Optimization strategies of a broadband diffuse optics spectroscopy system for the clinical assessment of breast density

The interaction of light with human tissue can be exploited to study its composition and structures. Breast density, namely the prevalence of fibro-glandular tissue with respect to the entire volume, is recognized as a major risk factor for breast cancer, but nowadays it can only be assessed with X-ray mammography. The group of Department of Physics, Politecnico di Milano [P. Taroni et al.], has obtained positive results through the optical estimate of tissue composition. This was achieved performing measurements at 7 wavelengths (635-1060nm), chosen on the basis of the most significant absorbance peaks of the tissue constituents, but neither the number nor spectral positions have ever been optimized. In addition, imaging capabilities are not needed for breast density assessment, while short measurement times are an issue. Furthermore, the clinical scenario has emphasized the necessity to perform not only fast and complete measurements, but also with the lowest impact on women. Optical mammographic acquisitions, currently performed in transmittance mode, require compression of the breasts: the prospect of performing measurements in reflectance geometry, similarly to ultrasounds examinations, would be more alluring for both doctors and women and represents the future in breast density screenings. The present thesis targets the introduced issues, investigating optimized solutions for a portable broadband timed-resolved diffuse optical spectrometer for clinical breast density assessment. In the first part of the work, a method for speeding up the standard procedure of photon attenuation in spectral acquisitions was designed, implemented and validated. In the second part, a preliminary study on phantoms was performed, in order to compare transmittance and reflectance geometries and determine the effectiveness of reflectance acquisitions in the characterization of the average optical properties of breast tissue.

L'interazione della luce con i tessuti umani può essere sfruttata per studiarne la composizione e le strutture. La densità del seno, cioè la prevalenza di tessuto fibro-ghiandolare rispetto all'intero volume, è stata riconosciuta come un importante fattore di rischio per il cancro al seno, ma ad oggi può essere valutata solo con la mammografia a raggi X. Il gruppo del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano [P. Taroni et al.] ha ottenuto risultati positivi attraverso la stima ottica della composizione del tessuto mediante un sistema ottico mammografico. Questa è stata possibile eseguendo misure a 7 lunghezze d'onda (635-1060nm), scelte sulla base dei picchi di assorbimento dei principali costituenti, tuttavia non era mai stato ottimizzato finora né il numero né la posizione spettrale. Inoltre, non è necessario sfruttare le caratteristiche dell’imaging per valutare la densità del seno, mentre avere dei tempi di misura brevi lo è. Per di più, lo scenario clinico ha sottolineato la necessità di eseguire misure che siano non solo veloci e complete, ma anche a basso impatto sulle donne. Attualmente le acquisizioni di mammografia ottica vengono eseguite in trasmittanza e richiedono la parziale compressione del seno: la prospettiva di poter effettuare misure in riflettanza, in modo del tutto simile agli ultrasuoni, è particolarmente interessante e rappresenta il futuro nella valutazione clinica della densità del seno. Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di indagare soluzioni sperimentali di ottimizzazione per un sistema portatile di spettroscopia ottica risolta in tempo e ad ampio spettro per la stima della densità mammaria. In particolare, nella prima parte del lavoro è stato progettato, realizzato e validato un metodo per ottimizzare i tempi di esecuzione della procedura standard di attenuazione fotonica, in acquisizioni di tipo spettrale. Nella seconda parte è stato eseguito uno studio preliminare su phantom per il confronto di misure in trasmittanza e riflettanza per determinare l’efficacia delle ultime nella caratterizzazione delle proprietà ottiche medie del tessuto mammario.