MICROWAVE IMAGING OF BIOLOGICAL TISSUES : applied toward breast tumor detection

Microwave imaging is an efficient diagnostic modality for non-invasively visualizing dielectric properties of non-metallic bodies. An increasing interest of this field has been observed during the last decades. Many application areas in biomedicine have been issued, recently the breast tumor detection application using microwave imaging. Many groups are working in the field at the moment for several reasons. Breast cancer is a major health problem globally for women, while it is the second most common cancer form for women causing 0.3 % of the yearly female death in Sweden. Medical imaging is considered as the most effective way of diagnostic breast tumors, where X-ray mammography is the dominating technique. However, this imaging modality still suffers from some limitations. Many women, mostly young ones, have radiographically dense breasts, which means that the breast tissues containing high rates of fibroglandular tissues. When the density is very similar to the breast tumor and the diagnosis is very difficult. In this case alternative modalities like Magnetic Resonance Imaging (MRI) with contrast enhancement and Ultrasound imaging are used, however those are not suitable for large scale screening program. Another limitation is the false-negative and false-positive rate using mammography, in general 5–15 % of the tumors are not detected and many cases have to go though a breast biopsy to verify a tumor diagnosis. At last the mammography using breast compression, sometimes painful, and utilizing ionizing X-rays. The big potential in microwave imaging is the reported high contrast of dielectric properties between fibroglandular tissues and tumor tissues in breasts and that it is a non-ionizing method which probably will be rather inexpensive. The goal with this work is to develop a microwave imaging system able to reconstruct quantitative images of a female breast. In the frame of this goal this Licentiate thesis contains a brief review of the ongoing research in the field of microwave imaging of biological tissues, with the major focus on the breast tumor detection application. Both imaging algorithms and experimental setups are included. A feasibility study is performed to analyze what response levels could be expected, in signal properties, in a breast tumor detection application. Also, the usability of a three-dimensional (3D) electromagnetic-wave simulator, (QW3D), in the setup development is investigated. This is done by using a simple antenna setup and a breast phantom with different tumor positions. From those results it is clear that strong responses are obtained by a tumor presence and the diffracted responses gives strong information about inhomogeneities inside the breast. The second part of this Licentiate thesis is done in collaboration between Mälardalen University and Supélec. Using the existing planar 2.45 GHz microwave camera and the iterative non-linear Newton-Kantorovich code, developed at Département de Recherches en Électromagnétisme (DRE) at Supélec, as a starting point, a new platform for both real-time qualitative imaging and quantitative images of inhomogeneous objects are investigated. The focus aimed to breast tumor detection. For the moment the tomographic performance of the planar camera is verified in simulations through a comparison with other setups. Good calibration is observed, but still experimental work concerning phantom development etc. is needed before experimental results on breast tumor detection may be obtained. Swedish Summery – Sammanfattning Mikrov̊agsavbildning är en effektiv metod att avbilda en ickemetallisk kropps dielektriska egenskaper. Detta forskningsomr̊ade har f̊att ett ökat intresse under de senaste decennierna, många tänkbara medicinska tillämpningar har studerats och nu senast bröstcancerdetektion med hjälp av mikrov̊agsavbildning. Det är av flera anledningar som denna applikation är intressant. Bröstcancer är ett stort hälsoproblem för kvinnor globalt, där 0,3 % av de årliga dödsfallen för kvinnor i Sverige är i korrelation till bröstcancer. Medicinsk avbildning är den effektivaste metoden att diagnostisera bröstcancer, där mammografin är den dominanta tekniken. Trots det s̊a har tekniken vissa brister. Många kvinnor, speciellt yngre, har höga halter av fiber och körtel vävnad, dessa vävnader har liknande densitet som tumörer s̊a diagnostiken blir väldigt sv̊ar. Alternativa tekniker i detta fall är Magnetresonanstomografi (MRI) med tillfört kontrastmedel och Ultraljud. Dessa tekniker är dock inte ansedda som lämpliga i storskalig brästcancerscreenings program. En annan svaghet är felfrekvensen i diagnostiken, b̊ade negativ och positiv, uppskattningsvis s̊a blir 5–15 % av cancerfallen inte upptäckta och m̊anga g̊anger m̊aste bröstbiopsi användas för att diagnostisera en bröstcancer. Till sist, mammografin använder sig av l̊aga halter av joniserande str̊alning och kräver bröstkompression, vilket är smärtsamt i vissa fall. Den stora potentiella möjligheten för mikrov̊agsavbildning är den höga kontrasten för dielektriska egenskaperna mellan bröstets fiber och körtel vävnader jämfört med tumören och att ingen joniserande str̊alning används. Troligen skulle denna teknik även vara ett relativt billigt alternativ. Målet med detta arbete är att utveckla ett avbildningssystem för mikrov̊agor där ett kvinnobröst kan avbildas kvantitativt. Denna avhandling täcker vissa delar av detta m̊al med början i en översikt över p̊ag̊aende forskning inom omr̊adet, med fokus p̊a brösttumörsdetektion. B̊ade algoritmer och fullständiga experimentella system behandlas. En inledande studie behandlas med fokus p̊a vilken signal respons man kan vänta sig av vid bröstcancerdetektion med mikrov̊agor. Användbarheten av en elektromagnetisk v̊agsutbredningssimulator (QW3D) vid utveckling och analys av experimentella uppställningar undersöks. Till detta användes en enklare antennuppställning tillsammans med en brästfantom där tumören kan placeras i olika positioner. Resultatet visar att en tumör ger stark signal respons och att diffraktionen ger information om inhomogeniteter inuti bröstet. Andra delen av avhandlingen är gjord i ett samarbete mellan Mälardalens högskola och Supélec, Paris. Genom att använda den existerande 2,45 GHz planv̊agskameran tillsammans med den iterativa och olinjära Newton-Kantorovich koden, utvecklade vid Département de Recherches en Électromagnétisme (DRE) Supélec som en start punkt, kan en ny plattform för undersökning av inhomogena objekt tas fram. Där b̊ade kvalitativavbildning i realtid och kvantitativavbildning kan användas med en fokus mot detektion av bröstcancer. Planv̊agskameran p̊avisar god tomografisk förm̊aga i simuleringar, i en jämförelse med andra uppställningar. Bra kalibrering har åstadkommits mellan algoritmen och experimentella uppställningen, men fortfarande krävs en del arbete runt den experimentella uppställningen och bröstfantomen för att experimentella resultat av bröstcancerdetektion ska kunna uppn̊as.