Setup and in vivo validation of a time domain diffuse optics spectrometer for breast density estimate

Breast density is recognized as one of the most important risk factors in breast cancer development. Its estimate relies on the qualitative or quantitative analysis of x-ray mammograms, which are generally acquired within breast cancer screening programs. These programs are targeted at woman aged 50 or older, due to the risks involved in the use of ionizing radiation and to the low sensitivity of x-rays in the dense breast, which is typical in young woman. Diffuse optical imaging and spectroscopy are able to retrieve reliable estimates of the tissue constituent concentrations (water, lipids, collagen, blood), which have been proved to strongly correlate with the breast density as derived with traditional techniques. In this work, a portable, broadband, multi-distance diffuse optics spectrometer, operating in the time domain, is adapted for breast density measurements. Its performances are characterized through means of the MEDPHOT protocol, yielding satisfactory results in all 5 assays. Then, the feasibility of performing in-vivo measurements is confirmed with a study on 11 healthy volunteers and a measurement protocol is tested in view of a forthcoming clinical trial. The results of this laboratory study show the capability of the system and of the data analysis methods of retrieving reasonable tissue composition values across the whole range from seemingly low density to high density breasts. An intra-subject analysis between the 18 different acquisition configurations for each subject show good agreement with what is expected from the anatomy of the breast. This preliminary laboratory study serves as a foundation for the future clinical endeavour where optically derived tissue composition will be estimated after a sub-sampling of the acquired spectral (and, to a lower degree, spatial) information and correlated with mammographic breast density. This will allow to determine the minimal specifications required by a smaller, less complex device to be able to reliably estimate the density of the breast. Such a device, being relatively cheap and completely non-invasive, would allow for large scale screening and routine check-ups, also in young woman.

La densità del seno è riconosciuta come uno dei fattori di rischio più importanti nello sviluppo del cancro al seno. La sua stima si basa sull'analisi qualitativa o quantitativa delle mammografie a raggi X, che generalmente vengono acquisite nel contesto di un programma di screening. Questi programmi sono rivolti alle donne di età pari o superiore ai 50 anni, a causa dei rischi legati all'uso di radiazioni ionizzanti e a cause della scarsa sensibilità dei raggi X nel seno denso, tipico nelle donne giovani. L'imaging e la spettroscopia in ottica diffusa sono in grado di ottenere stime affidabili delle concentrazioni dei costituenti del tessuto, che si sono dimostrate essere fortemente correlate con la densità del seno ottenuta con tecniche tradizionali. In questo lavoro, uno spettrometro portatile di ottica diffusa, a banda larga e multi-distanza, che opera nel dominio del tempo, viene adattato per le misure di densità della mammella. Le sue prestazioni vengono caratterizzate mediante il protocollo MEDPHOT, fornendo risultati soddisfacenti in tutte e 5 le prove. Successivamente, la fattibilità delle misure in-vivo è confermata con uno studio su 11 volontarie sane e un protocollo di misura viene testato in vista di uno studio clinico imminente. I risultati di questo studio di laboratorio mostrano la capacità del sistema e dei metodi di analisi dati di ottenere valori di composizione del tessuto ragionevoli, su tutto il range da seni apparentemente poco densi a seni molto densi. Un'analisi intra-soggetto tra le 18 diverse configurazioni di acquisizione per ciascuna volontaria mostra una buona concordanza con quanto ci si aspetta dall'anatomia del seno. Questo studio di laboratorio preliminare serve come base per il futuro impiego clinico dello strumento in cui la composizione del tessuto derivata otticamente verrà stimata dopo un sotto-campionamento delle informazioni spettrali acquisite (e, in misura minore, delle informazioni spaziali) e poi correlata con la densità mammografica del seno. Ciò permetterà di determinare le specifiche minime richieste da un dispositivo più piccolo e meno complesso per stimare in modo affidabile la densità del seno. Un tale dispositivo, relativamente economico e completamente non-invasivo, consentirebbe uno screening su larga scala e controlli di routine, anche nelle donne giovani.