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Article de méthode

Imagerie clinique de la mammographie par micro-ondes

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DOI :

10.3791/69288

⸱

14 novembre 2025

 , 
1Department of Surgery, Aichi Medical University

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit la procédure d’imagerie d’un appareil d’imagerie par micro-ondes pour l’imagerie mammaire.

Résumé

Le cancer du sein est la tumeur maligne la plus fréquente chez les femmes, et la détection et le traitement précoces sont essentiels pour améliorer les résultats cliniques. La mammographie à rayons X reste la modalité de dépistage standard ; Cependant, il présente plusieurs limites, notamment l’exposition aux rayonnements, l’inconfort des patientes et une sensibilité réduite chez les femmes ayant un tissu mammaire dense. L’imagerie par micro-ondes, une technique non ionisante, est apparue comme une alternative prometteuse. Nous avons développé un dispositif qui reconstruit les structures du tissu mammaire en résolvant le problème de la diffusion inverse et fait actuellement l’objet d’essais cliniques. Ce système génère des images tomographiques tridimensionnelles sans l’utilisation d’agents de contraste et sans causer de douleur lors de l’examen. À ce jour, 24 patientes atteintes d’un cancer du sein ont été imagées, avec une précision de 86 % pour les tumeurs ≥ 1 cm de diamètre, et de 58 % lorsque les tumeurs < 1 cm sont incluses. Dans cet article, nous présentons un protocole détaillé pour la préparation du dispositif, l’imagerie clinique et le traitement des données, ainsi que des résultats d’imagerie représentatifs de patients sélectionnés.

Introduction

Le cancer du sein est la tumeur maligne la plus fréquente chez les femmes, avec environ 95 000 nouveaux cas diagnostiqués chaque annéeau Japon1. La détection et le traitement précoces sont essentiels pour améliorer les résultats des patients.

La mammographie par rayons X est actuellement l’outil de dépistage standard. Cependant, sa sensibilité est limitée chez les femmes ayant un tissu mammaire dense, ce qui rend difficile la détection des petites tumeurs2. Pour remédier à cette limitation, l’échographie est souvent utilisée comme méthode de diagnostic d’appoint. Les examens échographiques nécessitent un haut niveau de compétence de l’opérateur, et la précision diagnostique de la mammographie ou de l’échographie seule est d’environ 60 %. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) avec contraste atteint une précision supérieure à 90 % ; néanmoins, en raison des coûts élevés d’équipement et d’examen, l’IRM n’est pas adaptée au dépistage de routine et est principalement réservée à la prise de décision chirurgicale et à la planification du traitement3.

Récemment, l’imagerie par micro-ondes a attiré de plus en plus l’attention en tant qu’alternative potentielle capable de surmonter les limites de la mammographie et de l’échographie4. Lorsque le rayonnement micro-ondes interagit avec les tissus biologiques, de fortes réflexions se produisent aux frontières diélectriques. La réflectivité est supérieure de plus d’un ordre de grandeur à celle des rayons X ou des ultrasons, ce qui permet de détecter de petites lésions. La recherche sur la détection du cancer du sein à l’aide de l’imagerie par micro-ondes est en cours depuis plus de 25 ans, avec plusieurs études cliniques rapportées5.

L’imagerie micro-ondes peut être classée en deux grandes catégories : l’imagerie confocale, qui reconstruit la distribution de la puissance diffusée, et la tomographie par diffusion, qui reconstruit la distribution de la permittivité complexe (constante diélectrique et conductivité électrique)6,7. L’imagerie confocale est conceptuellement similaire au diagnostic par ultrasons ; Cependant, en raison de multiples réflexions dans les tissus, les structures internes ne peuvent pas être reconstruites avec précision. En revanche, la tomographie par diffusion fournit des reconstructions précises même en présence de réflexions multiples, mais nécessite une modélisation numérique précise de la diffusion électromagnétique. Les techniques électromagnétiques computationnelles actuelles rencontrent encore des défis pour reproduire pleinement ces phénomènes. Par conséquent, un étalonnage qui aligne les données mesurées sur les modèles numériques est essentiel pour la mise en œuvre pratique8. De plus, comme les réponses des lésions sont inférieures à 1/1000 de la réflexion cutanée9, des antennes et des récepteurs très sensibles avec d’excellentes performances signal/bruit sont indispensables.

