ارزیابی مقایسه‌ای مدل‌های دی‌الکتریک بافت‌های زیستی در کاربردهای تصویربرداری پزشکی تراهرتز

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، گروه بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

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.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Comparative Study on Dielectric Models of Biological Tissues in Terahertz Medical Imaging Applications

نویسندگان [English]

  • Asma Askari 1
  • Ali Maleki 2
1 MSc Student, Department of Bioelectric, School of Biomedical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Assistant Professor, Department of Bioelectric, School of Biomedical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

Background: Terahertz radiation is non-destructive and hence, in the last two decades it has been of interest to researchers for various applications such as medical imaging. Having an accurate model of the tissue can pave the way for the researches in this field. In the terahertz region, water has high absorption and due to high water content in body tissues, the main mechanism of contrast in terahertz medical imaging in adjacent tissues is the difference in water content. Thus, dielectric models are suitable for modeling body tissues.Methods: In this study, goodness of fit of double-Debye, Cole-Cole and Fitzgerald dielectric models to experimental data of the body tissues was evaluated. For qualitative assessment, the correlation coefficient between simulated values and experimental data was calculated.Findings: Skin tissue was more compatible with the double-Debye model; breast tissue was more consistent with the Fitzgerald model and other investigated tissues were compatible with the Cole-Cole model.Conclusion: Cole-Cole model is a general model, which can achieve a correlation of about 0.9 for a wide variety of tissues. Double-Debye and Fitzgerald models are specific models, which have higher accuracy for skin and breast tissues and whose correlation coefficient is about 0.95.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Terahertz
  • Cancer
  • Simulation
  • Dielectric model

مراجع

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Son JH. Terahertz biomedical science and technology. Boca Raton, FL: CRC Press; 2014.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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].
  16. 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].
  17. Kasap SO. Principles of electronic materials and devices. New York, NY: McGraw-Hill; 1997.
  18. Ye ZG. Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: synthesis, properties and applications. Philadelphia, PA: Elsevier; 2008.
مجله دانشکده پزشکی اصفهان
دوره 34، شماره 397 - شماره پیاپی 397
مهر و آبان 1395
صفحه 1025-1031

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 13 خرداد 1395
  • تاریخ بازنگری: 05 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار