Development and test of novel technologies and approaches for time-domain multi-wavelength breast imaging by diffuse optics

Breast cancer is the most common cancer and the leading cause of death for women. Conventional imaging techniques for assessing non-invasively the presence or status of a lesion (X-ray, MRI, US and PET) have some important drawbacks: low sensitivity on dense breasts, high cost, long examination time and the use of radioactive contrast agents. Optical Mammography (OM) is a promising imaging technique that could potentially answer to most of the clinical needs: it is cost- and time-effective, health-safe, reliable even on dense breasts, and provides physiological information linked to breast tissue composition. OM is a specific application of Diffuse Optics which describes light propagation in diffusive media such as biological tissues and its exploitation leads to the knowledge of breast tissue composition which is used for risk assessment, lesion nature identification, therapy monitoring and prediction of therapy outcome. This PhD thesis describes the activity on two instrumentations for time-domain (TD) multi-wavelength breast imaging by Diffuse Optics. The first instrumentation is a 7-wavelength optical mammograph developed in the years at Politecnico di Milano which has recently undergone a substantial upgrade of the entire detection chain with the aim to improve the quality of the signal and overall robustness of the detection chain, features that are essential in a clinical environment. The second instrumentation is being developed in the framework of the European project SOLUS and aims at combining Diffuse Optical Tomography (DOT) and US/Shear Wave Elastography (SWE) into a single hand-held probe to improve diagnosis capability and lesion identification. A great technological novelty relies in the compactness of the photonic devices for the DOT and the combination of DOT, US and SWE into a single instrumentation. Both the instrumentations embed important technological advances for photon harvesting and photon timing, namely Silicon Photomultipliers and Time-to-Digital converters, respectively. These novel approaches, if compared to typical Photomultipliers tubes and analogue timing boards, promote inexpensiveness, reliability and compactness. During this thesis, a big effort was made to acquire expertise and optimize these novel technologies. In particular, the optical mammograph has undergone a complete phantom-based characterization following performance assessment protocols. The obtained good results were followed by a preliminary in vivo validation in view of a forthcoming clinical study at the San Raffaele Hospital, Milan. The SOLUS system architecture and tomography reconstruction software was validated on a three-step process with growing complexity: from simulations to silicone phantom measurements and finally to meat phantom measurements.

Il cancro al seno è il tumore più comune e la principale causa di morte (per tumore) tra le donne. Le tecniche di imaging convenzionali per la valutazione non invasiva della presenza o della natura di una lesione (radiografia, risonanza magnetica, ecografia e PET) presentano alcuni importanti inconvenienti: bassa sensibilità sul seno denso, costo elevato, lunghi tempi di esame e uso di agenti di contrasto radioattivi. La Mammografia Ottica è una promettente tecnica di imaging che potrebbe rispondere alla maggior parte delle esigenze cliniche: è una tecnica a basso costo, sicura per la salute, affidabile anche sul seno denso e fornisce informazioni fisiologiche legate alla composizione del tessuto mammario. La Mammografia Ottica è un'applicazione specifica dell'ottica diffusiva la qualche descrive la propagazione della luce in mezzi diffusivi come i tessuti biologici. Tramite la mammografia ottica è possibile quantificare la composizione del tessuto mammario: questa viene utilizzata per la valutazione del rischio di sviluppare il tumore al seno, l'identificazione della natura della lesione, il monitoraggio e la previsione dell'esito della chemioterapia. Questa tesi di Dottorato descrive l'attività svolta su due strumentazioni per l'imaging del seno a multi-lunghezza d’onda e che lavorano nel dominio del tempo (TD). La prima strumentazione è un mammografo ottico a 7 lunghezze d'onda sviluppato negli anni presso il Politecnico di Milano. Recentemente ha subito un sostanziale aggiornamento dell'intera catena di rilevazione con l'obiettivo di migliorare la qualità del segnale e la robustezza complessiva della catena di rilevazione stessa, caratteristiche che sono essenziali in un ambiente clinico. La seconda strumentazione è in fase di sviluppo nell'ambito del progetto europeo SOLUS e mira a combinare la tomografia ottica diffusa (DOT), l’ecografia e l'elastografia Shear Wave (SWE) in un'unica sonda manuale per migliorare la capacità di diagnosi e l'identificazione delle lesioni. La grande novità tecnologica si basa sulla compattezza dei dispositivi fotonici per la DOT e la combinazione di DOT, ecografia e SWE in un'unica strumentazione. Entrambe le strumentazioni incorporano importanti progressi tecnologici per la raccolta di fotoni e la misura del loro tempo di arrivo: rispettivamente, i Silicon Photomultipliers (SiPMs) e le schede di temporizzazione digitali (Time-to-Digital converters - TDCs). Questi nuovi approcci, se confrontati con i tipici tubi fotomoltiplicatori e le schede di temporizzazione analogiche, promuovono economicità, affidabilità e compattezza. Durante questa tesi, è stato fatto un grande sforzo per acquisire competenze e ottimizzare queste nuove tecnologie. In particolare, con il mammografo ottico è stata eseguita una caratterizzazione completa basata su fantocci (che simulano le proprietà ottiche del tessuto) per la valutazione delle prestazioni. I buoni risultati ottenuti sono stati seguiti da una preliminare validazione in vivo in vista di un prossimo studio clinico presso l'Ospedale San Raffaele di Milano. L’architettura del sistema SOLUS e il software di ricostruzione della tomografia sono stati validati tramite un processo in tre fasi con crescente complessità: dalle simulazioni alle misurazioni su fantocci di silicone e infine alle misurazioni su fantocci di carne.