ultraMAMMA II - Dynamic UWB microwave imaging for breast cancer detection
Final Report Abstract
In der zweiten Projektphase wurden im Rahmen zweier Arbeitspakete zwei inhaltliche Schwerpunktthemen adressiert, zum einen die Durchführung von ersten realen Messungen anhand von Probandinnen und Patientinnen zu einer rein nativen UWB-Bildgebung der Brust und zum anderen die Weiterentwicklung und experimentelle Analyse eines kontrastbildenden, dynamischen Verfahrens zur Brustkrebsdetektion auf der Basis magnetischer Nanopartikel (MNP), um langfristig die Detektion suspekter Herde, insbesondere in dichtem Brustgewebe, zu verbessern. Im Arbeitspakt 1 wurde ein klinischer Messplatz zur nativen UWB-Mikrowellenbildgebung entwickelt, aufgebaut und in einer am Universitätsklinikum Jena durchgeführten Machbarkeitsstudie erfolgreich eingesetzt. Anhand von 30 rekrutierten Probandinnen (davon 13 Patientinnen mit Brustkrebsbefund) konnten erste praktische Erfahrungen mit realen Messdaten gewonnen werden. Ein vollumfänglich guter Kontakt der Brust mit der Brustmulde konnte als entscheidende Voraussetzung für eine auswertbare UWB-Bildgebung festgestellt werden. Daraus folgt, dass in zukünftigen Studien der Hautkontakt vor der eigentlichen Messung zu prüfen ist, um ggfs. die Brust noch einmal neu in der Brustmulde zu platzieren. Es kann konstatiert werden, dass es mit unserem Messaufbau gelang, bei ausreichend guter Signalqualität in symptomatischen Brüsten die vorhandenen Läsionen korrekt zu lokalisieren. Dies konnten wir bisher nur an Phantomen und Läsionsimitaten zeigen. Des Weiteren konnten wir erste Erfahrungen bei der Konturierung gesunder Brüste sammeln. Zur Evaluierung von im UWB dargestellten Reflexionen diente das Mamma-MRT, wobei beide 3D-Rekonstruktionen schichtweise miteinander verglichen wurden. Hierbei zeigte sich, dass auch im UWB der gesunden Brust hohe Bildamplituden auftreten können, die eine Klassifizierung in „unauffällig“ vs. „suspekter Befund“ derzeit noch erschweren und weitere Untersuchungen erfordern. Im Arbeitspaket 2 wurde ein experimenteller Messaufbau zur MNP-basierten Kontrastanhebung der UWB-Bildgebung weiterentwickelt. Die magnetische Modulation funktioneller, intravenös verabreichter und im Tumor angereicherter MNP gestattet eine differentielle Signalerfassung / Bildgebung, die sowohl den Kontrast zwischen tumorösem und gesundem Gewebe anhebt als auch die notwendige Eliminierung des Antennenübersprechens vereinfacht. Grundlegende experimentelle, zur Etablierung dieser Methode notwendige Untersuchungen wurden in diesem Projekt durchgeführt. Die Amplituden der UWB-Signale wiesen zwar Unterschiede in Abhängigkeit der Viskosität des Umgebungsmediums auf, die MNPs konnten dabei allerdings in allen untersuchten Umgebungsmedien erfolgreich detektiert werden. Die Amplituden der Differenzsignale waren auch bei immobilisierten MNPs proportional zur Menge an akkumuliertem Eisenoxid und zeigten unabhängig vom Umgebungsmedium einen vergleichbaren Verlauf in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke des externen PMF mit einem Maximum bei ca. 80 kA/m. Ein Kompensationsalgorithmus wurde vorgeschlagen, um die MNPs auch bei einer inhomogenen Magnetfeldverteilung ortsunabhängig detektieren und bildgebend darstellen zu können. Dabei wurden zwei Modulationsarten (ON/OFF und SINUS-Modulation) angewendet und miteinander verglichen.
Publications
- "Investigation of Influences on the Detectability of Magnetic Nanoparticles by Means of Microwaves for Biomedical Applications," 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2020, pp. 1-4
S. Ley, B. Faenger, J. Sachs, I. Hilger and M. Helbig
(See online at https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135345) - "MNP Enhanced Microwave Imaging by Means of Pseudo-Noise Sensing with Different External Magnetic Field Modulations," 2020 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 2020, pp. 1795-1798
S. Ley, B. Faenger, I. Hilger and M. Helbig
(See online at https://doi.org/10.1109/EMBC44109.2020.9175940) - "Multistatic M-sequence UWB Radar System for Microwave Breast Imaging," 2021 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA), 2021, pp. 540-545
M. Helbig, B. Faenger, S. Ley and I. Hilger
(See online at https://doi.org/10.1109/CAMA49227.2021.9703560) - MNP-Enhanced Microwave Medical Imaging by Means of Pseudo-Noise Sensing. Sensors 2021, 21, 6613
S. Ley, J. Sachs, B. Faenger, I. Hilger, M. Helbig
(See online at https://doi.org/10.3390/s21196613)