Notre système relève ces défis en introduisant des approches innovantes pour résoudre le problème de la diffusion inverse à l’aide d’une approximation de Born déformée itérative (IDBA)10. Plusieurs technologies clés ont été développées, notamment une antenne cornet à charge diélectrique à double polarisation11, une méthode d’étalonnage utilisant deux fantômes homogènes12, la fixation du sein au capteur par aspiration13, l’excitation d’ondes multipolarisées14 et l’exploitation de la relation linéaire entre la permittivité et la conductivité tissulaires15. Un prototype de dispositif intégrant ces technologies a été achevé en septembre 2023 et les essais cliniques ont commencé en novembre 2023.

Bien que l’imagerie par micro-ondes ait été largement étudiée, il n’existe toujours pas de protocole clinique largement accepté qui garantisse l’acquisition de données reproductibles, un étalonnage robuste et une reconstruction d’image stable chez les patients. L’établissement d’un tel protocole est essentiel pour la traduction de l’imagerie micro-ondes de la recherche expérimentale à l’application clinique pratique. Le protocole présenté dans cette étude, qui intègre la fixation mammaire basée sur l’aspiration, l’étalonnage à double fantôme et l’excitation d’ondes multipolarisées, répond à ces exigences et fournit un cadre normalisé pour une évaluation clinique fiable de la tomographie par micro-ondes.

La figure 1A illustre le principe de l’imagerie par micro-ondes16. Plusieurs antennes sont disposées autour du sein, l’une d’entre elles émettant tandis que les autres reçoivent des ondes diffusées. Un analyseur de réseau vectoriel (VNA) fonctionne à la fois comme émetteur et récepteur. Si un seul port est disponible, l’émission et la réception sont alternées séquentiellement et les signaux diffusés sont acquis pour toutes les paires d’antennes possibles. Les données recueillies sont ensuite utilisées pour reconstruire des images tomographiques du sein.

La configuration matérielle du prototype est résumée dans le tableau 1 et illustrée à la figure 1B, tandis que l’apparence extérieure du prototype est présentée à la figure 2A. L’appareil se compose d’un récipient en céramique pour le sein, de 16 antennes fixées au récipient, d’un commutateur d’antenne pour sélectionner les antennes d’émission et de réception, d’un VNA pour mesurer les caractéristiques de transmission entre les paires d’antennes, d’un ordinateur portable avec logiciel de mesure, d’une unité de commande pour coordonner l’ordinateur portable et l’interrupteur d’antenne, et d’un aspirateur pour la fixation du sein par aspiration (Figure 2C).

Le récipient en céramique avec les antennes attachées (appelé capteur d’imagerie, Figure 2B) et le commutateur d’antenne sont logés dans le corps principal de l’appareil. Bien qu’il y ait 16 antennes physiques, 12 d’entre elles sont à double polarisation, ce qui donne un nombre effectif d’antennes de 28. L’appareil est positionné à côté du lit et la patiente est allongée sur le ventre, plaçant son sein dans le capteur d’imagerie (Figure 1C). Pour minimiser les artefacts d’imagerie causés par les mouvements du corps, le sein est fixé par aspiration au capteur à l’aide de l’aspirateur.

Lors de la mesure, une antenne émettrice est sélectionnée et des micro-ondes à 1,9 GHz avec une puissance de sortie de -5 dBm sont irradiées dans le sein. Les paramètres de diffusion (paramètres S) sont mesurés par le VNA lors de la commutation séquentielle des antennes d’émission et de réception, et les données sont enregistrées sur l’ordinateur portable. Ce processus est répété pour toutes les combinaisons d’antennes. L’acquisition d’un sein prend environ 14 min. Le temps de mesure relativement long est dû au processus d’acquisition en série et aux intervalles d’attente supplémentaires mis en place pour éviter les erreurs de communication. La durée de mesure est cohérente chez tous les patients.

