Electrical impedance spectroscopy for breast tumor detection and analysis

The term "Bioimpedance" refers to the measure of impedance (meant as ratio between a voltage difference between two points and the current flowing through them due to the set voltage difference) of biological samples. Its values depend on stimulation frequency and on each factor that could affect the electrical features of tissue, like tissue's structure. Therefore measures of impedance performed at different frequencies, known as Electrical Impedance Spectroscopy (EIS), allow to discriminate different kinds of tissue and to detect tissue's parts in pathological conditions. The pathological condition taken in account for this thesis was cancer, which was considered in explanted breast samples. Breast cancer is one of the tumors that has been the subject of much research. In fact, current screening methods present some limitations, therefore lots of studies are focusing on the possibility of alternative methods. One of these could be bioimpedance measurement, although, at present, its level of accuracy is insuffcient for diagnostic applications. In this Master Thesis project Electrical Impedance Spectroscopy has been taken into account for differentiation between cancer and adipose tissue. The measurements were carried out with four needle electrodes configuration, in which external electrodes send current whereas the internal ones detect voltage difference. The aim of this thesis work is to provide the outcomes of a bio-impedencemeter (developed for a previous thesis in Politecnico di Milano [24]) application on ex-vivo breast cancer samples. The campaign started in December 2017 at Ente Ospedaliero Cantonale di Lugano, Switzerland, and ended in September 2019 with the collection of samples coming from 107 patients. The main purpose of this study was to evaluate the effectiveness of a minimally invasive procedure to discriminate healthy and pathologic human tissues based on their different electrical impedance proper- ties. The number of patients was chosen in order to obtain statistically significant results. Measurements were made in the range of frequencies 1 - 100 kHz, on explanted breast samples, just few minutes after they were surgically removed from the patient. After having identified the position of the tumor in the sample by touch, consecutive measurements were made on both tumoral and adipose tissues twice, in order to obtain data relative to two different positions of the same tissue. Moreover measurements of a physiological saline solution (0,9 % NaCl) were acquired to perform a normalization procedure on modulus values in order to compensate measurements' disturbances. The instrumentation was able to compute and transmit real and imaginary parts of the impedance together with the modulus and these data were manually saved in .txt files. The gathered data were processed on-line with the software MATLAB in order to obtain phase values. Measurements of tumoral parts and of the adipose ones of the provided surgical specimen were collected, ordered in tables and compared, by taking in account also factors like patient's age, tumor dimension and tumor kind. Statistical analysis was performed with Kruskal-Wallis tests implemented in MATLAB. Results showed that EIS with four electrodes configuration could be considered a good tool to distinguish between cancerous cells and physiological cells, especially by considering some frequencies rather than others according to the impedance parameter considered (modulus or phase), moreover both tumor and adipose tissues show significant differences in impedance also according patient's age and dimension and kind of the tumor. The performed analysis can be useful for the design of a new instrumentation, able to monitor on-line impedance's changes and to be applied directly in-vivo. This thesis is divided in four chapter: 1. the first Chapter is the Introduction, in which the physical principle of operation of the instrumentation is explained and the biological and medical context is described; 2. the second chapter is Materials and Methods, in which the software and hard- ware parts of the employed instrumentation are described as well as their limitations, the main features of the analysed patients' population are exposed together with the procedure of data management; 3. the third chapter is Results, in which the data are evaluated through representations and statistical analysis; 4. the fourth chapter is Conclusions, in which advices for instrumentation enhancements and for future applications are provided.

