Diffuse optical imaging and spectroscopy for breast cancer detection and risk assessment

The PhD thesis is devoted to the development and application of diffusive optical spectroscopy and imaging devices for diagnostic purposes in the biomedical field, with particular emphasis to the investigation of the breast tissue. Optical mammography is an interesting diagnostic tool which can provide information on breast tissue composition and related physiological parameters as well as tissue structure. A lot of interest in this diagnostic technique is at least in part due to its absolute non-invasiveness. A seven-wavelength time-resolved optical mammograph operating between 635-1060 nm was developed at the Physics Department of Politecnico di Milano. Time resolved measurements allow us a quantitative estimate of the absorption and scattering properties. Moreover, multi-wavelengths measurements could provide the concentration of the five main breast tissue constituents (oxy- and deoxy-hemoglobin, water, lipid and collagen) and the values of the physical parameters a and b, which represent the amplitude and scatter power respectively. Currently, the optical mammograph is involved in a clinical trial having two aims: the assessment of breast density and the lesion characterization. For the breast density assessment, results on 145 subjects on the direct correlation between mammographic density and tissue composition, in terms of all the main constituents (i.e., water, lipid and collagen) and the optical parameter b, as estimated from optical data, combining them in an optical index, are shown.For the second goal, a new perturbation model based on the calculation of the internal pathlength spent by photons inside the lesion volume, was developed and tested on some malignant lesions. For the first time, in this work, we performed an analysis to get the constituent concentration of the lesion in terms of all the main components of the breast tissue: blood, lipids, water and collagen. Preliminary results of the absorption variation between lesion and healthy tissue, on 18 patients, are presented. Regarding the tumor composition, some common features are observed, in most of the cases: an increase in the oxy- and deoxy-hemoglobin and in the water and collagen content, which are the main constituents involved in the onset and progression of the breast cancer. For this thesis work, new recipes based on the use of the main breast tissue constituents, water and lipids, to make phantoms mimicking the composition of the breast, are proposed and characterized in terms of optical properties for what concerns durability, homogeneity and repeatability.Moreover, it is also important in the optical field the development of devices able to work in a wide spectral range and at the same time having imaging capabilities in order to exploit their best advantage of being applied for different applications. Part of the thesis work was also devoted to the development of a new spectral imaging device to get spatial and spectral maps of the absorption and scattering spectra of different samples.

Il lavoro di tesi è focalizzato sulla caratterizzazione tessutale mammaria tramite uno strumento di mammografia ottica, realizzato al Politecnico di Milano, che lavora nel dominio del tempo con 7 lunghezze d’onda nella finestra spettrale 635-1060 nm. Una parte del lavoro di tesi riguarda l’acquisizione e l’analisi di mammogrammi ottici per uno studio clinico in collaborazione con l’Istituto Europeo di Oncologia (IEO), che ha due obiettivi principali: da un lato si vuole discriminare tra lesioni benigne e maligne, per ridurre il ricorso alle biopsie; mentre dall’altro si vuole valutare la densità mammaria, dato che un'alta densità è un riconosciuto fattore di rischio per lo sviluppo del tumore al seno. Mammogrammi ottici su 190 pazienti volontari sono stati acquisiti presso la struttura ospedaliera ospitante e sono stati analizzati per ottenere i parametri ottici di assorbimento e diffusione e le concentrazioni dei principali costituenti del tessuto mammario (emoglobina, acqua, lipidi, collagene). Per il primo obiettivo dello studio clinico, è stato sviluppato e applicato ai dati un nuovo modello perturbativo per la caratterizzazione delle lesioni. In particolare 20 lesioni sono state finora analizzate. Per il secondo obiettivo, la valutazione della densità ottica, è stata effettuata una correlazione tra una classificazione basata su immagini radiografiche (classificazione BI-RADS) e un indice ottico individuato sulla base dei dati analizzati a partire dalle concentrazioni dei costituenti e dei parametri fisici. I risultati mostrano una buona correlazione tra densità mammaria radiografica e ottica con buoni livelli di significatività. E' stata anche sviluppata una procedura di realizzazione e caratterizzazione di phantoms organici omogenei, abili a simulare il tessuto mammario in termini di composizione, la cui creazione e caratterizzazione è di interesse internazionale per la validazione delle prestazioni di sistemi per spettroscopia e imaging ottico. Sono stati anche realizzati phantoms organici disomogenei, abili a simulare il tessuto mammario con la presenza di una lesione interna. Infine una procedura automatica e ottimizzata per la scansione spaziale e spettrale è stata realizzata con lo scopo di ottenere dati 4D (tempo, lunghezza d’onda, scansione X e Y). Per l’analisi dei dati è stato sviluppato un nuovo schema di ricostruzione, basato sull’uso dell’informazione temporale, per ottenere mappe spaziali e spettrali con possibile applicazione diagnostica.