Fondamenti della Tomosintesi della Mammella:

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1 Fondamenti della Tomosintesi della Mammella: Miglioramento delle prestazioni in mammografia Andrew Smith Ph.D. Introduzione La tomosintesi della mammella è una tecnologia di visualizzazione tridimensionale che comprende l acquisizione di immagini a differenti angolazioni con una scansione di breve durata di una mammella mantenuta ferma. Le singole immagini vengono ricostruite in una serie di sottili strati ad alta risoluzione che possono essere visualizzati singolarmente od in modo dinamico cine loop. La ricostruzione a strati della tomosintesi riduce od elimina i problemi causati dalla sovrapposizione dei tessuti e dal rumore della struttura nelle immagini mammografiche a singoli strati ed a due dimensioni. La tomosintesi digitale della mammella inoltre offre un numero di eccitanti opportunità inclusa la possibilità di ridurre la compressione della mammella, il miglioramento dell accuratezza in diagnostica e screening, riduzione dei richiami e localizzazione 3D delle lesioni. Hologic ha condotto uno studio clinico multicentrico con multi-lettura clinica per valutare le prestazioni cliniche della tomosintesi in un ambiente di screening. Questo documento illustra la teoria della Tomosintesi, i benefici clinici che ne derivano e presenta un sommario dei risultati del protocollo clinico. SELENIA Dimensions Sistema con Tomosintesi Teoria della Tomosintesi La mammografia convenzionale a raggi X è una modalità di acquisizione immagini a due dimensioni. Nella mammografia convenzionale le patologie di interesse sono spesso difficili da visualizzare a causa della confusione dei segnali da oggetti nella parte superiore od inferiore.questo perchè la rilevazione del segnale in una certa posizione sulla cassetta o sul detettore digitale dipende dall attenuazione totale di tutto il tessuto al di sopra della localizzazione della lesione. La Tomosintesi è un metodo di acquisizione immagini a tre dimensioni che può ridurre od eliminare l effetto di sovrapposizione dei tessuti. Mentre la mammella resta immobilizzata, vengono acquisite immagini a diverse angolazioni della sorgente di raggi X. Oggetti a differenti altezze nella mammella vengono visualizzati in modo differente nelle diverse proiezioni.. In figura 1 due oggetti (una lesione spiculata ed una ad ellisse) si sovrappongono quando proiettati a 0 ma nell acquisizione fuori asse gli oggetti si spostano uno rispetto all altro nelle immagini. Il passo finale nella procedura di tomosintesi è la ricostruzione dei dati per generare le immagini che ottimizzano la visualizzazione degli oggetti da una data altezza con l appropriato spostamento delle proiezioni l una relativamente all altra. Un esempio è mostrato in Figura 2 dove si ricostruisce uno strato cross-sezionale ad una specifica altezza. In questo esempio le immagini sono sommate, spostandone una rispetto all altra in un certo modo si ottiene di rinforzare l oggetto lesione spiculata e di ridurre il contrasto dell oggetto ellissoidale offuscandolo. Notare che non vengono richieste acquisizioni aggiuntive per ottimizzare la visibilità degli oggetti ad una data altezza - un gruppo di acquisizioni può venire riprocessato per generare l intero gruppo volumetrico 3D. Esecuzione dell Acquisizione La geometria della Tomosintesi è mostrata in Figura 3. La mammella viene compressa nel modo convenzionale. Mentre si mantiene la mammella bloccata, il tubo a raggi X viene ruotato all interno di un delimitato campo angolare. Vengono eseguite una serie di esposizioni a bassa dose, una ad ogni grado o simile, creando una serie di immagini digitali.. Tipicamente il tubo viene ruotato tra gradi e vengono eseguite esposizioni intervallate di 1 o simile con una durata totale della scansione pari a 5 secondi od inferiore. Le singole immagini sono proiezioni attraverso la mammella a differenti angoli e queste sono quelle che vengono ricostruite negli strati. 1