Il termine "Bioimpedenza" si riferisce alla misurazione dell'impedenza ( intesa come rapporto tra una differenza di potenziale elettrostatico tra due punti e la corrente che scorre tra di essi dovuta a tale tensione imposta) di campioni biologici. I suoi valori dipendono dalla frequenza di stimolazione e da ogni fattore che può influenzare le caratteristiche elettriche del tessuto, come la struttura del tessuto. Di conseguenza misure di impedenza eseguite a diverse frequenze, note come Spettroscopia di Impedenza Elettrica (EIS), consentono di discriminare diversi tipi di tessuto e di rilevare le parti del tessuto in condizioni patologiche. La condizione patologica considerata per questa tesi è il cancro, che è stato considerato in campioni di seno asportato. Il tumore al seno è uno dei tumori che è stato oggetto di molte ricerche. Infatti gli attuali metodi di visualizzazione presentano alcune limitazioni, perciò molti studi si stanno focalizzando sulla possibilità di usare metodi alternativi. Uno di questi potrebbe essere la misura di Bioimpedenza anche se, attualmente, il suo livello di accuratezza è insufficiente per applicazioni diagnostiche. In questo progetto di Laurea Magistrale la Spettroscopia di Impedenza Elettrica è stata considerata per la differenziazione tra tessuto cancerogeno e tessuto adiposo. Le misure sono state eseguite con la configurazione a quattro elettrodi ad ago, in cui gli elettrodi esterni mandano corrente mentre quelli interni rilevano la differenza di voltaggio. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di fornire i risultati dell'applicazione di un bio- impedenziometro (sviluppato per una precedente tesi al Politecnico di Milano [24]) su campioni di tumori al seno ex-vivo. La campagna è iniziata nel dicembre 2017 e si è conclusa nel settembre 2019 con la raccolta di campioni provenienti da 107 pazienti. Il principale scopo di questo studio è valutare l'efficacia di una procedura minimamente invasiva di discriminazione tra tessuti umani sani e patologici basata sulle loro diverse proprietà di impedenza elettrica. Il numero di pazienti è stato scelto in modo da ottenere risultati statisticamente significativi. Le misure sono state effettuate nel range di frequenze 1-100 kHz su campioni di seno espiantati, appena qualche minuto dopo la loro rimozione chirurgica dal paziente. Dopo aver identificato la posizione del tumore nel campione tramite il tatto, misure consecutive sono state eseguite sia sulla parte tumorale che su quella adiposa due volte, in modo da ottenere dati relativi a due diverse posizioni dello stesso tessuto. Inoltre misure di una soluzione fisiologica (0,9 % NaCl) sono state acquisite per eseguire una procedura di normalizzazione sui valori di modulo in modo da compensare i disturbi sulle misure. La strumentazione è in grado di calcolare e trasmettere le parti reali e immaginarie dell'impedenza insieme al modulo e questi dati sono stati manualmente salvati in file .txt. I dati raccolti sono stati processati on-line con il software MATLAB per ottenere valori di fase. Le misure delle parti tumorali e di quelle adipose dei campioni chirurgici forniti sono state raccolte, ordinate in tabelle e confrontate, tenendo in considerazione anche fattori come età del paziente, dimensione e tipo del tumore. Un'analisi statistica è stata eseguita con dei test di Kruskal-Wallis implementati in MATLAB. I risultati mostrano che la Spettroscopia di Impedenza Elettrica con la configurazione a quattro elettrodi può essere considerato un buon mezzo per distinguere cellule tumorali da quelle fisiologiche, specialmente considerando alcune frequenze piuttosto che altre a seconda del parametro di impedenza considerato (modulo o fase), inoltre sia i tessuti tumorali che quelli adiposi mostrano differenze significative in impedenza anche a seconda dell'età del paziente e della dimensione e del tipo di tumore. L'analisi eseguita può essere utile per la progettazione di una nuova strumentazione, capace di monitorare online i cambi di impedenza e di essere applicata direttamente in-vivo. Questa tesi si divide in quattro capitoli: 1. il primo capitolo è Introduction, in cui è spiegato il principio fisico di funzionamento della strumentazione ed è descritto il contesto biologico e medico; 2. il secondo capitolo è Materials and Methods, in cui sono descritte le parti hardware e software della strumentazione adoperata per le misure così come le loro limitazioni, sono esposte le principali caratteristiche dei pazienti analizzati insieme alla procedura di gestione dei dati; 3. il terzo capitolo è Results, in cui i dati raccolti sono valutati attraverso rappresentazioni e analisi statistiche; 4. il quarto capitolo è Conclusions, in cui sono forniti consigli e osservazioni per migliorare la strumentazione per future applicazioni.