Kanserin Erken Teşhisi İçin Yapısal Aydınlatma Tekniğine Dayanan Floresan Etiketlemeli On-Chip Görüntüleme Platformunun Geliştirilmesi

Abstract

Bu projede kanser hastalıklarının erken tanısında kullanılmak üzere yapısal aydınlatma tekniğine dayanan floresan etiketlemeli on-chip görüntüleme sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu görüntüleme platformu ile kan değişik türde ki bir ışık paterniyle hızlı bir şekilde taranmakta ve floresan boya ile etiketlenmesi yapılmış düşük yoğunluktaki kanser hücreleri tespit edilebilmektedir. Bu sistem, aydınlatma tekniği, görüntüleme yöntemi, optik tasarım ve kan analizi için biyo-kanal geliştirilmesi bakımından bir dizi yenilik içermektedir. Bu projede klasik aydınlatmanın (düzlem dalga) yerine Gauss ve Bessel gibi yeni türde yapısal ışık kaynakları kullanılmıştır. Bu ışık paternleri, kan gibi yoğun ve saçıcı ortamlarda kanser hücrelerine ulaşarak ışık aktarımını mümkün kılmaktadır. Bu platform, görüntüleme yöntemi açısından klasik sistemlerden farklı olup kan örneği direk olarak görüntüleme sensörü CCD (charge coupled device) üzerine konulmaktadır (On-Chip). Ayrıca görüntüleme platformlarının yaşadığı düşük Sinyal Gürültü Oranı (SNR) problemini çözmek için özel bir algoritmayla görüntünün iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Yapısal ışık paterninin üretilmesi ve kanın taranması, tasarladığımız optik bir sistem tarafından yapılmaktadır. Lazer uzamsal ışık modülatörüyle (UIM) modüle edilmekte ve özel algortimalar aracılığıyla ışık yapısal forma dönüştürülmektedir. Daha sonra bu ışık bir lens sistemi tarafından içinde kanın bulunduğu biyo-kanal üzerine aktarılmaktadır. Bu projede yüksek hacimde kanı (2 ml ye kadar) içine alabilen ve geniş yüzeyi sayesinde yaklaşık 9 cm2 lik bir alanda tarama yapmayı mümkün kılan tek kullanımlık ve maliyeti düşük bant temelli biyo-kanallar üzerinde çalışılmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu görüntüleme platformuyla etiketlemesi yapılmış değişik oranlardaki Beyaz Kan hücreleri ve K562 Kornik Myleoid Lösemi hücreleri kan içinde tespit edilmiştir. Son aşamada elde edilen sonuçlar klasik mikroskopla elde edilen deney sonuçlarıyla kıyaslanarak geliştirilen sistemin başarım oranı raporlanmıştır. Bu projede ayrıca, küresel, düzlem ve yapısal Gauss ışık kaynaklarının kan ve doku gibi biyolojik ortamlarda yayılması neticesinde ortaya çıkan ışık şiddeti salınımları (sintilasyon), zayıf türbülanslı yumuşak doku için formüle edilmiş ve doku uzunluğu, kırılma endeksindeki rastgele değişimler ve dalga boyu gibi parametrelere göre de kıyaslanmıştır.

In this project, fluorescent labeled On-chip imaging system based on structural illumination technique is developed to be used in the early detection of cancer diseases. With this developed imaging platform, blood is scanned in a fast manner by a different type light pattern and the low density cancer cells which are labelled by fluorescent dye are able to be detected. This system contains a number of innovations in terms of the development of illumination technique, imaging method, optical design and bio-channel for blood analysis. In this project, new types of structured light sources such as Gaussian and Bessel are used instead of classical illumination (plane wave). These light patterns make the transmission of light possible by reaching the blood cells in dense and scattering media such as blood and tissue. From the standpoint of imaging method, this platform is different from the conventional systems since the blood sample is directly placed directly on the imaging sensor CCD (charge coupled device) (On-Chip). Additionally, in order to solve the low Signal to Noise Ratio (SNR) problem that the imaging platforms experience, improvement of the image through a special algorithm is targeted. Generation of the light pattern and the scanning of the blood is being done by an optical system designed by us. Laser is modulated by a spatial light modulator (SLM) and the light is converted into structural form via special algorithms. Later, this light is transmitted by a lens system to the bio-channel on which there is blood. In this project, the work is performed on disposable and low cost, low band oriented bio-channels that can take large volume of blood (up to 2 ml) and due to its large surface can make scanning possible in an area of approximately 9 cm2, and its production is realized. White blood cells and K562 Kornik Myleoid Leukemia cells at different ratios that are labeled by this imaging platform, are viewed in the blood. The success ratio of the developed system is reported by comparing the results obtained at the last stage with experimental results obtained by the classical microscope. Also in this project, intensity fluctuations (scintillation) occurring as the result of propagation of spherical, plane and structural Gaussian light sources in biological media such as blood and tissue are formulated for weak tissue turbulence and compared versus the parameters like the tissue length, random variations in the refractive index and the wavelength.