مقاله تشخیص تومورهای سرطانی در بافت های بیولوژیک با استفاده از تصویربرداری ماکروویو

دانلود مقاله تشخیص تومورهای سرطانی در بافت های بیولوژیک با استفاده از تصویربرداری ماکروویو
چکیده
این مقاله به کاربردها و توسعه ی تکنیک های معکوس زمانی (Time-Reversal) بر اساس روش های پردازش سیگنال برای امواج الکترومغناطیس باند پهن در محیط های همگن و تصادفی گسسته و پیوسته تمرکز دارد. روش های معکوس زمانی بر اساس تغییرناپذیری معادلات ماکسول تحت شرایط معکوس شدن مؤلفه ی زمانی آن، یکی از تکنیک-های مناسب و قابل توجه برای تصویربرداری می باشند. با افزایش ناهمگنی و پراکندگی چندگانه در محیط، دقت این تکنیک ها افزایش می یابد. به دلیل موفقیت تکنیک معکوس زمانی در امواج صوتی، علاقه ی زیادی در استفاده از روش Time Reversal با امواج الکترومغناطیس در فرکانس رادیویی بوجود آمده است. در این مقاله ابتدا به بررسی وضوح بالای تمرکز امواج الکترومغناطیس UWB معکوس شده ی زمانی در محیط زمینه ی تصادفی پیوسته نوع اول و دوم پرداخته خواهد شد. همچنین دو تکنیک  DORT و TR-MUSIC که روش های تصویربرداری با وضوح بالا برای تشخیص و مکان یابی اهداف پنهان شده در محیط های همگن و ناهمگن می باشند، را از پایه معرفی نموده، آن را در آزمایشگاه عددی FDTD کد نویسی و پیاده سازی کرده و پارامترهای مؤثر در کارایی این تکنیک ها را ارزیابی می نماییم. عملکرد این دو تکنیک در تصویربرداری مایکروویو در یک محیط ناهمگن تصادفی شامل پراکنده کننده های نقطه ای نشان داده شده است. محیط ناهمگن تصادفی درنظرگرفته شده بر اساس تغییرات مکانی نفوذپذیری خاک می باشد. اثر پارامترهای یک محیط ناهمگن تصادفی بر روی مقادیر ویژه و بردارهای ویژه ی اپراتور معکوس زمانی برای دو هدف نزدیک به هم مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ادامه، به مسأله ی تصویربرداری ماکروویوی با استفاده از تکنیک TR-MUSIC در حالت کلی، جنبه ی ویژه و کاربردی اش را اضافه نموده و آن را به سوی مسأله ی «تصویربرداری از پشت دیوار» هدایت می نماییم. اثرات پلاریزاسیون با استفاده از این تکنیک در این مثال کاربردی مورد شبیه سازی و تحلیل قرار می گیرد، همچنین در این راستا نشان داده می شود که این تکنیک حتی برای حالتی که دیوار دارای تلفات شدید باشد، نتایج قابل قبولی را بدست می دهد. در نهایت به ردیابی هدف در پشت دیوار با استفاده از تکنیک TR-MUSIC پرداخته خواهد شد.

واژه‌های کلیدی
تصویربرداری ماکروویو، تکنیک های DORT و TR-MUSIC، محیط تصادفی پیوسته، پلاریزاسیون، موقعیت یابی هدف از پشت دیوار.

۱-۱ تصویربرداری الکترومغناطیس
تصویربرداری الکترومغناطیس با استفاده از فرکانس رادیویی (RF)، ماکروویو و یا سیگنال های نوری، به دلیل ویژگی های منحصربه فرد خود به عنوان یک ابزار تشخیصی همواره مورد استفاده بوده است. تصویربرداری الکترومغناطیس توجه زیادی را به خود جلب کرده است و بنابراین تحقیقات گسترده ای در این زمینه انجام شده است، که علّت آن، تنوع و تناسب این روش تصویربرداری برای کاربردهای وسیع آن می باشد. برای مثال، تصویربرداری ماکروویو (MWI) در تست غیر مخرب (NDE) ، برای تشخیص عیب در مواد واندازه گیری کمیت های فیزیکی به کار گرفته شده است ]۱ [. همچنین برای توصیف مواد مانند تعیین اجزای تشکیل دهنده و ارزیابی تخلخل می تواند استفاده شود. در کاربردهای نظامی، توانایی نفوذ امواج الکترومغناطیس در مواد دی الکتریک باعث استفاده از آن ها در بازجویی های نظامی شده است ]۲[. در کاربردهای هوا و فضا، برای تشخیص ترک بر روی بدنه ی هواپیما استفاده می شود ]۳[. در زمینه ی اکتشافات جغرافیایی، MWI در تشخیص از راه دور برای شناسایی تونل، بقایای دفن زباله و مین های زیر زمینی منفجر نشده به کار گرفته می شود ]۴ [. در کاربردهای مهندسی عمران و صنعت، MWI برای ارزیابی یکپارچگی ساختار جاده ها، ساختمان ها و پل ها می تواند مفید واقع شود ]۵[. در حال حاضر، در زمینه ی پزشکی، سیستم های MWI برای تصویربرداری بیولوژیکی غیر تهاجمی ارائه شده است ]۶[.
از این لیست کوتاه و ناقص، آشکار است که دامنه تصویربرداری الکترومغناطیسی گسترده است و برای آن کاربردهای بسیاری در زمینه های مختلفی می تواند یافت شود. در برخی از این کاربردها، تنها نیاز به اطلاعات کیفی در مورد جسم تحت آزمون است، در حالی که در بسیاری از موارد، مانند کاربردهای مین روبی ، بررسی باستان شناسی غیر تهاجمی و یا تصویربرداری پزشکی، نیاز به اطلاعات کمی در مورد جسم هدف است که با استفاده از خواص دی الکتریک می تواند تعیین شود. این خواص دی الکتریک، رسانایی ( ) و گذردهی نسبی ( ) ، با استفاده از انتقال، انعکاس و میرایی سیگنال های ماکروویو در هنگام عبور از جسم تعیین می شوند.