Les fichiers de mesure enregistrés sont transférés sur un poste de travail dédié pour la reconstruction de l’image. Le programme de contrôle de base est implémenté dans Excel VBA, qui coordonne le traitement des données et s’interface avec le simulateur de champ électromagnétique FEMTET et la plate-forme d’analyse numérique MATLAB, comme illustré à la figure 317,18. La reconstruction d’une seule image mammaire nécessite environ 7 h sur un poste de travail équipé d’un processeur Intel Core i7-14700K et de 96 Go de RAM. Étant donné que l’algorithme de reconstruction est basé sur IDBA10, des simulations électromagnétiques tridimensionnelles à grande échelle doivent être exécutées à plusieurs reprises. Chaque analyse de champ électromagnétique direct nécessite environ 10 minutes, et la récupération de la distribution de champ calculée à partir de FEMTET prend 30 minutes supplémentaires. Ce cycle est répété dix fois par reconstruction, ce qui donne un temps de traitement cumulé d’environ 400 min.

L’environnement logiciel est résumé dans le Tableau 2. L’ordinateur portable est configuré avec le programme de contrôle de l’analyseur pour gérer la communication avec le VNA et l’unité de contrôle du commutateur d’antenne. La connectivité matérielle nécessite une interface d’entrée/sortie numérique (DIO) et un câble de conversion GPIB-USB pour assurer un transfert de commande fiable. Tous les autres programmes de reconstruction sont installés sur le poste de travail, qui doit prendre en charge Microsoft Excel, FEMTET et MATLAB. FEMTET est utilisé pour résoudre les équations de Maxwell dans le domaine de l’imagerie via la méthode des éléments finis, tandis que MATLAB exécute les routines numériques nécessaires à l’inversion IDBA.

Une procédure d’étalonnage rigoureuse est nécessaire pour aligner les données de diffusion mesurées avec le modèle numérique direct. L’étalonnage est effectué à l’aide de deux fantômes diélectriques homogènes (Figure 2D) conçus pour se rapprocher des milieux imitant les tissus. À 1,9 GHz, le fantôme 1 présente une permittivité relative de 6,65 et une tangente de perte diélectrique de 0,438, tandis que le fantôme 2 a une permittivité relative de 4,66 et une tangente de perte de 0,289. Un fichier d’étalonnage, cal_2314_94_ver2.mat, est pré-généré, contenant des coefficients de correction qui compensent les écarts systématiques entre les paramètres S mesurés et simulés. Ces coefficients sont dérivés de simulations basées sur FEMTET des caractéristiques de transmission des fantômes et validés par croisement avec des mesures expérimentales obtenues avec le prototype12. Cette calibration assure la cohérence entre la modélisation numérique et les données expérimentales, stabilisant ainsi la convergence du processus de reconstruction itérative.

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Protocole

Toutes les procédures cliniques ont été approuvées par le Conseil d’examen institutionnel de l’Université de médecine d’Aichi (numéro de certification de la recherche clinique spécifique : CRB4200004).

1. Configuration de l’appareil

  1. Préparez une pièce suffisamment grande pour accueillir l’unité principale, le rack de bureautique (OA) et le lit du patient.
    REMARQUE : Pour assurer l’intimité du patient, il est recommandé de séparer l’unité principale et le lit à l’aide d’un rideau ou d’une cloison (Figure 4A). Une alimentation d’au moins 100 V CA, 10 A est nécessaire.
  2. Placez le VNA, l’unité de contrôle et l’ordinateur portable sur le rack OA (Figure 4B).
  3. Connectez le module d’étalonnage électronique (Figure 4C) au VNA à l’aide d’un câble USB.
  4. Connectez le commutateur d’antenne à l’unité de commande à l’aide de cinq câbles D-sub.
  5. Connectez le câble reliant l’interface d’entrée/sortie numérique (DIO) et le connecteur D-sub à l’unité de commande (Figure 4D).
  6. Connectez l’interface DIO à l’ordinateur portable à l’aide d’un câble USB.
  7. Connectez les ports d’entrée/sortie du VNA au commutateur d’antenne à l’aide de câbles RF (Figure 4B,E).
  8. Connectez le port GPIB du VNA à un câble de conversion GPIB-USB (Figure 4F) et connectez le connecteur USB à l’ordinateur portable.
  9. Connectez le tube d’admission du capteur d’imagerie à l’aspirateur (Figure 4E).
  10. Branchez les câbles d’alimentation du VNA, du commutateur d’antenne, de l’ordinateur portable et de l’aspirateur dans les prises secteur et mettez l’appareil sous tension.

