Physical Principles and Applications of Digital Breast Tomosynthesis

Physical Principles
and Applications of
Digital Breast Tomosynthesis
Angelo Taibi
Dipartimento di Fisica
Università di Ferrara
e-mail: [email protected]
C’era una volta …
“It is a mistaken impression that the use of
more accurate detectors in conjunction with
digital image processing will necessarily
provide improved low-contrast detectability.
In many cases, improved contrast sensitivity
can be obtained, but this usually requires the
use of radiographic image subtraction.”
Brody WR. Digital Radiography,
New York: Raven Press, 1984.
Generalized Subtraction Methods
Depth
Energy
Digital
Mammography
Time
Space
A Taibi, Eur J Radiol 72, 2009
Qualità fisica vs Qualità clinica
Power Spectrum of Mammograms
— 
NPS del rumore anatomico segue la legge:
NPSa ( f ) = k ⋅ f
−β
— 
Si è dimostrato che β è correlato alla rivelabilità
della lesione in mammografia
— 
Inoltre, la differenza in β tra la tomosintesi e la
mammografia è statisticamente significativa
Seno Adiposo
Seno Denso
Un po’ di considerazioni statistiche
— 
In generale: Sensibilità = 80-90%, Specificità = 90-95%
— 
Con seni densi, sensibilità < 50%
— 
Seni densi in “età mammografica” (50-65 anni) ~ 25%
— 
Con seni adiposi probabilità 60% di scoprire un tumore di
4 mm, con seni densi il 60% si raggiunge a 17 mm
Tomosynthesis = limited-angle
cone-beam Tomography
Attraverso una serie di
radiografie (2D) del seno
effettuate a bassa dose
ruotando il tubo a raggi X, si
ricostruiscono tomogrammi
(3D) per ridurre le
sovrapposizioni anatomiche
Vecchio et al, Eur Rad 21, 2011
DBT vs Mammo
MAMMO
DBT
Sistemi (quasi) commerciali
Il Mammografo
Potter
— 
— 
Problemi geometrici
Riduzione del livello di esposizione,
aumento della dose, rumore elettronico …
Configurazioni alternative
Effetti collaterali
— 
Riduzione del campo di vista
(missing breast tissue)
— 
Aumento dello spessore dell’organo
(scatter & noise)
— 
Peggioramento della risoluzione spaziale
(inclinazione dei raggi X)
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
Detector performance vs Dose
Pixel size
Pixel binning:
-  Riduce i tempi di acquisizione/ricostruzione
-  Migliora il SNR
Ma … attenti alla risoluzione spaziale!
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
Uno spettro più energetico
— 
Penetrazione obliqua del fascio
— 
Tomosintesi: mammelle dense …
— 
Lunghi tempi di esposizione
— 
Rumore elettronico
— 
“Limiti” di dose
Cosa si può fare con la Tomosintesi?
—  Localizzazione
della profondità
—  Miglioramento
della conspicuity
—  Riduzione
della dinamica
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
Parametri di acquisizione
— 
Numero di proiezioni migliora la ricostruzione
ma aumenta il tempo di acquisizione
(e produce anche immagini a bassa statistica)
10-25 proiezioni
— 
Apertura angolare migliora la risoluzione in
profondità ma riduce quella planare
15-50 gradi
— 
Dose totale simile alla mammografia (CC+MLO)
Wu et al, Med. Phys. 30, 2003
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
Step & Shoot vs Continuous
The tube moves rapidly along an arc stopping at each exposure for a frac=on of a second — 
-­‐20° +20° Compression plate
Breast
Digital detector
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
Metodi di Ricostruzione in DBT
— 
Algoritmo “shift & add” semplice e veloce ma …
ogni strato contiene traccia del resto del volume!
— 
Riduzione del contrasto globale dell’immagine …
— 
E’ necessario ricorrere a metodi di soppressione delle
strutture (sfuocate) appartenenti agli altri piani
Dobbins & Godfrey, Phys. Med. Biol. 48, 2003
Algoritmi di Ricostruzione (I)
q  Mathematic
method of geometric transformation
SAA (Shift-And-Add)
BP (Back-Projection)
q  Mathematic
method of Fourier Transformation
FBP: Filtered Back-Projection
q  Statistical
reconstruction algorithms
MLEM: Maximum-Likelihood Expectation-Maximization
q  Algebraic
reconstruction algorithms:
SART: Simultaneous Algebraic Reconstruction Tech.
Algoritmi di Ricostruzione (II)
Gli “ingredienti” della tomosintesi
Approccio 1
Approccio 2
Approccio 3
Approccio 4
Pixel Size (µm)
100
70 (2x2 binning)
85
85
Detector
CsI
Selenium
Selenium (Anrad)
Selenium (Anrad)
Anode
Mo / Rh
Tungsten
Tungsten
Mo / Tungsten
Angular Range
25°
15°
40°
50°
Projections
9
15
13
25
Scan time
< 7 seconds
< 4 seconds
< 10 seconds
15 ÷ 25 seconds
Scan mode
Step & Shoot
Continuous
Step & Shoot
Geometry
Uniform, CT style
Uniform, CT style
Variable
angles & dose
Uniform, CT style
Reconstruction
Iterative
FBP
Iterative
FBP
Functions
Mammo/Tomo
Mammo/Tomo
(Combo)
Mammo/Tomo
(Combo …)
Mammo/Tomo
Continuous
DBT in screening?
— 
Tomosynthesis plus 2D significantly increase the
cancer detection rate as compared with FFDM alone*
— 
Tomosynthesis with synthetic 2D images makes
combined 2D and 3D possible with the same radiation
dose as conventional FFDM
— 
The additional interpretation time for 3D + 2D as
compared to 2D alone is acceptable for
implementation in organized breast cancer screening
*Skaane et al, Radiology 267, 2013
Volume re-projection
… Re-projection methods are well known in
the field of image processing. A source
point and image plane is chosen, on
opposite sides of the image volume. Pixels
are obtained by projecting the source point
though the slice set to an image plane
point. The pixel value is summed at each
slice location by interpolating values in the
original slices …
System and method for generating a 2D
image from a tomosynthesis data set
US patent no. 7,760,924 B2, 2010
•  Una par=colare implementazione della geometria a dose variabile fornisce una dose sufficiente nella proiezione centrale in modo da acquisire una mammografia •  L’algoritmo di ricostruzione u=lizza pienamente l’informazione fornita da una proiezione centrale di alta qualità Institute of Diagnostic Radiology
University of Udine - Italy
Prof. M. Bazzocchi
Is 2D central projection obtained
with digital breast tomosynthesis
qualitatively equivalent to digital
mammography?
Paola Clauser, Viviana Londero, Cristina Molinari,
Rossano Girometti, Angelo Taibi, Sara Vecchio,
Chiara Zuiani, Massimo Bazzocchi
MAMMOGRAFIA
2D CENTRAL
PROJECTION
TOMOSINTESI
Riassumendo …
— 
La DBT è una tecnica 3D “limited-angle” da
ottimizzare:
ü  Parametri di Acquisizione
ü  Dose e Qualità dell’Immagine
ü  Algoritmo di ricostruzione
ü  Tempo di esposizione e tempo di ricostruzione
ü  Modalità di visualizzazione …
— 
Le informazioni di tipo clinico serviranno a definire
ulteriormente i parametri di acquisizione/ricostruzione