Imaging of electromagnetic and elastic properties of the breast tissue can be used to identify cancerous regions in the dense fibro glandular breast tissue at the early stage. Numerical simulations are useful in predicting the performance of the imaging method. In Harmonic Motion Microwave Doppler Imaging Method (HMMDI), tissue is vibrated locally, microwave signals illuminate the tissue and the back scattered Doppler signal component is used to form images. In this thesis, forward problem of HMMDI method is solved with various numerical tissue models using the 3-D (Three dimensional) Finite Difference Time Domain (FDTD) method. In the forward problem solution, mechanical and electromagnetic problems are examined separately. In the mechanical problem, the acoustic radiation force of amplitude modulated focused ultrasound waves is used to produce local vibrations inside the tissue. According to mechanical simulation results, displacement values in tumor region are smaller compared to the breast tissue region as expected and increasing frequency decreases the displacement values. In electromagnetic problem, transmitter antenna sends a monochromatic signal during focused ultrasound excitation, and a receiver antenna is used to receive the amplitude and phase modulated reflected signal.In the forward problem calculations, computation speed is an important issue since a large number of iterations (>1000) is needed in the FDTD solution. In this thesis, the forward problem is solved with parallel programming in Matlab. 19 times acceleration is achieved when GPU is employed compared to CPU case.Using the developed simulation tools, the received HMMDI signal is analyzed using three types of breast tissue models. Firstly, tumor inside a homogenous breast tissue problem is solved. The received Doppler signal amplitude increases in the tumor region in this case. In the second type, a tumor is located inside the fibro glandular tissue. Tumor and fibro glandular tissue have the same electrical properties but their mechanical properties are different. The received Doppler amplitude decreases in tumor region, since tumor is stiffer. In the third case, a tumor in realistic breast tissue model is tested. Simulations are run with and without the tumor in the breast tissue. The results show that the Doppler signal levels change in the tumor region by 0.5 to 2 dB, compared to the case without the tumor. The difference in the Doppler signal amplitude increase with decreasing mechanical vibration frequency. In conclusion, the tumor is detectable in all cases.

Meme dokusunun elektromanyetik ve elastik özelliklerinin görüntülenmesi, erken evrede yoğun fibro glandüler meme dokusunda kanserli bölgeleri tanımlamak için kullanılabilir. Sayısal simülasyonlar görüntüleme yönteminin performansını öngörmede faydalıdır. Harmonik Hareketli Mikrodalga Doppler Görüntüleme Metodu'nda (HMMDI) doku lokal olarak titreştirilir, mikrodalga sinyalleri dokuyu aydınlatır ve geri dağılmış Doppler sinyal bileşeni görüntüleri oluşturmak için kullanılır. Bu tezde HMMDI yönteminin ileri problemi, 3-D (Üç boyutlu) Zamanda Sonlu Farklar Metodu (FDTD) kullanılarak çeşitli sayısal doku modelleriyle çözülmüştür. İleri problem çözümünde mekanik ve elektromanyetik problemler ayrı ayrı incelenmiştir. Mekanik problemde, genlik modülasyonlu odaklanmış ultrason dalgalarının akustik radyasyon kuvveti doku içinde yerel titreşimler üretmek için kullanılır. Mekanik simülasyon sonuçlarına göre tümör bölgesindeki yer değiştirme değerleri beklenildiği gibi göğüs dokusu bölgesine göre daha küçüktür ve artan frekansın yer değiştirme değerlerini azalttığı gözlemlenmiştir. Elektromanyetik problemde, odaklanmış ultrason uyarımı sırasında verici anteni monokromatik bir sinyal gönderir ve genlik ve faz modülasyonlu yansıyan sinyali almak için bir alıcı anten kullanılır.İleri problem hesaplamalarında, FDTD çözümünde çok sayıda tekrarlamaya (>1000) ihtiyaç duyulduğundan hesaplama hızı önemli bir konudur. Bu tezde ileri problem Matlab'da paralel programlama yöntemleri ile çözülmüştür. CPU kullanımına kıyasla GPU kullanıldığında 19 kat hızlanma elde edilmiştir.Geliştirilen simülasyon araçlarını kullanarak alınan HMMDI sinyali üç tip meme dokusu modeli üzerinde analiz edildi. İlk olarak, homojen bir meme dokusundaki tümör problemi çözüldü. Alınan Doppler sinyal genliği bu durumda tümör bölgesinde artmıştır. İkinci doku tipi örneğinde fibro glandüler içindeki tümör tespit edilmeye çalışılmıştır. Tümör ve fibro glandüler doku aynı elektriksel özelliklere sahiptir ancak mekanik özellikleri farklıdır.Tümör bölgesi daha sert olduğu için alınan Doppler genliği bu bölgede azalır. Üçüncü durumda gerçekçi meme dokusu modelinde tümör tespit edilmeye çalışılmıştır. Simülasyonlar meme dokusunda tümör varken ve yokken tekrarlanmıştır. Sonuçlar Doppler sinyal seviyelerinin tümör bölgesinde tümörsüz duruma göre 0.5 ile 2 dB değiştiğini göstermektedir. Doppler sinyal genliğindeki fark mekanik titreşim frekansı azaldığında artmıştır. Sonuç olarak tüm durumlarda tümör tespit edilmiştir.