Breast cancer is one of the most common diseases among women all over the world. The screening technique is a X-ray mammography, which combined with other traditional techniques, such as magnetic resonance and ultrasound, is able to offer a good picture of the pathological situation. New and promising techniques are being developed that aim to overcome the limitations of traditional instruments. Microwave imaging is presented as a valid alternative or complementary technique to those already used in clinical settings. Through the use of radiation belonging to this band of the electromagnetic spectrum it is possible to obtain a good discrimination between healthy tissues and tissues affected by breast cancer. However, due to the low working frequency (usually some GHz), the resolution is not optimal, sometimes compromising the possibility of making an early diagnosis. To improve this aspect, the research line in which this thesis is inserted is based on the use of higher work frequencies; in particular, the proposed system has a central frequency of 30 GHz and a band of 22 GHz. The goal is to obtain images of breast cancer immersed in fat tissue. For the reconstruction of the images different beamforming algorithms have been implemented. The algorithms were first tested on models that simulate the electromagnetic behavior of a tumor target within the breast, for which a multi-static radar architecture was realized in both linear and circular configuration; later, in order to train the algorithms on more realistic cases in which noise factors are present, fat tissue phantoms have been created, having the same dielectric characteristics of ex-vivo human samples measured in the 0.5-50 GHz band. For the realization of the acquisition system two antennas with single-modal double-ridged truncated guide were used, linearly shifted in 10 different positions in order to simulate the behavior of a complete array. Finally, in order to test the ability of the system and the algorithms to recognize and reconstruct the images that show the presence of a target inside the phantom, a 4 mm metal sphere has been used, positioned at a certain depth. The results obtained confirmed the possibility of proceeding in this direction in order to improve a technique that proves to be a valid prospect for its use in the clinical field.
Il tumore al seno è una delle malattie più frequenti fra le donne in tutto il mondo. Attualmente la tecnica di screening maggiormente utilizzata per la diagnosi precoce della malattia è la Mammografia a raggi X, che unita ad altre tecniche tradizionali, come la Risonanza Magnetica e l’Ecografia, è in grado di offrire un buon quadro della situazione patologica. Sono in fase di sviluppo nuove e promettenti tecniche che mirano a superare i limiti degli strumenti tradizionali. L’imaging a Microonde si presenta come una valida alternativa o tecnica complementare a quelle già utilizzate in ambito clinico. Attraverso l’utilizzo di radiazioni appartenenti a questa banda dello spettro elettromagnetico è possibile ottenere una buona discriminazione fra tessuti sani e tessuti affetti da carcinoma mammario. Tuttavia, a causa della bassa frequenza di lavoro (solitamente di qualche GHz), la risoluzione non è ottimale, talvolta compromettendo la possibilità di fare diagnosi precoce. Per migliorare questo aspetto, il filone di ricerca in cui si inserisce questa tesi è basato sull'utilizzo di frequenze di lavoro più elevate; in particolare, il sistema proposto ha una frequenza centrale di 30 GHz e una banda di 22 GHz. L’obiettivo è quello di ottenere immagini di tumore al seno immerso in tessuto grasso. Per la ricostruzione delle immagini sono stati implementati diversi algoritmi di beamforming. Gli algoritmi sono stati testati in primo luogo su modelli che simulano il comportamento elettromagnetico di un target tumorale all’interno della mammella, per i quali è stata realizzata un’ architettura radar multi-statica in configurazione sia lineare che circolare; in seguito, al fine di allenare gli algoritmi su casi più realistici in cui sono presenti fattori di rumore, sono stati creati fantocci di tessuto grasso, aventi le medesime caratteristiche dielettriche di campioni umani ex-vivo misurati nella banda 0.5-50 GHz. Per la realizzazione del sistema di acquisizione sono state utilizzate due antenne con guida troncata mono-modale double-ridge movimentate in maniera lineare in 10 diverse posizioni al fine di simulare il comportamento di un array completo. Infine, per poter testare la capacità del sistema e degli algoritmi di riconoscere e ricostruire le immagini che mostrano la presenza di un target all’interno del fantoccio, è stata utilizzata una sfera metallica di 4 mm posizionata a una certa profondità. I risultati ottenuti hanno confermato la possibilità di procedere in questa direzione per poter migliorare una tecnica che si dimostra essere una valida prospettiva per il suo impiego in campo clinico.
Implementazione e test di algoritmi di beamforming per la ricostruzione di immagini diagnostiche ad onde millimetriche
CONFORTI, DANIELA
2017/2018
Abstract
Breast cancer is one of the most common diseases among women all over the world. The screening technique is a X-ray mammography, which combined with other traditional techniques, such as magnetic resonance and ultrasound, is able to offer a good picture of the pathological situation. New and promising techniques are being developed that aim to overcome the limitations of traditional instruments. Microwave imaging is presented as a valid alternative or complementary technique to those already used in clinical settings. Through the use of radiation belonging to this band of the electromagnetic spectrum it is possible to obtain a good discrimination between healthy tissues and tissues affected by breast cancer. However, due to the low working frequency (usually some GHz), the resolution is not optimal, sometimes compromising the possibility of making an early diagnosis. To improve this aspect, the research line in which this thesis is inserted is based on the use of higher work frequencies; in particular, the proposed system has a central frequency of 30 GHz and a band of 22 GHz. The goal is to obtain images of breast cancer immersed in fat tissue. For the reconstruction of the images different beamforming algorithms have been implemented. The algorithms were first tested on models that simulate the electromagnetic behavior of a tumor target within the breast, for which a multi-static radar architecture was realized in both linear and circular configuration; later, in order to train the algorithms on more realistic cases in which noise factors are present, fat tissue phantoms have been created, having the same dielectric characteristics of ex-vivo human samples measured in the 0.5-50 GHz band. For the realization of the acquisition system two antennas with single-modal double-ridged truncated guide were used, linearly shifted in 10 different positions in order to simulate the behavior of a complete array. Finally, in order to test the ability of the system and the algorithms to recognize and reconstruct the images that show the presence of a target inside the phantom, a 4 mm metal sphere has been used, positioned at a certain depth. The results obtained confirmed the possibility of proceeding in this direction in order to improve a technique that proves to be a valid prospect for its use in the clinical field.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/22117