrulma
ve saçlma
izlenmesi
(kromofor)
değişimi
genellikle erken
deri
çok önemlidir.derişimlerinin
Melanoma türü
deri kanserinin
kanserine
eşlik
edebildiğinden,
deri
şk
etkileşimine
tans, bu hastalğa bağl ölüm orann önemli ölçüde
dayal
modeller
yardmyla,
busistemleri,
derişimlerle
kuvvetli
azaltan bir
etkendir.
Mevcut tan
görünen
şk
ilişkili
saçlmamorfolojik
katsaylarnn
izlenmesi
araclğolanilesoğrulma
sadece vederinin
özelliklerini
çok
önemlidir. Melanoma
deri kanserinin
sorgulamaktadr.
Oysa deritürü
kanserinin
doğas, erken
ayn
tans,
bu
hastalğa
bağl
ölüm
orann
önemli
zamanda doku ve hücresel işlevlere de (kan ölçüde
akş,
azaltan
bir etkendir.
Mevcut tanmiktar,
sistemleri,biyomoleküler
görünen şk
oksijenlenme,
hemoglobin
araclğ
ile v.b.)
sadece
derinin morfolojik özelliklerini
işaretleyiciler
bağldr.
sorgulamaktadr. Oysa deri kanserinin doğas, ayn
Difüz yansmal
tan ve tedavide
zamanda
doku ve spektroskopi,
hücresel işlevlere
de (kan in-vivo
akş,
(vücut-içi)
çalşmalarnda
çok
kullanşl
bir
araçtr[1]. Bu
oksijenlenme, hemoglobin miktar, biyomoleküler
yöntemin
esas;
şğn
saçlmasn da dikkate alarak, şğn
işaretleyiciler
v.b.)
bağldr.
zayflatmasndan kaynaklanan, optik soğurma maddesi
Difüz yansmal
spektroskopi,Biyotptaki
tan ve tedavide
in-vivo
yoğunluğunun
belirlenmesidir.
örselemesiz
[1]
. Bu
(vücut-içi)
çalşmalarnda
çok
kullanşl
bir
araçtr
görüntüleme ve izleme, son otuz yldaki fotonik
[2]
yöntemin
esas;
şğn
saçlmasn
da
dikkate
alarak,
şğn
gelişmelere dayanmaktadr . Spektroskopik ölçümlerle,
zayflatmasndan
kaynaklanan,
optik soğurma
soğurucu
(absorber)
derişiminin belirlenmesi
hala maddesi
açk bir
[1]
yoğunluğunun
belirlenmesidir.
örselemesiz
. Deri
kanserinin Biyotptaki
vücut-içi sezinlemesini
problemdir
fotonik
görüntülemeörselemesiz
ve izleme,
sonyöntemlerin
otuz yldaki
amaçlayan
optik
araştrlmas;
[2]
. Spektroskopik
ölçümlerle,
gelişmelere
dayanmaktadr
mevcut
görünür
optik bölge
tabanl yöntemlerin
soğurucu
belirlenmesi
bir
başarmn(absorber)
daha derişiminin
da
arttracak
birhala açk
duruma
[1]
[2]
. Deri
kanserinin
vücut-içi
sezinlemesini
problemdir
. Ancak
araştrma
aşamasndaki
birçok
yönlenmektedir
amaçlayan
örselemesiz
optik yöntemlerin
araştrlmas;
yöntem, örneğin;
Optik Uyumluluk
Tomografisi
(Optical
mevcut
optik- OCT),
bölge Konfokal
tabanl Taramal
yöntemlerin
Coherencegörünür
Tomography
Işk
başarmn
daha
da
arttracak
bir
duruma
yönlenmektedir[2]. Ancak araştrma aşamasndaki birçok
yöntem, örneğin; Optik Uyumluluk Tomografisi (Optical
Coherence Tomography - OCT), Konfokal Taramal Işk
Anahtar Kelimeler — melanoma; oksijen doyumu; lazer ;
Abstract— The aim of this study is to determine the
örselemesiz görüntüleme .
estimation of hemoglobin concentration and oxygen
saturation of tissue by non-invasively functional laser
imaging for early skin cancer diagnosis. The early diagnosis
Abstract— isThe
aimfactor
of this
study
is to determine
of melanoma
a key
that
remarkably
reduces the
estimation rate.
of Diffuse
hemoglobin
concentration
andis oxygen
mortality
reflectance
spectroscopy
a very
saturation
by and
non-invasively
functional
laser
useful
deviceoffortissue
diagnosis
treatment purposes
under
inimaging
for earlyAt
skin
cancer
The early diagnosis
vivo
conditions.
this
point,diagnosis.
the aforementioned
device,
of melanoma
is a key
factorthethat
remarkably
reducesis the
which
takes into
account
scattering
of tissue,
to
mortality rate.
