Physical Principles. and Applications of. Digital Breast Tomosynthesis

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1 Physical Principles and Applications of Digital Breast Tomosynthesis Angelo Taibi Dipartimento di Fisica Università di Ferrara

2 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.

3 Generalized Subtraction Methods Depth Energy Digital Mammography Time Space A Taibi, Eur J Radiol 72, 2009

4 Qualità fisica vs Qualità clinica

5 Power Spectrum of Mammograms NPS del rumore anatomico segue la legge: NPS a ( 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

6 Seno Adiposo Seno Denso

7 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

8 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

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10 Vecchio et al, Eur Rad 21, 2011

11 DBT vs Mammo MAMMO DBT

12 Sistemi (quasi) commerciali

13 Il Mammografo Potter Problemi geometrici Riduzione del livello di esposizione, aumento della dose, rumore elettronico

14 Configurazioni alternative

15 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)

16 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

17 Detector performance vs Dose

18 Pixel size Pixel binning: - Riduce i tempi di acquisizione/ricostruzione - Migliora il SNR Ma attenti alla risoluzione spaziale!

19 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

20 Uno spettro più energetico Penetrazione obliqua del fascio Tomosintesi: mammelle dense Lunghi tempi di esposizione Rumore elettronico Limiti di dose

21 Cosa si può fare con la Tomosintesi? Localizzazione della profondità Miglioramento della conspicuity Riduzione della dinamica

22 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

23 Parametri di acquisizione Numero di proiezioni migliora la ricostruzione ma aumenta il tempo di acquisizione (e produce anche immagini a bassa statistica) proiezioni Apertura angolare migliora la risoluzione in profondità ma riduce quella planare gradi Dose totale simile alla mammografia (CC+MLO)

24 Wu et al, Med. Phys. 30, 2003

25 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

26 Step & Shoot vs Continuous The tube moves rapidly along an arc stopping at each exposure for a frac=on of a second Compression plate Breast Digital detector

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28 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

29 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

30 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.

31 Algoritmi di Ricostruzione (II)

32 Gli ingredienti della tomosintesi Approccio 1 Approccio 2 Approccio 3 Approccio 4 Pixel Size (µm) (2x2 binning) Detector CsI Selenium Selenium (Anrad) Selenium (Anrad) Anode Mo / Rh Tungsten Tungsten Mo / Tungsten Angular Range Projections Scan time < 7 seconds < 4 seconds < 10 seconds seconds Scan mode Step & Shoot Continuous Step & Shoot Continuous 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

33 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

34 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

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36 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

37 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

38 MAMMOGRAFIA 2D CENTRAL PROJECTION TOMOSINTESI

39 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