فهرست مطالب
فصل ۱ مقدمه ۱
۱-۱ تصویربرداری الکترومغناطیس ۲
۱-۲ تصویربرداری ماکروویو ۳
۱-۳ مروری بر پیشینه ی تکنیک های Time-Reversal 5
۱-۴ دور نمای مقاله ۶

فصل ۲: تکنیک معکوس زمانی وضوح بالا ۸
۲-۱ مقدمه ۹
۲-۲ Time-Reversal 9
۲-۳ تئوری Time-Reversal 12
۲-۴ معرفی آزمایشگاه عددی برای پیاده سازی Time-Reversal 13
۲-۵ مدل های محیط تصادفی ۱۴
۲-۶ تنظیم محاسباتی ۱۶
۲-۷ نتایج عددی ۱۶
۲-۷-۱ اثرات محیط تصادفی گسسته ۱۷
۲-۷-۲ اثرات محیط آماری مرتبه ی اول ۱۹
۲-۷-۳ اثرات محیط آماری مرتبه ی دوم ۱۹

فصل ۳: تصویربرداری با تحلیل عملگر وارون زمانی ۲۱
۳-۱ مقدمه ۲۲
۳-۲ تجزیه ی ماتریس عملگر زمانی ۲۵
۳-۳ روش DORT 29
۳-۳-۱ شبیه سازی DORT 30 3-4 روش TR-MUSIC 35
۳-۵ نتایج شبیه سازی در محیط های تصادفی ۴۱
۳-۵-۱ اثرات محیط آماری مرتبه ی اول ۴۱
۳-۵-۲ اثرات محیط آماری مرتبه ی دوم ۴۲

فصل ۴: تصویربرداری در حضور مانع ۴۶
۴-۱ مقدمه ۴۷
۴-۲ بررسی اثر پلاریزاسیون در وضوح تصویر ۴۷
۴-۲-۱ بررسی مد ۴۸
۴-۲-۲ بررسی مد ۴۹
۴-۳ تأثیر دیوار بتن مسلح و پارتیشن بندی در داخل اتاق بر TWI 53
۴-۳-۱ تأثیر دیوار بتن مسلح ۵۳
۴-۳-۲ تأثیر دیوار بتن مسلح و پارتیشن بر TWI 55
۴-۴ ردیابی اهداف متحرک در پشت دیوار ۵۵
۴-۵ نتیجه گیری ۵۹
۴-۶ تحقیقات آینده ۶۰
مراجع ۶۲