2. Saisie des paramètres initiaux

  1. Lancez le programme de mesure Analyzer Control sur l’ordinateur portable.
    REMARQUE : la fenêtre de démarrage s’affiche (Figure 5A).
  2. Entrez les paramètres suivants : fréquence de démarrage = 1000 MHz, fréquence d’arrêt = 6000 MHz, nombre de points de données = 101 et temps d’attente de réponse = 200 ms.
    REMARQUE : Les valeurs par défaut doivent être utilisées pour tous les autres paramètres.
  3. Appuyez sur le bouton DIO , puis sur le bouton de confirmation GPIB .
    REMARQUE : si toutes les connexions sont correctes, les boutons Assistant CAL, Charge CAL, Mesure automatique et Mesure manuelle deviennent actifs (Figure 5B).

3. Étalonnage de l’analyseur de réseau vectoriel (VNA)

  1. Débranchez les câbles connectés aux antennes 4 et 6 du capteur d’imagerie et connectez-les aux bornes d’entrée/sortie du module d’étalonnage électronique (Figure 6A).
  2. Réglez les deux commutateurs AUTO/MANUAL de l’unité de commande sur MANUAL et configurez l’interrupteur à bascule Tx sur le binaire 5 et l’interrupteur à bascule Rx sur le binaire 9 (Figure 6B).
  3. Appuyez sur le bouton CAL Wizard .
    REMARQUE : la fenêtre CAL Wizard (Assistant CAL ) s’affiche (Figure 6C).
  4. Appuyez sur le bouton Set Wizard (Set Wizard ) (Figure 6C).
  5. Effectuez un étalonnage à deux ports sur la bande de fréquence 1-6 GHz à l’aide du module d’étalonnage électronique19.
  6. Une fois l’opération terminée, appuyez sur CAL Wizard Exit pour fermer la fenêtre (Figure 6C).
  7. Appuyez sur le bouton CAL Save .
    REMARQUE : la fenêtre d’enregistrement des données s’affiche (Figure 6D).
  8. Entrez un nom pour les données calibrées (par exemple, 20250717.sta) et appuyez sur Enregistrer.
    REMARQUE : Les données d’étalonnage sont enregistrées dans le VNA. Si l’étalonnage a déjà été effectué, il n’est pas nécessaire de le répéter. Dans ce cas, appuyez sur CAL Load, sélectionnez le fichier approprié (Figure 6E : par exemple, 20240829.sta) et cliquez sur Appliquer pour charger les données d’étalonnage dans le VNA.
  9. Remettez l’interrupteur AUTO/MANUAL de l’unité de commande sur AUTO.

4. Procédure d’imagerie

  1. Positionnez le patient allongé sur le lit (Figure 7A).
  2. Relevez le haut du patient et placez un sein dans le capteur d’imagerie, en vous assurant qu’aucun vêtement n’obstrue le capteur.
  3. Allumez l’aspirateur pour initier l’aspiration.
  4. Réglez la pression de vide sur 0,04 - 0,06 MPa à l’aide du bouton CTRL (Figure 7B). Si la pression ne peut pas être réduite, repositionnez le patient jusqu’à ce qu’une aspiration correcte soit obtenue.
  5. Arrêtez l’imagerie si la pression de l’aspirateur reste à 0 MPa.
    REMARQUE : Un espace entre le capteur et le sein empêche une acquisition d’image précise.
  6. Appuyez sur le bouton Auto Measurement (Mesure automatique ) (Figure 5B).
    REMARQUE : la fenêtre d’état de la mesure s’affiche (Figure 7C).
  7. Réglez la plage de mesure sur 1-28 et activez l’option Ignorer la réciprocité.
  8. Appuyez sur Démarrer la mesure pour commencer l’acquisition des données.
    REMARQUE : Les combinaisons d’émission et de réception sont affichées pendant la mesure (Figure 7D). Une fois terminé, les résultats sont sauvegardés dans le dossier VNA_Results en format CSV (figure 7E).

