Advanced

Look-up table based Monte Carlo inverse model as a tool to discover liver tumors

Andersson, Alexandra LU (2015) FYSK01 20151
Department of Physics
Abstract
Diffuse reflectance spectroscopy is a method that allows investigation of the chromophore composition of tissue. The objective is to explore if the composition can be used to determine whether the tissue is healthy or not. The measured diffuse reflectance is often modelled by a diffusion model. However, the diffusion model has some shortcomings, and therefore this project uses a Monte Carlo model to analyse the measured spectrum. In this thesis a look-up table based Monte Carlo inverse model is developed and compared to a diffusion model for measurements of ex vivo animal liver, in vivo human liver and measurements that investigate the effect of the probe pressure on the chromophore composition.
The results show that the Monte Carlo model... (More)
Diffuse reflectance spectroscopy is a method that allows investigation of the chromophore composition of tissue. The objective is to explore if the composition can be used to determine whether the tissue is healthy or not. The measured diffuse reflectance is often modelled by a diffusion model. However, the diffusion model has some shortcomings, and therefore this project uses a Monte Carlo model to analyse the measured spectrum. In this thesis a look-up table based Monte Carlo inverse model is developed and compared to a diffusion model for measurements of ex vivo animal liver, in vivo human liver and measurements that investigate the effect of the probe pressure on the chromophore composition.
The results show that the Monte Carlo model is a promising method, but in its present form in need of some improvements. The pressure measurements show that a higher pressure results in increased diffuse reflectance. This can be explained by the result of the MC model, but since there are only few studies in this area with contradictory results, no solid conclusions can be drawn from this study. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Cancer i olika sorters vävnad är allt vanligare i det moderna samhället. Beroende på var i kroppen tumörerna sitter kan de diagnostiseras med olika metoder. För att kunna diagnostisera tumörer i levervävnad krävs biopsier, vilket innebär att en bit av vävnaden med en misstänkt tumör plockas ut och
genomgår olika pateologiska undersökningar. Biopsier kan dessvärre ge oönskade bieffekter eftersom en bit av vävnaden avlägsnas, och är dessutom tidskrävande, vilket i sin tur gör dem dyra att utföra.
I vissa sammanhang som kräver direkt diagnostisk information kan optiska tekniker vara ett alternativ till biopsier, tex diffusreflektansspektroskopi som bygger på diffus reflektans av ljus i biologisk vävnad.
Idén är att sända in ljus med en... (More)
Cancer i olika sorters vävnad är allt vanligare i det moderna samhället. Beroende på var i kroppen tumörerna sitter kan de diagnostiseras med olika metoder. För att kunna diagnostisera tumörer i levervävnad krävs biopsier, vilket innebär att en bit av vävnaden med en misstänkt tumör plockas ut och
genomgår olika pateologiska undersökningar. Biopsier kan dessvärre ge oönskade bieffekter eftersom en bit av vävnaden avlägsnas, och är dessutom tidskrävande, vilket i sin tur gör dem dyra att utföra.
I vissa sammanhang som kräver direkt diagnostisk information kan optiska tekniker vara ett alternativ till biopsier, tex diffusreflektansspektroskopi som bygger på diffus reflektans av ljus i biologisk vävnad.
Idén är att sända in ljus med en optisk fiber i vävnaden, där ljuset antingen absorberas eller sprids, och sen samla upp resterna av ljuset med en annan optisk fiber. Eftersom tumörer och frisk vävnad
har olika uppsättningar och koncentrationer av kromoforer som exempelvis hemoglobin, ska frisk vävnad och tumörer kunna skiljas åt eftersom de olika kromoforerna absorberar och sprider ljus olika för olika
våglängder. De stora fördelarna med diffusreflektansspektroskopi är att metoden inte gör någon skada på vävnaden, den är snabb att utföra och är därför billig.
För att faktiskt kunna få ut någon information av den diffusa reflektansen, måste den analyseras med en passande analysmetod. Det finns flera metoder som kan användas, men några av dem, som exempelvis diffusionsmodellen, kräver förutsättningar som inte alltid uppfylls av biologisk vävnad eller den utrustning som används i dagsläget. Istället kan Monte Carlo-simuleringar vara en god idé. Tyvärr kan Monte Carlo-beräkningar ta alltför lång tid för att kunna användas direkt vid analysen, men det finns en smart genväg för att komma runt det problemet. Tanken är att en lookup-tabell av reflektansvärden för olika kombinatoner av absorption och spridning skapas av ett Monte Carlo program. Ett annat program skapar sedan våglängdsberoende kombinationer av absorptions och spridningskoefficienter, baserade på gissningar av bland annat koncentrationer av olika kromoforer. Dessa kombinationer matchas sedan med en ekvivalent kombination i lookup-tabellen, vilket gör att ett reflektansvärde kan plockas ut för olika våglängder. Det genererade spektrumet jämförs sedan med det spektrum som fås från mätningen under operationen, och om de inte skulle matcha kan gissningarna i det modellerade spektrumet uppdateras och ett nytt spektrum genereras inom någon sekund.
Om reflektansen för olika vävnadstyper är känd genom klininska studier, går det direkt att se på spektrumet om det är en tumör, skadad eller frisk vävnad som belyses. Vid en operation där kirurgen öppnar upp patienten, kan tumörerna då urskiljas omedelbart, istället för att patienten skulle behöva stängas och öppnas upp vid ett senare tillfälle, vilket
behövs vid diagnosering med hjälp av biopsier. Resultatet av Monte Carlo-modellen blir då att det krävs mindre tid, resurser, arbetsbörda för kirurgerna och lidande för patienterna. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Andersson, Alexandra LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20151
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
tumour, Diffuse reflectance spectroscopy, Look-up table, Forward model, Inverse model, Monte Carlo, liver
language
English
id
7584426
date added to LUP
2015-08-11 15:30:50
date last changed
2015-08-11 15:30:50
@misc{7584426,
  abstract     = {Diffuse reflectance spectroscopy is a method that allows investigation of the chromophore composition of tissue. The objective is to explore if the composition can be used to determine whether the tissue is healthy or not. The measured diffuse reflectance is often modelled by a diffusion model. However, the diffusion model has some shortcomings, and therefore this project uses a Monte Carlo model to analyse the measured spectrum. In this thesis a look-up table based Monte Carlo inverse model is developed and compared to a diffusion model for measurements of ex vivo animal liver, in vivo human liver and measurements that investigate the effect of the probe pressure on the chromophore composition.
The results show that the Monte Carlo model is a promising method, but in its present form in need of some improvements. The pressure measurements show that a higher pressure results in increased diffuse reflectance. This can be explained by the result of the MC model, but since there are only few studies in this area with contradictory results, no solid conclusions can be drawn from this study.},
  author       = {Andersson, Alexandra},
  keyword      = {tumour,Diffuse reflectance spectroscopy,Look-up table,Forward model,Inverse model,Monte Carlo,liver},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Look-up table based Monte Carlo inverse model as a tool to discover liver tumors},
  year         = {2015},
}