Evaluating image analysis techniques for ultrasound optical tomography in breast tissue

Abstract

Breast cancer is the most commonly diagnosed cancer in the world today and
early detection is crucial to minimize the mortality. ”Ultrasound optical tomography” (UOT) is a method under development for deep tissue imaging. The
technique combines the resolution of ultrasound with the tissue contrast from
light to image optical absorption in tissues. This report presents simulations
analyzing how changing the light configuration can improve the imaging performance
as well as two reconstruction methods, relative and absolute absorption
reconstruction, to process the signal to be able to detect tumors. The simulations
were conducted using a simulated breast tissue sample with in vivo optical
parameters. The results indicated that a larger light-source can increase the
light power and improve the signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio.
Both reconstruction methods improved the readability compared to the raw signal.
The ratio reconstruction performed well in localizing the tumor but with
poor resolution while the absorption reconstruction revealed the tumor with high
resolution and contrast but the method also generated artifacts. In conclusion,
indications suggest that a larger light-source will improve the performance of
a UOT-system and the two reconstructions method can enhance the detection
capability of the signal but neither has a high enough performance to work on
its own at this stage and further developments are required.

Popular Abstract (Swedish)

Analys av Ultraljuds Optisk Tomografi som bildtagningsmetod

Bröstcancer är den idag vanligaste cancerformen och drabbar varje år fler än 2 miljoner kvinnor världen över. Chansen att överleva har ökat mycket de senaste årtiondena, mycket tack vare screening och tidig behandling, men fortfarande överlever inte var tionde drabbad i Sverige. En ny teknik för att i ett tidigt stadie kunna upptäcka små tumörer, som inte går att se med vanlig röntgen eller ultraljud, är “Ultrasound optical tomography” (UOT) som kombinerar ultraljud med laser för att kunna se små vävnadsförändringar inne i kroppen. Det är fortfarande några år innan tekniken är redo att börja användas på människor men man har gjort försök på vävnadsprover som ska efterlikna mänsklig vävnad och sett lovande resultat.

Att genomföra experiment kräver mycket tid och resurser och för att veta vilka experiment som bör utföras använder sig ofta forskare av simuleringsverktyg. I det här arbetet genomfördes simuleringar för att efterlikna komplexiteten av de olika vävnadstyper som finns inne i ett bröst. Undersökningar av hur bildtagningen med UOT kan utformas för att ge så bra bilder som möjligt utfördes också.

Den första delen av simuleringarna fokuserade på hur det inkommande ljuset ska distribueras för ge så mycket och tydlig signal som möjligt. Resultaten visade bland annat att en laser som sprider ljuset över en stor yta, och gör att man kan skicka in mer ljus på en gång, leder till att bilderna får mindre brus och att man får större möjlighet att skilja tumörerna från vanlig bröstvävnad.

Den andra delen av arbetet fokuserade på att utvärdera olika verktyg som kan användas när signalen från UOT-systemet analyseras. I den "råa" signalen som uppmäts vid en bildtagning är det nästan omöjligt att med blotta ögat se vad bilderna föreställer. Därför testades två matematiska metoder för att förtydliga bildinnehållet.
Den första metoden var att jämföra signalen från en bild på en tumör med signalen från en bild på vanlig bröstvävnad och dividera dessa signaler med varandra. På så sätt kan man framhäva skillnaderna och se var det finns intressanta områden i bilden med tumören. Metoden visade sig vara bra på att hitta tumören men den var inte så bra på att bestämma storleken på den.
Den andra metoden innebar också att jämföra signalen från bilden på tumören med signalen från en bild på bröstvävnad. I det här fallet testar man istället att lägga till en tumör i bilden på vanlig bröstvävnad och ser vad som händer med signalen. Genom att testa för flera digitala tumörer med olika placeringar så får man till slut en signal som liknar den från tumörbilden och då vet man var tumören fanns i originalbilden. Den här metoden var bra på att hitta och placera ut tumören men resultatet angav också att det fanns fler tumörer än som fanns i originalbilden.

Bröstcancer är trots pågående framsteg fortfarande ett stort problem, men UOT har potential att bli ett effektivt framtida verktyg för detektering av mindre tumörer. Detta examensarbete har visat några potentiella utvecklingsområden men också lyft några utmaningar som kommer med dessa lösningar.

• author: von Friesendorff, Henrik
• supervisor: Stefan Kröll; David Hill
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Utvärdering av metoder för bildanalys med ultraljuds-optisk tomografi i bröstvävnad
• course: BMEM01 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: ultrasound optical tomography, Monte Carlo light simulation, image reconstruction
• language: English
• additional info: 2023-02
• id: 9106638
• date added to LUP: 2023-02-17 15:40:08
• date last changed: 2023-02-20 09:00:56