2 Figura 1 La Tomosintesi può ridurre od eliminare la sovrapposizione dei tessuti Figura 3: La testa porta tubo oscilla acquisendo in pochi secondi molteplici acquisizioni. Con la Tomosintesi immagini acquisite a differenti angolazioni separano le strutture a differenti altezze. La mammografia tradizionale acquisisce solo l immagine centrale. Figura 2: La Tomosintesi evidenzia oggetti ad una data altezza. Geometria di acquisizione con tomosintesi movimento della sorgente raggi X. che mostra il Spostando e sommando le proiezioni acquisite, la visualizzazione 3D aumenta la visibilità degli oggetti offuscando gli oggetti dalle altre altezze Normalmente la mammella dovrebbe essere posizionata nella vista MLO oppure CC, sebbene il sistema di tomosintesi debba supportare la possibilità di acquisire immagini con qualunque orientamento si desideri. Una considerazione particolare nel progetto del sistema con tomosintesi è rivolta al movimento della sorgente di raggi X durante l acquisizione. Il tubo raggi X può muoversi con continuità oppure con un movimento a singoli passi ed emissioni. Con il movimento continuo le esposizioni ai raggi X devono essere abbastanza brevi in modo da evitare l offuscamento dell immagine a causa del movimento della macchia focale. Se si utilizza il movimento a singoli passi ed emissioni il gantry deve fermarsi completamente in ogni posizione angolare prima di accendere i raggi X, altrimenti la vibrazione offuscherà l immagine. Il più importante criterio è che il tempo totale di scansione sia il più breve possibile per ridurre la possibilità che la paziente si muova, il ché degraderebbe la visibilità delle piccole microcalcificazioni e delle piccole lesioni spiculate. Il campo angolare ed il numero di esposizioni acquisite durante la scansione sono variabili aggiuntive che richiedono di essere ottimizzate. In generale, più esposizioni consentiranno una ricostruzione con meno artefatti. Questo deve essere bilanciato rispetto al fatto che per una data dose totale dell esame, più esposizioni significano un segnale minore per ciascuna delle singole emissioni. Per esposizioni sufficientemente modeste, il rumore del recettore digitale dominerà l immagine e degraderà l immagine ricostruita. L aumento del numero di esposizioni inoltre aumenta la dimensione dei dati grezzi ed i tempi di ricostruzione. Con riferimento al campo angolare, un più ampio campo angolare fornisce una superiore separazione degli strati, mentre un più piccolo campo angolare fornisce più strutture a fuoco in un dato strato. L aumento della separazione teoricamente può essere auspicabile per la risoluzione d immagine tra due strutture che giacciono accostate, ma potrebbe compromettere in modo significativo l apprezzabilità di un gruppo di microcalcificazioni, avendo le singole calcificazioni visualizzate in differenti strati, oppure la presenza di lesioni spiculate giacenti in più di un piano ristretto. Requisiti di un Sistema di Tomosintesi Efficienza del detettore e dose L acquisizione di immagini in Tomosintesi consiste di una serie di esposizioni a bassa dose, con ogni acquisizione pari a circa il 5-10% di una normale singola vista mammografica. Poiché ciascuna esposizione è a bassa dose, diventa essenziale avere un detettore ad alta efficienza quantica (DQE) e basso rumore. Poichè le immagini vengono acquisite in un rateo di diverse immagini per secondo, la rapida formazione dell immagine è un'altra delle necessità. 2

