Despite its recognized value in detecting and characterizing breast disease, X-ray mammography has important limitations that motivate the quest for alternatives to augment the diagnostic tools that are currently available to the radiologist. The rationale for pursuing electromagnetic methods is strong given the data in the literature, which show that the electromagnetic properties of breast malignancy are significantly different than normal in the high megahertz to low gigahertz spectral range, microwave illumination can effectively penetrate the breast at these frequencies, and the breast is a small readily accessible tissue volume, making it an ideal site for deploying advanced near-field imaging concepts that exploit model-based image reconstruction methodology. In this paper a clinical prototype of a microwave imaging system, which actively illuminates the breast with a 16-element transceiving monopole antenna array in the 300-1000 MHz range, is reported. Microwave exams have been delivered to five women through a water-coupled interface to the pendant breast with the participant positioned prone on an examination table. This configuration has been found to be a practical, comfortable approach to microwave breast imaging. Sessions lasted 10-15 min per breast and included full tomographic data acquisition at seven different array heights beginning at the chest wall and moving anteriorly toward the nipple for seven different frequencies at each array position. This clinical experience appears to be the first report of active near-field microwave imaging of the breast and is certainly the first attempt to exploit model-based image reconstructions from in vivo breast data in order to convert the measured microwave signals into spatial maps of electrical permittivity and conductivity. While clearly preliminary, the results are encouraging and have supplied some interesting findings. Specifically, it appears that the average relative permittivity of the breast as a whole correlates with radiologic breast density categorization and may be considerably higher than previously published values, which have been based on ex vivo tissue specimens.

Diffuse optical tomography, also known as near infrared tomography, has been under investigation, for non-invasive functional imaging of tissue, specifically for the detection and characterization of breast cancer or other soft tissue lesions. Much work has been carried out for accurate modeling and image reconstruction from clinical data. NIRFAST, a modeling and image reconstruction package has been developed, which is capable of single wavelength and multi-wavelength optical or functional imaging from measured data. The theory behind the modeling techniques as well as the image reconstruction algorithms is presented here, and 2D and 3D examples are presented to demonstrate its capabilities. The results show that 3D modeling can be combined with measured data from multiple wavelengths to reconstruct chromophore concentrations within the tissue. Additionally it is possible to recover scattering spectra, resulting from the dominant Mie-type scatter present in tissue. Overall, this paper gives a comprehensive over view of the modeling techniques used in diffuse optical tomographic imaging, in the context of NIRFAST software package.

OBJECTIVE: A quantitative analysis of intraoperative cortical shift and deformation was performed to gain a better understanding of the nature and extent of this problem and the resultant loss of spatial accuracy in surgical procedures coregistered to preoperative imaging studies. METHODS: Three-dimensional feature tracking and two-dimensional image analysis of the cortical surface were used to quantify the observed motion. Data acquisition was facilitated by a ceiling-mounted robotic platform, which provided a number of precision tracking capabilities. The patient's head position and the size and orientation of the craniotomy were recorded at the start of surgery. Error analysis demonstrated that the surface displacement measuring methodology was accurate to 1 to 2 mm. Statistical tests were performed to examine correlations between the amount of displacement and the type of surgery, the nature of the cranial opening, the region of the brain involved, the duration of surgery, and the degree of invasiveness. RESULTS: The results showed that a displacement of an average of 1 cm occurred, with the dominant directional component being associated with gravity. The mean displacement was determined to be independent of the size and orientation of the cranial opening. CONCLUSION: These data suggest that loss of spatial registration with preoperative images is gravity-dominated and of sufficient extent that attention to errors resulting from misregistration during the course of surgery is warranted.

The authors describe what is, to the best of their knowledge, the first quantitative hemoglobin concentration images of the female breast that were formed with model-based reconstruction of near-infrared intensity–modulated tomographic data. The results in 11 patients, including two with breast tumors with pathologic correlation, are summarized. Hemoglobin concentration appears to correlate with tumor vascularity without the need for exogenous contrast material and thereby has intrinsic diagnostic value.

