Development of a FMCW radar-based breast cancer diagnosis system

Microwave imaging for breast cancer detection has been widely studied as an alternative technique to the conventional X-ray mammography. The systems developed until now operate at frequencies below 10 GHz. This limits the achievable image quality. Higher operational frequencies are advantageous for achieving a better resolution, at the expense of a lower penetration depth. The goal of the thesis is to study the feasibility of using an integrated ultra-wideband frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar system operating at a center frequency of 20 GHz and bandwidth of 8 GHz for breast cancer imaging. A highly integrated radar sensor would allow to produce portable and cost-effective system solutions for breast cancer detection. System level considerations are developed to predict and assess the capability of the radar system to detect tumors. The tumor detectability highly depends on the range and cross-range resolutions of the system and on the achievable penetration depth. Numerical simulations are conducted to study the signal attenuation in breast tissue and first detection results are presented. The considerations here developed will be used by Infineon Tehnologies AG to design the 20 GHz FMCW radar transceiver.

L'imaging a microonde per la localizzazione del cancro al seno è stato ampiamente studiato come tecnica alternativa alla mammografia a raggi X. I sistemi sviluppati fino ad ora operano a frequenze inferiori ai 10 GHz e questo limita la qualità dell'immagine che può essere raggiunta. Frequenze operative più elevate sono vantaggiose per ottenere una risoluzione migliore, a scapito però di una profondità di penetrazione inferiore. L'obiettivo della tesi è quello di studiare l’effettiva possibilità di utilizzare un sistema radar integrato ad onda continua modulato in frequenza (FMCW) che opera ad una frequenza centrale di 20 GHz e una larghezza di banda di 8 GHz per l'imaging del cancro al seno. Un sensore radar altamente integrato consentirebbe infatti di produrre soluzioni portabili ed economiche per il rilevamento del cancro al seno. Vengono sviluppate considerazioni a livello di sistema per prevedere e valutare la capacità del sistema radar di rilevare i tumori. La possibilità effettiva di rilevare il tumore dipende in larga misura dalle risoluzioni in distanza e trasversale del sistema e dalla profondità di penetrazione raggiungibile. Vengono effettuate simulazioni numeriche per studiare l’attenuazione del segnale nel tessuto mammario e vengono presentati i primi risultati relativi all’identificazione del tumore. Le considerazioni sviluppate in questa tesi saranno quindi utilizzate da Infineon Technologies AG per progettare il ricetrasmettitore FMCW operante a 20 GHz.