فهرست شکل ها
شکل (۱-۱) هندسه ی MWT 4
شکل (۲-۱) مرحله ی forward propagation 11
شکل (۲-۲) مرحله ی backpropagation 11
شکل (۲-۳) شبکه ی سه بعدی FDTD در الگریتم Yee 13
شکل (۲-۴) لایه های CPML استفاده شده در FDTD سه بعدی ۱۴
شکل (۲-۵) الف- محیط همگن با ( ). ب- محیط ناهمگن ( ). ت- محیط ناهمگن ( ). ث- محیط ناهمگن ( ) ۱۷
شکل (۲-۶) مشتق اول پالس BH در: الف- حوزه ی زمان، ب- حوزه ی فرکانس ۱۸
شکل (۲-۷) الف- محیط همگن. ب) محیط با دیواره های PEC 18
شکل (۲-۸) شکل موج سیگنال های متمرکز شده در نقطه ی منبع برای محیط آماری نوع اول ۱۹
شکل (۲-۹) شکل موج سیگنال های متمرکز شده در نقطه ی منبع برای محیط آماری نوع دوم ۲۰
شکل (۳-۱) عمل DORT 23
شکل (۳-۲) شمایل کلی بدست آوردن و بردار گردشی (در حالت نادیده گرفتن پراکندگی چندگانه بین پراکندکنندگان) ۲۶
شکل (۳-۳) برای پراکنده کننده های نقطه ای و کاملا مجزا، هر مقدار ویژه غیر صفر و بردار ویژه متناظر با آن در عملگر TRO به یک پراکنده کننده ی خاص در محیط مربوط می شود. به عبارتی هر بردار ویژه با بردار گردشی که پراکنده کننده را به آرایه آنتن وصل می کند، متناسب می باشد ۳۰
شکل (۳-۴) الف- مقادیر ویژه بر حسب فرکانس. ب- کلیه ی مقادیر ویژه در فرکانس ۱GHz 32
شکل (۳-۵) الف- تمرکز بر روی اولین پراکنده کننده. ب- تمرکز بر روی دومین پراکنده کننده. پ- تمرکز بر روی هر دو پراکنده کننده ۳۳
شکل (۳-۶) الف- نگارش تصویر با استفاده از بردار ویژه اول. ب- نگارش تصویر با استفاده از بردار ویژه دوم ۳۴ شکل (۳-۷) نگارش تصویر یک جسم گسترده با استفاده از عمل DORT 34
شکل (۳-۸) حالت های کاملا مجزا برای دو پراکنده گر با N=3. الف- کاملاً مجزا: هر بردار ویژه متناسب با یک بردار تابع. ب- غیر مجزا: بردارهای ویژه متناسب با جمع جبری چند بردار تابع گرین در فضای سیگنال می باشد ۳۵
شکل (۳-۹) نحوه ی قرار گرفتن پراکنده کننده های استوانه ای در محیط همراه با آنتن های آرایه وارون زمانی در حالت پراکنده کننده ای کاملاً مجزا ۳۸
شکل (۳-۱۰) الف- مکان یابی جسم با استفاده از روش TR-MUSIC در فرکانس مرکزی . ب- مکان یابی جسم با استفاده از روش TR-MUSIC برای کلیه ی فرکانس ها ۳۸
شکل (۳-۱۱) مکان یابی جسم در روش TR-MUSIC در فرکانس ۱GHz. ب- مکان یابی جسم در روش TR-MUSIC در فرکانس ۲GHz 39
شکل (۳-۱۲) مکان یابی جسم ها با استفاده از TR-MUSIC برای حالت غیر مجزا بودن پراکنده کنندگان دیگر در مجموع همه ی فرکانس ها ۴۰
شکل (۳-۱۳) نگارش تصویر یک جسم گسترده با استفاده از عمل TR-MUSIC 40
شکل (۳-۱۴) نحوه ی قرار گرفتن پراکنده کننده ها در محیط ناهمگن تصادفی با گذر دهی میانگین  ۴۱
شکل (۳-۱۵) نگارش تصویر با استفاده از TD-DORT، و برای مقدار ثابت . الف- ، ب- ، پ- ۴۲
شکل (۳-۱۶) نگارش تصویر با استفاده از TD-MUSIC، برای مقدار ثابت الف- ، ب- ، پ- ۴۳
شکل (۳-۱۷) نگارش تصویر با استفاده از TD-MUSIC، برای مقدار ثابت الف- ، ب- ، پ- ۴۴
شکل (۳-۱۸) نگارش تصویر با استفاده از TD-MUSIC، برای مقدار ثابت الف- ، ب- ، پ- ۴۵
شکل (۴-۱) هندسه مسأله TWL 48
شکل (۴-۲) تصاویر بدست آمده الف- با روش DORT. ب- یا روش TR-MUSIC 50
شکل (۴-۳) تصاویر بدست آمده با استفاده از روش DORT الف- برای cross-pol، ب- برای co-pol، پ- برای fully-polarimetric 51
شکل (۴-۴) تصاویر استخراج شده با استفاده از تکنیک TR-MUSIC الف- برای cross-pol، ب- برای co-pol، پ- برای fully-polarimetric 52
شکل (۴-۵) مقطع دیوار بتن مسلح ۵۳
شکل (۴-۶) تصاویر بدست آمده با روش TR-MUSIC برای دیوار بتن مسلح با تراکم های مختلف میله. الف- . ب- . پ- ۵۴
شکل (۴-۷) هندسه مسأله برای تصویربرداری پشت دیوار در حضور پارتیشن هایی در داخل اتاق ۵۵
شکل (۴-۸) تصویر تشکیل شده با TR-MUSIC برای دیوار بتن مسلح با تراکم های مختلف میله و اتاق پارتیشن بندی شده. الف- . ب- . پ- ۵۶
شکل (۴-۹) هندسه ی مسأله ی هدف متحرک ۵۷
شکل (۴-۱۰) تصویر تشکیل شده با MDM تفاضلی با استفاده از TR-MUSIC 58