An application of diffuse optical tomography to breast cancer imaging : data analysis for the SOLUS project

The breast cancer is the most worldwide diffused type of tumour between women and nowadays the existing techniques for diagnosis and screening are not deal, as they may be affected by limited sensitivity and specificity, high costs or invasiveness. About that, the SOLUS project has the goal of developing an innovative multi-modal imaging instrument that, being not expensive and acting non-invasively, not needing common uncomfortable practices such as breast compression in X-ray mammography, helps in improving the diagnosis of this tumour reducing the need of further analysis such as the biopsy. This novel multi-modal instrument combines two ultrasound techniques with Diffuse Optical Tomography (DOT) and consists of eight modules, each one called optode which allows diffuse optics measurements at eight wavelengths. The Diffuse Optical Tomography is a promising technique that helps in retrieving the optical properties (absorption and diffusion) and distribution of the composition of the lesions and the breast tissue. So, it is suitable both to improve their characterization, namely the differentiation between benign and malignant tumours, and to monitor the evolution of following neoadjuvant therapy. Furthermore, a dedicated software has been developed to reconstruct optical tomographic images in a realistic scenario, that is a breast tissue with a cancer inside, both for simulations tests and future experimental or clinical tests. In this thesis work, a study of data analysis has been performed regarding the optical part of the SOLUS system and carried out through simulations to evaluate performance and capability of correctly reconstructing a simulated scenario. This has been accomplished to improve the reconstructions in the contest of simulations to best prepare the following tests which will be made both in laboratory and in clinical setting. This work is then performed to reconstruct both optical properties of the tissue and the lesion, namely the absorption and reduced scattering coefficients, and the concentrations of the main chromophores present in the breast necessary to evaluate the benign or malignant nature of the lesion, i.e. de-oxygenated haemoglobin, oxygenated haemoglobin, water, lipids and collagen. The main object of the study is the resolution of the inverse problem, which aims to retrieve the tissue parameters within the object. Particularly, due to its ill-posed nature, meaning that the solution may present issues of existence, unicity or stability, for its resolution it is necessary to introduce the regularization process that, adding some constraint in the final solution, allows to obtain stable solutions as approximation of the exact ones, generally unstable or incorrect. To this aim, two regularization methods, called Tikhonov 0 and Tikhonov 1, are used together with an adequate choice of the regularization parameter to compare differences and performance in improving the reconstructions. The Tikhonov 1 method turned out to be more recommended both regarding the improvement provided in the quality of the reconstructed images and in the errors it introduces in the results. The most critical results revealed, with respect to the theoretical values, the underestimations of the absorption coefficients and the higher underestimation of the composition of the malignant lesions with respect to the benign ones, which might hamper the discriminations between these two lesion types.

Il cancro al seno è la forma di tumore più diffusa nel mondo tra le donne e le tecniche odierne esistenti per la diagnosi e lo screening sono solitamente non trattabili poiché potrebbero essere affette da limitate sensitività e specificità, alti costi o invasività. Per questo motivo, il progetto SOLUS ha l’obiettivo di sviluppare uno strumento innovativo multimodale di visualizzazione che, essendo non costoso e agendo in maniera non invasiva, dal momento che non necessita di pratiche sconfortevoli comunemente usate come la compressione del seno nella mammografia a raggi X, aiuta a migliorare la diagnosi di questo tumore riducendo la necessità di ulteriori analisi come la biopsia. Questo nuovo strumento multimodale combina due tecniche agli ultrasuoni con la Tomografia Ottica Diffusa e consiste di otto moduli, ognuno dei quali è chiamato optodo e permette misure di ottica diffusa ad otto lunghezze d’onda. La Tomografia Ottica Diffusa è una tecnica promettente che aiuta ad ottenere le proprietà ottiche (assorbimento e diffusione) e la distribuzione della composizione delle lesioni e del tessuto mammario. Quindi, è adatta sia per migliorarne la caratterizzazione, ovvero la discriminazione tra tumori benigni e maligni, sia per monitorare l’evoluzione di una successiva terapia neoadiuvante. Inoltre, è stato sviluppato un software dedicato per ricostruire immagini tomografiche ottiche in uno scenario realistico, composto da un tessuto mammario con una lesione, sia per test eseguiti tramite simulazioni che per futuri test sperimentali o clinici. In questo lavoro di tesi, è stato eseguito uno studio di analisi dati riguardante la parte ottica del sistema SOLUS ed effettuato tramite simulazioni per valutare la performance e la capacità di ricostruire correttamente uno scenario simulato. Ciò è stato realizzato al fine di raffinare le ricostruzioni simulate per preparare al meglio i test seguenti che verranno eseguiti sia in laboratorio che in clinica. Tale lavoro viene quindi eseguito per ricostruire sia le proprietà ottiche del tessuto e delle lesioni, ovvero i coefficienti di assorbimento e di scattering ridotto, che le concentrazioni dei principali cromofori presenti nel seno necessari per valutare la natura benigna o maligna della lesione, ovvero emoglobina deossigenata ed ossigenata, acqua, lipidi e collagene. L’oggetto principale di tale studio è la risoluzione del problema inverso, il quale mira ad ottenere i parametri del tessuto all’interno dell’oggetto in esame. In particolare, a causa della sua natura mal posta, ovvero la soluzione potrebbe presentare problemi di esistenza, unicità e stabilità, per la sua risoluzione è necessario introdurre il processo di regolarizzazione il quale, aggiungendo un vincolo nella soluzione finale, permette di ottenere soluzioni stabili come approssimazione di quelle esatte, generalmente instabili o scorrette. A tal fine, vengono introdotti due metodi di regolarizzazione, chiamati Tikhonov 0 e Tikhonov 1, insieme ad una scelta adeguata del parametro di regolarizzazione per confrontare differenze e performance nel migliorare le ricostruzioni. Il metodo Tikhonov 1 si è rivelato più raccomandabile sia riguardo il miglioramento apportato alla qualità delle immagini ricostruite che riguardo gli errori introdotti nei risultati. I risultati più critici sono stati ritrovati, rispetto ai valori teorici, nelle sottostime dei coefficienti di assorbimento e nella maggiore sottostima della composizione delle lesioni maligne rispetto a quelle benigne, la quale potrebbe ostacolare la discriminazione tra questi due tipi di lesione.