Analysis and Design of Radio Frequency Integrated Circuits for Breast Cancer Radar Imaging in CMOS Technology

Abstract

Breast cancer is by far the most incident tumor among female population. Early stage prevention is a key factor in delivering long term survival of breast cancer patients. X-ray mammography is the most commonly used diagnostic technique to detect non-palpable tumors. However, 10-30% of tumors are missed by mammography and ionizing radiations together with breast compression do not lead to comfort in patient treatment. In this context, ultrawideband microwave radar technology is an attractive alternative. It relies on the dielectric contrast of normal and malignant tissues at microwave frequencies to detect and locate tumors inside the breast. This work presents the analysis and design of radio frequency integrated circuits for breast cancer imaging in CMOS technology. The first part of the thesis concerns the system analysis. A behavioral model of two different transceiver architectures for UWB breast cancer imaging employing a SFCW radar system are presented. A mathematical model of the direct conversion and super heterodyne architectures together with a numerical breast phantom are developed. FDTD simulations data are used to on the behavioral model to investigate the limits of both architectures from a circuit-level point of view. Insight is given into I/Q phase inaccuracies and their impact on the quality of the final reconstructed images. The result is that the simplicity of the direct conversion architecture makes the receiver more robust toward the critical impairments for this application. The second part of the thesis is dedicated to the circuit design. The main achievement is a 65nm CMOS 2-16GHz stepped frequency radar transceiver for medical imaging. The RX features 36dB conversion gain, >29dBm compression point, 7dB noise figure, and 30Hz 1/f noise corner. The TX outputs 14dBm with >40dBc harmonic rejection and <109dBc/Hz phase noise at 1MHz offset. Overall power dissipation is 204mW from 1.2V supply. The radar achieves 3mm resolution within the body, and 107dB dynamic range, a performance enabling the use for breast cancer diagnostic imaging. To further assess the capabilities of the proposed radar, a physical breast phantom was synthesized and two targets mimicking two tumors were buried inside the breast. The targets are clearly identified and correctly located, effectively proving the performance of the designed radar as a possible tool for breast cancer detection.Il tumore al seno e' di gran lunga il piu' comune tumore nella popolazione femminile. La mammografia a raggi X e' la tecnica diagnostica piu' utilizzata e copre un ruolo chiave nella prevenzione, elemento fondamentale per assicurare la cura e la sopravvivenza dei pazienti. La mammografia presenta pero' importanti limitazioni, quali la necessita' di comprimere il seno durante l'esame, l'esposizione a radiazioni ionizzanti e l'alta percentuale di falsi negativi. In questo contesto, sembra interessante poter affiancare alla mammografia nuove tecniche diagnostiche, quali le tecnologie di imaging a radar nel range delle microonde, che si basano sull'intrinseco contrasto dielettrico presente tra tessuti benigni e maligni nel range delle microonde. Questo lavoro presenta quindi l'analisi e il progettazione di circuiti integrati in radio frequenza per l'imaging del tumore al seno in tecnologia CMOS. Nella prima parte della tesi vengono analizzati i modelli comportamentali di due diverse architetture di ricetrasmissione per l'imaging del tumore al seno. Vengono sviluppati dei modelli di ricetrasmettitori a conversione diretta e a super eterodina basati su radar SFCW e un modello numerico del seno. Simulazioni FDTD vengono utilizzate per investigare i limiti delle architetture considerate e individuare i punti critici nel design circuitale. Particolare attenzione viene dedicata ai mismatch tra i canali I e Q del ricetrasmettitore e al loro impatto sulla qualita' finale dell'immagine. Il risultato e' che la semplicita' della conversione diretta rende il ricetrasmettitore piu' robusto alle piu' critiche non-idealita' circuitali per questa applicazione. Nella seconda parte viene presentato un ritrasmettitore SFCW operante da 2 a 16GHz per imaging medicale realizzato in tecnologia CMOS 65nm. Il ricevitore ha un guadagno di conversione di 36dB, punto di compressione >29dBm, figura di rumore di 7dB e corner 1/f a 30Hz. Il trasmettitore ha una potenza di uscita di 14dBm, con reiezione delle armoniche di >40dBc e rumore di fase <109dBc/Hz ad un offset di 1MHz. Il sistema completo consuma 204mW. Il radar presentato raggiunge una risoluzione di 3mm dentro al corpo umano con un range dinamico di 107dB. Per dimostrarne l'efficacia, e' stato realizzato un seno sintetico dentro al quale sono stati inclusi due tumori. Il radar ha evidenziato correttamente i due tumori nella giusta posizione, a dimostrazione della sua efficacia come possibile strumento diagnostico