A multiscale approach of phase-contrast tomography for breast imaging

Breast cancer is the most prevalent form of cancer among women worldwide, with an alarmingly rising prevalence. X-ray breast imaging techniques allow to assess the breast and its abnormalities. This work investigates the use of synchrotron x-ray imaging of breast tissues for radiological applications and virtual histology, demonstrating the potential value of phase-contrast imaging for medical diagnosis. X-ray propagation based phase-contrast (PhC) breast computed tomography (PB-bCT ) has demonstrated to be a powerful 3D imaging tool that improves the visibility of low contrast features in soft tissues with a radiation dose level comparable to a standard mammography. In this framework, the SYRMA-3D project at the Elettra synchrotron facility (Trieste, Italy) aims to develop and implement a clinical PB-bCT system. The presented results of the experiments in this context include an optimization of a dedicated reconstruction algorithm for optimal clinical image visualization, an assessment through an optical tracking method to compensate for patient motion artifacts in a free breast pendant geometry and a 3D thermoplastic breast immobilization system to potentially prevent breast motions during image acquisition. The multidisciplinary approach towards breast cancer management ranges from whole volume breast samples to biopsy samples analysis. Non-destructive 3D imaging at a micrometer scale is possible by employing PhC- micro CT. This thesis includes a section on the development of PhC micro-CT as a useful alternative for breast sample virtual histology (VH). Results establishing the PhC micro-CT parameters in VH are presented, along with a thorough comparison of the two methods to determine how well they complement one another. This research has made considerable developments in the evaluation of PhC-CT as a means for breast imaging in a multiscale approach, either for diagnosis purposes in full volume breast , or as a staging tool for biopsy samples, that may translate to a potential clinical setting.

Il cancro al seno è la forma di cancro più diffusa tra le donne in tutto il mondo, con una prevalenza in aumento allarmante. Le tecniche di imaging del seno a raggi X consentono di valutare il seno e le sue anomalie. Questo lavoro indaga l'uso dell'imaging a raggi X di sincrotrone dei tessuti del seno per applicazioni radiologiche e istologia virtuale, dimostrando il valore potenziale dell'imaging a contrasto di fase per la diagnosi medica. La tomografia computerizzata della mammella (PB-bCT) basata sulla propagazione dei raggi X a contrasto di fase (PhC) ha dimostrato di essere un potente strumento di imaging 3D che migliora la visibilità delle caratteristiche a basso contrasto nei tessuti molli con un livello di dose di radiazioni paragonabile a una mammografia standard. In questo quadro, il progetto SYRMA-3D presso la struttura di sincrotrone Elettra (Trieste, Italia) mira a sviluppare e implementare un sistema clinico PB-bCT. I risultati presentati degli esperimenti in questo contesto includono un'ottimizzazione di un algoritmo di ricostruzione dedicato per una visualizzazione ottimale dell'immagine clinica, una valutazione attraverso un metodo di tracciamento ottico per compensare gli artefatti da movimento del paziente in una geometria libera del pendente del seno e un sistema di immobilizzazione del seno termoplastico 3D per prevenire potenzialmente i movimenti del seno durante l'acquisizione delle immagini. L'approccio multidisciplinare alla gestione del cancro al seno spazia dai campioni di volume intero del seno all'analisi dei campioni bioptici. L'imaging 3D non distruttivo su scala micrometrica è possibile impiegando PhC-micro CT. Questa tesi include una sezione sullo sviluppo della PhC micro-CT come utile alternativa per l'istologia virtuale del campione mammario (VH). Vengono presentati i risultati che stabiliscono i parametri micro-CT PhC in VH, insieme a un confronto approfondito dei due metodi per determinare quanto bene si completano a vicenda. Questa ricerca ha fatto notevoli sviluppi nella valutazione della PhC-TC come mezzo per l'imaging mammario in un approccio multiscala, sia per scopi diagnostici nel seno a volume pieno, sia come strumento di stadiazione per campioni bioptici, che può tradursi in un potenziale contesto clinico .