5. Reconstruction de l’image

  1. Ouvrez le programme data_read dans MATLAB.
  2. Définissez le chemin d’accès (par exemple, C :\Users\yoshihiko\Desktop\VNA_Results) et spécifiez les fichiers de mesure (par exemple, P31_L.csv et P31_R.csv) ainsi que le nom des données de sortie (Figure 8A).
  3. Cliquez sur le figure-protocol-1 bouton dans l’éditeur pour générer un fichier .mat pour l’étalonnage de l’équipement (Figure 8B).
  4. Ouvrez le programme initialize_for_clinic dans MATLAB.
  5. Entrez les paramètres suivants (Figure 8C) : Fréquence de reconstruction : f = 1,9 × 109 Hz ; Chemin d’accès et noms des fichiers de mesure (par exemple, C :\Users\kuwahara\OneDrive\patient_data\xxxxxxxx) ; Désignation du sein gauche et droit (L( :, :,fn)) ; Chemin d’accès et nom de la feuille de travail du patient ('xxxxxxxx.xlsx', sheet='sheet1')
  6. Cliquez pour figure-protocol-2 générer une feuille de travail patient à utiliser dans le programme principal Excel VBA .
    REMARQUE : Un répertoire pour stocker les résultats de reconstruction est également créé.
  7. Ouvrez le fichier MATLAB image_reconstruction_# (# indique le numéro de traitement).
  8. Spécifiez le chemin et le nom de la feuille de travail du patient (par exemple, G :\patient_sheet\xxxxxxxx_L.xlsx), la fréquence de reconstruction (1,9 × 109 Hz) et le fichier d’étalonnage (cal_2314_ver2), puis enregistrez les paramètres (Figure 8D).
  9. Ouvrez le programme principal de reconstruction d’images multi_person dans Excel.
  10. Entrez les noms des feuilles de travail du patient créées à l’étape 6 (p. ex., xxxxxxxx_L à vvvvvvv_R) (Figure 9A).
    REMARQUE : Les images de plusieurs patients peuvent être reconstruites simultanément en entrant la série de noms de feuilles de travail.
  11. Ouvrez le programme VBA à partir du complément Excel.
  12. Spécifiez la plage de feuilles à traiter (np = 1 à 8).
  13. Vérifiez que les répertoires des feuilles de calcul sont correctement définis dans les modules Data_read et Data_write modules standard.
  14. Sélectionnez getPDTdata et cliquez figure-protocol-3 dans l’éditeur pour lancer le processus de reconstruction d’image (Figure 9B).
  15. Après le traitement, vérifiez les images reconstruites (coupes longitudinales et transversales tomographiques 3D), qui sont enregistrées dans le répertoire spécifié avec des noms de fichiers tels que mwsdbim_20250617-14h36m04s, à côté des feuilles de travail du patient.

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Résultats

Les résultats d’imagerie de trois patients représentatifs sont présentés ci-dessous :

Patient 1
Une femme de 78 ans atteinte d’un cancer de 34 mm × 21 mm situé à la position 2 heures du sein gauche. Les glandes mammaires sont principalement grasses. Les figures 10A et 10B montrent des images de mammographie à rayons X, tandis que les figures 10C-F

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Discussion

Dans ce contexte, l’étalonnage a deux significations distinctes. Tout d’abord, il s’agit de corriger les données de diffusion mesurées afin que les résultats puissent être incorporés avec précision dans les modèles numériques. Deuxièmement, il s’agit de l’étalonnage de l’analyseur de réseau vectoriel (VNA) lui-même.

Avant tout étalonnage ou mesure, le VNA doit être allumé au moins 15 minutes à l’avance et l’indicateur READY sur le module d’éta...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucune relation commerciale ou financière avec des sociétés liées à ce travail.

Remerciements

Cette étude a été menée avec le soutien de la subvention de recherche scientifique et technologique du Japon, 24K10872. Cette recherche a été soutenue par des subventions de JSPS KAKENHI et de l’Agence japonaise pour la recherche et le développement médicaux (AMED). Les auteurs ont déposé des demandes de brevet liées à la technologie décrite dans cet article.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AspirateurEN UN SEULDAS-01
E/S numériqueInstruments nationauxUSB6501
Module d’étalonnage électriqueAgilent85093CArrêté. Remplacez-le par 85093D.
Simulateur électromagnétiqueMurata SoftwareFEMTET
Excel VBAMicrosoftBureau
Câble de conversion USB GPIBInstruments nationauxGPIB-USB-HS
Logiciels numériquesMathworksMatlab
VNAKeysightE5071C

Références

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