Diffuse reflectance
spectroscopy(or
is aoptical
very
determine
the concentration
of chromophores
useful device
fortodiagnosis
andlight
treatment
under inabsorbers)
due
attenuated
strikespurposes
to the superficial
vivo conditions.
At this point,
the aforementioned
device,
layer
of tissue. Laser-type
light based
imaging techniques
in
which takes
into substantially
account the produce
scattering
tissue, Sois the
to
medical
diagnosis
goodofresults.
determine
thestudy
concentration
of chromophores
aim
of this
is to estimate
HbO2 % (or
and optical
Hb%
absorbers) due to attenuated light strikes to the superficial
concentrations.
layer of tissue. Laser-type light based imaging techniques in
medical diagnosis substantially produce good results. So the
aim of this study is to estimate HbO2 % and Hb%
concentrations.
“978-1-5090-2386-8/16/$31.00 ©2016 IEEE”
“978-1-5090-2386-8/16/$31.00 ©2016 IEEE”
GİRİŞ
Keywords
— amac;
melanoma;
saturation; laser;
nonÇalşmann
deri oxygen
tümör oluşumuna
eşlik eden
invasive
imaging.
oksijen doyumunu, deri kanserinin erken tans için, doku
402
27-29 Ekim 2016
IC Hotel Santai Family Resort, Antalya
Biyomedikal Optik
3. Gün / 29 Ekim 2016, Cumartesi
Mikroskopisi (Confocal Scanning Light Microscopy CSLM), Manyetik Rezonans Görüntüleme (Magnetic
Resonance Imaging - MRI) oldukça pahal olup,
taşnamayan türdedirler. Bu nedenle, ucuz ve taşnabilir
sistemlerin geliştirilmesi önem kazanmştr. Lazer şk
tabanl görüntüleme yöntemleri tbbi tanlamada oldukça
iyi sonuçlar vaat etmektedir. Dolaysyla çalşmann
esasn; oksijenli (HbO2) ve oksijensiz (Hb) hemoglobin
derişimlerinin % kestirilmesi oluşturmaktadr.
II.
Fantom kap (beher) yüzeyinden alnan görüntülerden,
kabaca bir dikdörtgen alt bölge analiz amaçl çkartlmştr
(cropping).İlgili bölge görüntüsünden, oksijen doyumuna
karşlk gelen , “R” parametresi piksel esasnda
kestirilerek, R haritalar (görüntüleri) elde edilmiştir. Tek
bir piksel için, bu parametre şöyle hesaplanr[4].
R=
I1
I1 +I2
(1)
Bu parametre; tüm bir görüntü için piksel esasnda
(x,y) üretilerek harita biçimine getirilir.
Bu denklemde; I1; 680 nm’de referans krmz boya
ortamndaki piksel parlaklğn ve I2; 680 nm’de referans
mavi boya ortamndaki piksel parlaklğn ifade
etmektedir.
MALZEME VE YÖNTEMLER
A. Ölçümsel Kurulum
Aydnlatma, 680 nm – 100 mW lazer diyot ile
yaplmş olup doyumu önlemek için lazer diyot akm
sürücü devre ile ayarlanmaktadr. Kamera pozlama süresi
(exposure time) yaklaşk 8 ms olup, homojen bir yüzey
aydnlatmas sağlamak için lazer önüne cam difüzer
(Thorlabs DG 100�100-600 Ground glass diffuser)
kullanlmş
olup
çalşmalar
karanlk
ortamda
gerçekleştirilmiştir.
III.
SONUÇLAR
Kandaki HbO2 ve Hb derişimleri, krmz ve mavi gda
boyasnn saf suda belirli miktarlarda çözünmesi ile taklit
edilmiştir. Farkl derişimler için üretilen oksijen doyumu
(R) haritalar aşağdaki şekilde verilmiştir.