Many pathologies alter the mechanical properties of tissue. Magnetic resonance elastography (MRE) has been developed to noninvasively characterize these quantities in vivo. Typically, small vibrations are induced in the tissue of interest with an external mechanical actuator. The resulting displacements are measured with phase contrast sequences and are then used to estimate the underlying mechanical property distribution. Several MRE studies have quantified brain tissue properties. However, the cranium and meninges, especially the dura, are very effective at damping externally applied vibrations from penetrating deeply into the brain. Here, we report a method, termed 'intrinsic activation', that eliminates the requirement for external vibrations by measuring the motion generated by natural blood vessel pulsation. A retrospectively gated phase contrast MR angiography sequence was used to record the tissue velocity at eight phases of the cardiac cycle. The velocities were numerically integrated via the Fourier transform to produce the harmonic displacements at each position within the brain. The displacements were then reconstructed into images of the shear modulus based on both linear elastic and poroelastic models. The mechanical properties produced fall within the range of brain tissue estimates reported in the literature and, equally important, the technique yielded highly reproducible results. The mean shear modulus was 8.1 kPa for linear elastic reconstructions and 2.4 kPa for poroelastic reconstructions where fluid pressure carries a portion of the stress. Gross structures of the brain were visualized, particularly in the poroelastic reconstructions. Intra-subject variability was significantly less than the inter-subject variability in a study of six asymptomatic individuals. Further, larger changes in mechanical properties were observed in individuals when examined over time than when the MRE procedures were repeated on the same day. Cardiac pulsation, termed intrinsic activation, produces sufficient motion to allow mechanical properties to be recovered. The poroelastic model is more consistent with the measured data from brain at low frequencies than the linear elastic model. Intrinsic activation allows MRE to be performed without a device shaking the head so the patient notices no differences between it and the other sequences in an MR examination.

Magnetic resonance elastography (MRE) is a promising neuroimaging technique to probe tissue microstructure, which has revealed widespread softening with loss of structural integrity in the aging brain. Traditional MRE approaches assume mechanical isotropy. However, white matter is known to be anisotropic from aligned, myelinated axonal bundles, which can lead to uncertainty in mechanical property estimates in these areas when using isotropic MRE. Recent advances in anisotropic MRE now allow for estimation of shear and tensile anisotropy, along with substrate shear modulus, in white matter tracts. The objective of this study was to investigate age-related differences in anisotropic mechanical properties in human brain white matter tracts for the first time. Anisotropic mechanical properties in all tracts were found to be significantly lower in older adults compared to young adults, with average property differences ranging between 0.028-0.107 for shear anisotropy and between 0.139-0.347 for tensile anisotropy. Stiffness perpendicular to the axonal fiber direction was also significantly lower in older age, but only in certain tracts. When compared with fractional anisotropy measures from diffusion tensor imaging, we found that anisotropic MRE measures provided additional, complementary information in describing differences between the white matter integrity of young and older populations. Anisotropic MRE provides a new tool for studying white matter structural integrity in aging and neurodegeneration.

Phantom and normal subject studies have been carried out to validate the performance of a novel wearable optical breast interface-based MRI-guided near-infrared spectroscopic tomographic (MRg-NIRST) imaging system for breast cancer detection.

Objectives: Surgical navigation guides surgery without radiation by mapping instrument locations onto preoperative CT (pCT). Adoption to vascular surgery remains novel. Feasibility of spatially-tracked ultrasound (US) for surgical registration and wire localization relative to pCT is demonstrated. Methods: pCT was taken (0.6mm) of a carotid artery phantom and a CT artery model (CTM) segmented. An US probe (Philips L17-5), was rigidly attached to an optical tracker and swept along the artery (1000 images). A navigation system (Medtronic StealthStation) acquired the tracker and 2D US image's positions via a spatial calibration (1.6mm accuracy). The artery in each image was segmented and tracking data combined to reconstruct a 3D US artery model (USM) (Fig. 1). The CTM and USM were registered via an iterative closest point algorithm. A Rosen wire (0.035in) was inserted into the artery. Acquiring an US sweep of the wire (500 images), it was segmented in each image via thresholding. Segmentations and tracking were combined into a 3D US wire-model (USWM). Its position was overlaid onto pCT via the USM-CTM registration. Another CT was acquired, registered via a fiducial point-based registration (0.86 mm accuracy), and the ground truth wire position segmented (Fig. 2). A tip-to-tip distance was measured between the USWM and CT wire positions. Results: CTM-to-USM registration error was 0.93 mm (RMSE) between artery point clouds. The tip-to-tip distance between CT and USWM wire models was 0.2 (longitudinal) and 1.4 (radial) mm. Conclusions: A vascular navigation framework capable of patient registration and highly accurate instrument localization is provided using tracked iUS.