دوره 34، شماره 397: هفته اول آبان ماه 1395:1025-1031

ارزیابی مقایسه‌ای مدل‌های دی‌الکتریک بافت‌های زیستی در کاربردهای تصویربرداری پزشکی تراهرتز

اسما عسکری, علی مالکی

چکیده


مقدمه: تراهرتز، تابشی غیر مخرب است و از این ‌رو، در دو دهه‌ی اخیر، برای کاربردهای مختلفی نظیر تصویربرداری پزشکی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در اختیار داشتن مدلی دقیق از بافت، می‌تواند راه را برای پژوهش‌های این حوزه هموارتر سازد. در محدوده‌ی تراهرتز، آب جذب بالایی دارد و به دلیل بالا بودن مقدار آب در بافت‌های بدن، ساز و کار اصلی ایجاد کنتراست در تصویربرداری پزشکی تراهرتز، مبتنی بر تفاوت مقدار آب در بافت‌های مجاور است. از این ‌رو، مطالعه‌ی حاضر با هدف ارزیابی سازگاری مدل‌های دی‌الکتریک برای شبیه‌سازی بافت‌های زیستی بدن در محدوده‌ی فرکانسی هرتز تا تراهرتز انجام شد.

روش‌ها: در این مقاله با شبیه‌سازی مدل‌های Cole-Cole، Double-Debye و Fitzgerald، برازش گذردهی مختلط بافت‌های مختلف بدن با داده‌های آزمایشگاهی ارزیابی گردید. برای ارزیابی کمی، مقدار همبستگی بین مقادیر شبیه‌سازی شده و داده‌های آزمایشگاهی محاسبه شد.

یافته‌ها: بافت پوست با مدل Double-Debye، بافت پستان با مدل Fitzgerald و سایر بافت‌های مورد بررسی، با مدل Cole-Cole سازگاری بیشتری داشتند.

نتیجه‌گیری: مدل Cole-Cole یک مدل عمومی‌تر است و می‌تواند برای طیف وسیعی از بافت‌ها به همبستگی حدود 9/0 دست یابد. مدل‌های Double-Debye و Fitzgerald اختصاصی می‌باشند و به ترتیب، برای بافت‌های پوست و پستان دقت بالاتری دارند؛ به ‌نحوی‌ که به مقدار همبستگی حدود 95/0 دست می‌یابند.


واژگان کلیدی


تراهرتز؛ سرطان؛ شبیه‌سازی؛ مدل دی‌الکتریک

تمام متن:

PDF

مراجع


Truong B, Tuan HD, Fitzgerald AJ, Wallace VP, Nguyen HT. High correlation of double Debye model parameters in skin cancer detection. Proceedings of the 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society; 2014 Aug 27-31; Chicago, IL. 2014. p. 718-21.

Wallace VP, Taday PF, Fitzgerald AJ, Woodward RM, Cluff J, Pye RJ, et al. Terahertz pulsed imaging and spectroscopy for biomedical and pharmaceutical applications. Faraday Discuss 2004; 126: 255-63.

Truong BC, Tuan HD, Fitzgerald AJ, Wallace VP, Nguyen HT. A dielectric model of human breast tissue in terahertz regime. IEEE Trans Biomed Eng 2015; 62(2): 699-707.

Ashworth PC, Pickwell-MacPherson E, Provenzano E, Pinder SE, Purushotham AD, Pepper M, et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer. Opt Express 2009; 17(15): 12444-54.

Pickwell E, Fitzgerald AJ, Cole BE, Taday PF, Pye RJ, Ha T, et al. Simulating the response of terahertz radiation to basal cell carcinoma using ex vivo spectroscopy measurements. J Biomed Opt 2005; 10(6): 064021.

Lazebnik M, Okoniewski M, Booske JH, Hagness SC. Highly accurate debye models for normal and malignant breast tissue dielectric properties at microwave frequencies. IEEE Microw Wirel Compon Lett 2008; 17(12): 822-4.

Truong BC, Tuan HD, Kha HH, Nguyen HT. Debye parameter extraction for characterizing interaction of terahertz radiation with human skin tissue. IEEE Trans Biomed Eng 2013; 60(6): 1528-37.

Pickwell-MacPherson E, Fitzgerald AJ, Wallace VP. Breast cancer tissue diagnosis at terahertz frequencies. Proceeding of the SPIE 8221 Optical Interactions with Tissue and Cells XXIII; 2012 Feb 9; New York, NY.

Son JH. Terahertz biomedical science and technology. Boca Raton, FL: CRC Press; 2014.

Fitzgerald AJ, Pickwell-MacPherson E, Wallace VP. Use of finite difference time domain simulations and Debye theory for modelling the terahertz reflection response of normal and tumour breast tissue. PLoS One 2014; 9(7): e99291.

Gabriel S, Lau RW, Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys Med Biol 1996; 41(11): 2271-93.

Truong B, Tuan H, Fitzgerald A, Wallace V, Nguyen T, Nguyen H. Breast Cancer classification using extracted parameters from a terahertz dielectric model of human breast tissue. Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society; 2015 Aug 25-29; Milano, Italy. 2015. p. 2804-7.

Reid CB, Pickwell-MacPherson E, Laufer JG, Gibson AP, Hebden JC, Wallace VP. Accuracy and resolution of THz reflection spectroscopy for medical imaging. Phys Med Biol 2010; 55(16): 4825-38.

Pickwell E, Cole BE, Fitzgerald AJ, Wallace VP, Pepper M. Simulation of terahertz pulse propagation in biological systems. Appl Phys Lett 2004; 84(12): 2190-2.

Askari A, Maleki A. A comparative evaluation of double-Debye and Cole-Cole dielectric models in terahertz imaging of skin. Proceedings of the 1st International Conference on New Research Achievements in Electrical and Computer Engineering; 2016 May 12; Tehran, Iran. [In Persian].

Askari A, Maleki A. A comparative study of double-Debye and mixture Fitzgerald dielectric models in terahertz regiem for breast cancer detection. Proceedings of the 1st International Conference on New Research Achievements in Electrical and Computer Engineering; 2016 May 12; Tehran, Iran. [In Persian].

Kasap SO. Principles of electronic materials and devices. New York, NY: McGraw-Hill; 1997.

Ye ZG. Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: synthesis, properties and applications. Philadelphia, PA: Elsevier; 2008.




Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License which allows users to read, copy, distribute and make derivative works for non-commercial purposes from the material, as long as the author of the original work is cited properly.