Design of a portable monitor for real-time measurement of impedance in ex-vivo breast cancer tissues

Bioimpedance measurement is a mini-invasive technique used to evaluate the electrical properties of biological samples, from tens to Hz up to MHz. This is mainly used to study the characteristics of biological tissues, which are known to show different results according to the structure of composing cells. Based on these assumptions, bioimpedance measurements has been used to perform tissue characterization, mainly for studying tumors. Among the various studies performed in this field, breast cancer has a central role, mainly due to the high incidence of this pathology and limitations in screening techniques. The present thesis work has dealt with the design of a portable, autonomous device to be used to perform bioimpedance measurements (done with probes designed at Politecnico di Milano) on ex-vivo tumoral tissues, within a new research project developed in collaboration with Ente Ospedaliero Cantonale, Ticino, Svizzera. The device allows for a simple connection with the probe used for measurements, providing the user a real-time visualization of results obtained and their saving. In this way, a sort of full computer was developed, even if of a smaller size. Design of the device involved the choice of hardware components, as well as the design of a 3D case housing the different components; in addition, proper software was developed, in order to drive data acquisition and visualization. The device was then used to perform impedance measurements on tumor tissues after surgical excision. Reported data analysis represents a preliminary result, which was obtained analyzing data deriving from 13 biological samples, so as to evaluate the possibility to discriminate between tissues with different characteristics (tumor and fatty tissues). Obtained results are promising for the proceeding of the project; however, a more complete study will be required when more data will be available. In addition, possible future developments regard improvements in the probe design, as well as new tests for the validation of results obtained.

La bioimpedenza rappresenta una misura minimamente invasiva delle proprietà elettriche di un campione biologico, che possono essere acquisite da poche decine di Hz fino a decine di MHz e può essere utilizzata per studiare le caratteristiche dei tessuti viventi, dal momento che il suo valore risulta fortemente influenzato dalla struttura delle cellule componenti il tessuto in questione. Per questo motivo, la misura della bioimpedenza ha trovato negli anni ampia applicazione nell’ambito della caratterizzazione tissutale, in particolare nello studio dei tumori. Tra i vari studi in quest’ambito, sono particolarmente interessanti quelli riguardanti il tumore al seno: l'alta incidenza di questa patologia nella popolazione femminile e le carenze degli attuali metodi di screening, rendono la misura della bioimpedenza una possibile alternativa. Il presente progetto di tesi si è incentrato sulla realizzazione di un dispositivo portatile e autonomo che potesse essere utilizzato per effettuare misure di impedenza (realizzate tramite sonde precedentemente sviljuppate presso il Politecnico di Milano) in tessuti tumorali ex-vivo, nell’ambito di un progetto di ricerca sviluppato in collaborazione con Ente Ospedaliero Cantonale, Ticino, Svizzera. Lo strumento permette l’interfacciamento con la sonda usata per l’acquisizione, permettendo una visualizzazione real-time dei risultati ottenuti e il relativo salvataggio, fornendo quindi le potenzialità di un computer all’interno di un dispositivo più compatto. Il dispositivo è stato progettato sia in termini di componenti hardware, con la progettazione 3D di una scatola in grado di contenere tutti gli elementi, che per quanto riguarda il software in grado di gestire l’acquisizione e visualizzare i dati. Il dispositivo è stato poi utilizzato per effettuare misure di impedenza su espianti di tumore al seno. L’analisi dei dati riportati rappresenta un risultato preliminare, ottenuto analizzando i dati raccolti su 13 campioni biologici, al fine di valutare la possibilità di discriminare tra tessuti con caratteristiche diverse (tessuto tumorale e tessuto grasso). I risultati ottenuti sono incoraggianti per quanto riguarda il prosieguo del progetto, anche se sarà necessario uno studio più approfondito nel momento in cui più dati saranno disponibili. Inoltre, possibili sviluppi futuri potrebbero riguardare un miglioramento del design delle sonde e nuovi test per validare la bontà dei risultati ottenuti.