Contribution to the Design AND Implementation of a Microwave Tomography System for Breast Cancer Detection

Cette thèse représente une contribution à la conception et mise en œuvre d'un système de tomographie micro-onde pour la détection du cancer du sein. La tomographie micro-onde est une technique d'imagerie donc le but est de reconstruire la permittivité et la conductivité d'un objet inconnu à partir des mesures du champ diffusé par l'objet. Cette technique a été utilisée dans une variété d'applications comme le control non-destructif, la géophysique et l'imagerie biomédicale. Dans cette thèse, l'emphase sera mise sur la détection du cancer du sein, où cette technique a reçu énormément d'attention dans les années précédentes. Un système de tomographie micro-onde est normalement composé de deux parties séparées; un système de mesures capable de fournir des mesures précises du champ diffusé et une série d'algorithmes capable de retrouver la distribution spatiale de la permittivité et la conductivité de l'objet inconnu à partir des mesures du champ diffusé. Ce problème inverse est particulièrement difficile à résoudre, puisqu'il est non-linéaire et mal posé. Dans le but d'obtenir une bonne reconstruction de l'objet, il est nécessaire d'illuminer l'objet sous une série de conditions indépendantes, comme différentes positions d'antenne, des fréquences ou des polarisations. Dans cette thèse, l'emphase sera mise sur la conception d'une configuration d'illumination efficace qui essaie de maximiser la qualité des images reconstruites. Après une revue de littérature, on observe que la plupart des systèmes de mesures partagent une configuration commune o\`u les antennes sont placées sur une configuration cylindrique ou hémisphérique pour maximiser le confort de la patiente. D'un autre coté, la méthode la plus populaire pour le dépistage du cancer du sein est la mammographie, o\`u on utilise une image à rayons X du sein compressé en deux projections. En prenant compte de ce fait, on propose deux configurations alternatives basées sur la compression du sein, les configurations caméra et guide d'onde. L'hypothèse derrière cette proposition est que la compression du sein permet de placer les capteurs très près de ce dernier donc il est possible de mesurer la composante évanescente du champ diffusé, ce qui pourrait permettre l'amélioration de la qualité des images reconstruites. Afin de prouver cette hypothèse, une étude rigoureuse des configurations proposées et sa comparaison avec une configuration classique de tomographie circulaire est réalisée. Grace à cette étude on détermine les conditions qui permettent d'améliorer les images reconstruites. Le placement des capteurs très proche de l'objet sous test représente un défi pour une mesure précise des champs diffusés, puisque le capteur lui-même peut perturber le signal à mesurer. Pour cette raison, une version améliorée d'une sonde de mesure en champ proche basé sur la technique de diffusion modulée est conçue et validée. La sonde est utilisée pour la mise en œuvre de la configuration guide d'onde proposée. Un réseau d'antennes est développé pour l'excitation de différents modes avec différentes

Abstract

This thesis represents a contribution to the design and implementation of a microwave tomography system applied to breast cancer detection. Microwave tomography is an imaging technique that aims to reconstruct the permittivity and conductivity of an unknown object from measurements of its scattered field. This technique has been used in a variety of applications such as non-destructive testing, geophysical surveys and biomedical imaging. Here, we will concentrate in the breast cancer detection, where this technique has received a lot of attention in the recent years. A microwave tomography system usually involves two separate parts, a measurement system capable of performing accurate measurements of the scattered field and a set of algorithms for solving the inverse problem of retrieving the permittivity and conductivity spatial distribution of the unknown object from the scattered field measurements. This inverse problem is particularly difficult to solve, since it is non-linear and ill posed. In order to achieve a good reconstruction of the object, we need to illuminate it under several independent conditions, such as different antenna positions, frequencies or polarizations. In this thesis, we concentrate in the design of an efficient illumination configuration that tries to maximize the quality of the reconstructed images. After a literature review, it is observed that most of the proposed measurement systems share a common configuration, where in order to maximize the comfort of the patient; the antennas are arranged in a cylindrical or hemi-spherical configuration. On the other hand, the most popular method for breast cancer detection is mammography, where an X-ray image of the compressed breast at two different projections is performed. Taking this into account, two alternative configurations based on a compression of the breast are proposed, the camera and waveguide configurations. The main hypothesis behind this proposition is that a compression of the breast will allow placing the receivers very close to the breast where it is possible to measure the evanescent component of the scattered field and thus allow an enhancement of the quality of the reconstructed images. In order to prove this hypothesis, a rigorous study of the proposed configurations against a classical circular tomography setup is performed, and we determine under what conditions the reconstructed images can be enhanced. Next, the placement of the receiving antennas very close to the object under test, poses some challenges for an accurate measurement of the scattered fields, since the measurement probe itself can distort the quantity to be measured. For this purpose, an enhanced version of a previously designed near-field probe based on the modulated scattering technique is designed and validated. The probe is then used in the practical implementation of the proposed waveguide configuration. polarisations à l'intérieur du guide d'onde.