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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-18012022-163306
Document
Auteur
Nom complet
Alexandre de Jesus Aragão
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van (Président)
Campo, Alexandre Brincalepe
Correra, Fatima Salete
Lins, Emery Cleiton Cabral Correia
Rittner, Letícia
Titre en anglais
Low-cost microwave imaging portable device for breast cancer detection.
Mots-clés en anglais
Breast cancer detection
Confocal algorithm
Dielectric constant
Microwave imaging
Ultra wideband radar
Resumé en anglais
This thesis aims at developing an impulse radar microwave imaging system applied for breast cancer detection. It proposes solutions focusing on realization of low-cost and portable system prototypes. At first, a breast dielectric tissues study is presented. The relevant dielectric constant difference between a tumor and internal breast tissues is simulated in a heterogeneous breast front-end scenario. A 5th derivative Gaussian pulse is applied to an antenna that illuminates the breast model. The reflected signals are collected from a scenario of 32-antenna positions, covering a 360-degree 2D environment. Microwave Imaging is performed using the Delay and Sum confocal algorithm. Into this issue, improvements are proposed to the algorithm, focusing on tumor borders definition and considering that the tumor is mostly located near the glandular tissue in the ductal region, displaced from the breast center. The algorithm robustness is demonstrated using waveform sets generated from numeric, simulated and experimental scenarios. Subsequently, a study of the power loss by the several breast layers is done, pointing a trade-off between operational frequency, tumor resolution and breast depth. A tissues loss scenario have been calculated and simulated. Using these results, a new antenna-breast medium is proposed concerned with dielectric coupling, mechanical flexibility, comfort and hygienic to the patient. Also based on these front-end studies, a phantom is made to mimic the internal breast tissues, using materials with dielectric properties near to the real ones. Finally, a Microwave Imaging role prototype and a handheld system are realized. A low-cost (US$ 150.00) Commercially Available Off-the-Shelf Impulse Radar Ultra Wideband transceiver platform is used to generate and collect the microwave signals. Firmware, software and communication protocol were developed to allow access to the platform via a Personal Computer. The system is mounted using both the proposed antenna-breast coupling and breast phantom. The prototype and handheld tests were performed in a 2D assembly, where backscattered signals were individually collected at 64 positions, and applied to the improved confocal algorithm. Prototype results showed good location precision, high contrast on tumors borders definition with minimum SCR of 2.17 dB and SMR of 13.68 dB. Furthermore, the handheld implementation resulting reconstructed images presented SCR and SMR above 6.00 dB and 28.00 dB, respectively, and tumor location precision below 0.3 cm. For the proposed hardware, considering an average 15.0 cm diameter breast phantom and a 6.4 GHz operational frequency, a 1.0 cm diameter tumor buried 3.0 cm depth in the breast was detected. These results showed the system feasibility which can be distributed in medical offices, stepping up the total of people with access to early breast cancer diagnosis.
Titre en portugais
Dispositivo portátil de imagiologia por micro-ondas de baixo custo para detecção de câncer de mama.
Mots-clés en portugais
Algoritmo confocal
Algoritmos
Constante dielétrica
Diagnóstico por imagem
Imagiologia por micro-ondas
Mama
Neoplasias
Radar de banda ultra larga
Resumé en portugais
Esta tese visa o desenvolvimento de um sistema de imagiologia médica por radar de impulso de micro-ondas para detecção do câncer de mama. Propõe soluções com foco na realização de protótipos de sistemas portáteis e de baixo custo. Inicialmente, é apresentado um estudo de características dielétricas dos tecidos mamários. A relevante diferença na constante dielétrica entre um tumor e os tecidos internos da mama é simulada em um cenário de mama heterogêneo. Um pulso da quinta derivada de uma Gaussiana é aplicado a uma antena que ilumina o modelo da mama. Os sinais refletidos são coletados de forma tomográfica em 32 posições, cobrindo um ambiente em 2D em 360 graus. A geração de imagens por micro-ondas é realizada usando o algoritmo confocal. Neste ponto são propostos aprimoramentos no algoritmo, com foco na definição de bordas do tumor e considerando sua localização próxima ao tecido glandular, na região ductal deslocada do centro da mama. A robustez do algoritmo é demonstrada usando conjuntos de formas de onda gerados a partir de cenários numéricos, simulados e experimentais. Em seguida, é realizado um estudo da perda de potência pelas várias camadas da mama, apontando um compromisso entre frequência operacional, resolução do tumor e profundidade da mama. Um cenário de perda nos tecidos é calculado e simulado. A partir desses resultados, um novo meio de acoplamento antena-mama é proposto com foco no acoplamento dielétrico, flexibilidade mecânica, conforto e higiene ao paciente. Baseado nos estudos do front-end, é construído um phantom que mimetiza os tecidos internos da mama, utilizando materiais com propriedades dielétricas próximas às reais. Finalmente, são montados um protótipo de função e sistema com manopla. Uma plataforma com um transceptor de radar por impulso de banda ultra larga, e de baixo custo (US$ 150,00) disponível comercialmente, é usada para gerar e coletar os sinais de micro-ondas. Firmware, software e protocolo de comunicação foram desenvolvidos para permitir o acesso ao hardware através de um computador pessoal. O sistema é montado usando o acoplamento antena-mama e o phantom propostos. Os testes do protótipo e do dispositivo foram realizados em uma montagem 2D, onde os sinais retroespalhados foram coletados individualmente em 64 posições, e aplicados ao algoritmo confocal aprimorado. Os resultados do protótipo mostraram boa precisão de localização, alto contraste na definição das bordas dos tumores com SCR mínimo de 2,17 dB e SMR de 13,68 dB. Os resultados com a manopla apresentaram SCR e SMR acima de 6,00 dB e 28,00 dB, respectivamente, e precisão de localização do tumor abaixo de 0,3 cm. Usando o hardware proposto num phantom de 15,0 cm de diâmetro com uma frequência operacional de 6,4 GHz, o sistema detectou um tumor de 1,0 cm de diâmetro a 3,0 cm de profundidade. Os resultados mostraram um sistema viável que pode ser distribuído em consultórios, melhorando o acesso ao diagnóstico precoce.
 
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Date de Publication
2022-01-18
 
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