Physical Principles and Applications of Digital Breast Tomosynthesis
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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