Development of multi-wavelength time-domain diffuse optical tomography for breast imaging

The experimental work conducted for this Master Thesis was based on the study of different aspects of the development of multi-wavelength time-resolved Diffuse Optical Tomography (DOT) for breast imaging, with a further insight on the application of ultrasound-derived a priori morphological information for enhancing the performances of imaging reconstruction. The dissertation reflects the main steps followed during the laboratory experience to cope with the multiple aspects of the project. The first chapter describes the theoretical background of Diffuse Optical Tomography, with a main focus on the radiative theory at its basis and on the fundamental picture of the inverse problem solution approaches adopted for the data analysis. In addition, a brief presentation of the ultrasound (US) technology closes the chapter. The second chapter is devoted to the results relative to the characterization of the optical properties of silicone and meat-based tissue phantoms, that are both used to test tomographic approaches in controlled experimental conditions. The first type was demonstrated to be suitable for combined DOT and US measurements, whereas the second the second kind of systems was validated to be adapt to replicate common breast tissue compositions and pathological structures properties. In the third chapter, the tomographic measurements are analysed for both phantom systems and with different purposes: the performances of the DOT routine, in the first case, and the potentiality of the multi-wavelength approach in the second case. The localization capability, together with the final image reconstruction were demonstrated to be improved by the adoption of prior information, whereas the quantification of the optical and structural parameters seemed to fail but still an evident positive contribution was provided by the US prior data even in these cases. Finally, the last chapter is devoted to the characterization of some instrument-related aspects: optical filter to remove ambient light when operating in clinics, and index matching gels for the real medical application of DOT on patients.

Il lavoro sperimentale condotto per la seguente tesi di Laurea Magistrale è stato rivolto allo studio di differenti aspetti relativi allo sviluppo di una tecnica per imaging della mammella di Tomografia Ottica Diffusa (Diffuse Optical Tomography, DOT) a molteplici lunghezze d’onda, nel dominio del tempo e con un ulteriore interesse all’utilizzo di informazioni morfologiche a priori derivate da misure ultrasonografiche, con l’obbiettivo di migliorare le performances della ricostruzione delle immagini. La tesi riflette i principali passi percorsi durante l’esperienza di laboratorio per affrontare i molti aspetti del progetto. Il primo capitolo descrive i fondamenti teorici della Tomografia Ottica Diffusa, con particolare attenzione alla teoria del trasporto radiativo alla base di essa e tracciando un quadro generale sui possibili approcci perseguibili in fase di analisi per la soluzione del problema inverso associato. Inoltre, a concludere il capitolo, vengono introdotti in breve i concetti fondamentali relativi alla tecnologia ad ultrasuoni (US). Il secondo capitolo è dedicato ai risultati del processo di caratterizzazione delle proprietà ottiche di fantocci per la simulazione di tessuti biologici realizzati in silicone e con carne animale: entrambi vengono utilizzati per testare i diversi approcci tomografici in condizioni sperimentali controllate. Il primo tipo di fantocci è stato dimostrato essere addatto a misure combinate DOT e US, mentre il secondo tipo è stato verificato essere utile a replicare la composizione dei più comuni tessuti del seno, oltre alle proprietà di alcune conformazioni patologiche. Nel terzo capitolo vengono analizzate le misure di tomografia condotte su entrambi i sistemi di phantom e con differenti finalità: nel primo caso, sono testate le performances generali della tomografia ottica, mentre nel secondo caso, l’obbiettivo è lo studio delle potenzialità di un approccio a molteplici lunghezze d’onda. Si dimostra che la capacità di localizzazione, insieme con l’aspetto finale della ricostruzione dell’immagine sono notevolmente migliorate grazie all’utilizzo delle informazioni a priori. Al contrario, la quantificazione dei parametri ottici e strutturali del sistema sembra, in generale, fallire; ciononostante, i dati morfologici estratti da misure US simulate contribuiscono positivamente anche per i suddetti aspetti della ricostruzione. Infine, l’ultimo capitolo è dedicato alla caratterizzazione di alcune componenti della strumentazione: filtri ottici per la rimozione della luce ambiente per un utilizzo in clinica, e gels ad accoppiamento d’indice di rifrazione in vista di una reale applicazione medica su pazienti della tomografia ottica diffusa.