Şekil 1. Lazer ve kamera tabanl ölçümsel kurulum.
Şekil 3. Farkl karşmlar için, çkartlmş bölgeye ait ��haritalar.
Görüntüsel gözlemi kuvvetlendirmek için, yukardaki
��haritalar sahte – renklendirme (pseudo – coloring)
işleminden geçirilmiştir. Buna ait sonuçlar aşağdaki
şekildedir.
B. Kuramsal Altyap
Gözlem parametresi, piksel parlaklklarnn ortalama
değeri olup esasen şğn soğurulmasna eş düşmektedir.
Kandaki oksijenli ve oksijensiz hemoglobine ait
soğurulma katsaylarnn dalga boyuna göre değişimi
dikkate alndğnda 680nm’de iki tür hemoglobin için
önemli bir fark olduğu ve 780nm civarnda ise iki değerin
örtüştüğü görülmektedir[3].Literatürden alnan bu değişim,
Şekil 2’de gözlemlenmektedir.
Şekil 4. Sahte renklendirilmiş, R haritalar.
Yukarda, fantom ortamlar üzerinden boya katks ile
taklit edilen kan svsna ait temsili oksijen doyumu
kestirim haritalarndan, bir ortalama değer çkartlarak
temsil edici parametre olarak kullanlmştr.Rort
parametresinin değişimi Şekil 5’de verilmiştir.
Şekil 2. Oksijenli ve oksijensiz hemoglobin soğurulma
katsaylarnn değişimi.
403
27-29 Ekim 2016
IC Hotel Santai Family Resort, Antalya
Biyomedikal Optik
3. Gün / 29 Ekim 2016, Cumartesi
IV.
TARTIŞMA
Kamera tabanl lazer görüntülemesi üzerinden
kestirilen saysal parametreler ile kalibrasyon değerleri
olan taklit edici Hb ve HbO2 derişimlerine bağl ilişki
incelenmiştir. Ele alnan incelemede, kabul edilebilen bir
doğrusal ilişki mevcuttur. Ayrca daha hassas derişim
kademeleri için; ek analizler yaplarak, modelleme
(fitting) daha iyi duruma getirilebilecektir.
V.
TEŞEKKÜR
Bu proje, Tübitak 113E771 numaral proje olanaklaryla
desteklenmiştir.
KAYNAKÇA
[1]
Şekil 5. Karşm derişimlerine göre, ܴ ort değişimi.
Grafikten görüldüğü gibi; karşm kombinasyonlarna
parametresinin
doğrusal
değiştiği
bağl
Rort
gözlemlenmektedir. Literatürde belirtildiği gibi 680nm
kullanm bu durum için uygun olmaktadr.
Yukarda bilinen yapay HbO2 ve Hb derişimleri için
elde edilen davranşn, in-vivo ve/veya ex-vivo ortamlarda
kullanlmas için, kalibrasyon veya snflandrclardaki
öğrenme aşamas, yukardaki uygulamalarn ürettiği
saysal değerlerle olacaktr. Bu amaçla değişimleri,
doğrusal bir denkleme (y=1.0232x – 1.1606) uydurduk
(fitting). Uydurma hatas; 0.5137 (RMS) civarndadr.
[2]
[3]
[4]
404
S. E. Hernández, V. D. Rodríguez, J. Pérez, F. A. Martín, M. A.
Castellano, and J. L. Gonzalez-Mora, “Diffuse reflectance
spectroscopy characterization of hemoglobin and intralipid
solutions: in vitro measurements with continuous variation of
absorption and scattering,” J. Biomed. Opt.14(3), 034026 (2009).
Memorandum of Understanding for the implementation of a
European Concerted Research Action designated as COST Action
BM1205: European Network for Skin Cancer Detection using
Laser Imaging (2012).
A. P. Dhawan, B. D'Alessandro, Multispectral Transillumination
Imaging of Skin Lesions for Oxygenated and Deoxygenated
Hemoglobin Measurement, New Jersey Institute of Technology,
Newark, NJ, 2010.
A. P. Dhawan, B. D'Alessandro, Depth-Dependent Hemoglobin
Analysis From Multispectral Transillumination Images, New
Jersey Institute of Technology , Newark, NJ, 2010.