3 I recettori d immagine basati sul Selenio grazie alla loro elevata efficienza quantica (DQE - Detective Quantum Efficiency), assorbimento dei raggi X superiore al 95% nel campo delle energie di mammografia, ed alla rapida capacità di lettura dei dati (readout) rappresentano il detettore ideale per i sistemi con Tomosintesi. L utilizzo del detettore al selenio permette di eseguire gli esami con Tomosintesi con una dose totale di radiazione equivalente a quella di una mammografia convenzionale. Modi di Acquisizione Il sistema di tomosintesi deve essere in grado di eseguire tutti gli esami convenzionali di mammografia digitale 2D ed in aggiunta le acquisizioni in tomosintesi. Le immagini di Tomosintesi devono poter essere acquiisite in tutti gli orientamenti standard e non solo in CC ed MLO. Il sistema deve essere inoltre in grado di acquisire un normale mammogramma 2D e l esame di Tomosintesi nella stessa compressione. Per rendere questo più semplice si richiede che la griglia sia autoretrattile in modo che il sistema possa rapidamente ed automaticamente passare dal modo immagine 2D a quello 3D e viceversa. Ricostruzione d immagine In Figura 4 il processo di ricostruzione con tomosintesi consiste nella valutazione di immagini ad alta risoluzione i cui piani sono paralleli al piano di supporto della mammella Tipicamente queste immagini vengono ricostruite con separazione degli strati pari ad 1mm, perciò una mammella compressa di 5cm in uno studio con tomosintesi avrà una ricostruzione di 50 strati. Un tempo rapido di ricostruzione è essenziale, specialmente quando la tomosintesi venga considerata quale parte di uno studio interventistico e per questa ragione è importante mantenere il processamento di post-acquisizione entro i 10 secondi od inferiore. Metodologia di visualizzazione Gli strati di ricostruzione con tomosintesi possono essere visualizzati similarmente agli strati ricostruiti sulla TAC. L operatore può vedere le immagini una per volta o visualizzarle in sequenza dinamica (cine-loop). Le proiezioni originali sono identiche alle convenzionali proiezioni mammografiche anche se ciascuna è a veramente bassa dose e queste possono essere pure visualizzate, se desiderato. Se il sistema acquisisce mammogrammi a 2D e 3D nella stessa compressione, le immagini da queste due modalità vengono completamente co-registrate. La stazione interfaccia utente che consente un rapido passaggio tra questi due modi faciliterà il riesame delle immagini e permetterà una rapida identificazione delle lesioni in una modalità con la corrispondente lesione nell altra modalità. La Figura 5 mostra un esempio di selezione di strati di ricostruzione di tomosintesi in una mammella. Figura 4: La Tomosintesi acquisisce immagini della mammella a molteplici angolazioni e le ricostruisce in strati cross-sezionali Viste da differenti angolazioni del tubo Raggi X Strati a differenti altezze L immagine di sinistra mostra tre delle 15 proiezioni d immagine della mammella acquisite a differenti angolazioni.. L immagine di destra mostra tre degli strati da 1 mm con ricostruzione cross-sezionale. 3

4 Figura 5: Strati ricostruzione tomosintesi Strati ricostruzione di tomosintesi dal piano di appoggio della mammella fino alla piastra di compressione rivelano oggetti che giacciono a differenti altezze nella mammella quali cisti e calcificazioni mostrati dalle frecce. Figura 6:Possibilità di bassa dose Quando il fantoccio ACR viene posizionato sulla mammella di un cadavere e visualizzato (sinistra) la visibilità dei particolari a basso contrasto è ridotta. Con una dose pari a 4x la dose convenzionale il mammogramma digitale (nel mezzo) mostra una inferiore visibilità a basso contrasto rispetto ad un immagine di tomosintesi (destra) che utilizza ¼ della dose di un mammogramma digitale. 4

5 Figura 7: La tomosintesi offre la potenzialità di inferiore forza di compressione I tessuti che si sovrappongono nella mammografia convenzionale e nascondono le patologie (immagine di sinistra) hanno meno possibilità di essere oscurate se si utilizza la tomosintesi (immagine destra) solo la compressione necessaria a stendere il tessuto via dalla parete toracica e minimizzare la possibilità di movimento in modo adeguato. Quindi con la tomosintesi il dolore da compressione è minimizzato. Questa eccitante congettura di ridotta necessità di compressione è in fase di investigazione clinica. Se si utilizza una inferiore compressione della mammella è necessario aumentare l energia dei raggi X per poter meglio penetrare le mammelle più spesse. In questo caso è importante che il recettore d immagine mantenga il suo alto DQE alle più alte energie. Lo Ioduro di Cesio con il suo mediocre assorbimento ad alti valori di KV può non essere il materiale ottimale per il detettore. Il detettore al Selenio amorfo non presenta queste limitazioni poiché il suo k-edge è al di sotto del campo di energia mammografica. Una proiezione rispetto a due proiezioni 5

6 Nei primi sviluppi della tomosintesi venne suggerito che la Potenziali benefici clinici Riduzione dei richiami Inferiore numero di biopsie Miglioramento nella rilevazione di lesioni cancerogene La tomosintesi dovrebbe risolvere gran parte dei problemi di sovrapposizione dei tessuti che sono una delle maggiori cause di richiamo e di immagini aggiuntive negli esami mammografici a 2D. L incidenza di procedure di biopsia dovrebbe a sua volta diminuire grazie alla migliore visualizzazione delle zone sospette. Alcune patologie che nell immagine mammografica erano nascoste diventeranno individuabili grazie all eliminazione del rumore della struttura ed inoltre la tomosintesi può permettere un miglioramento nell individuazione dei tumori. Riduzione della dose La ridotta necessità di richiamo che deriva dall uso della tomosintesi porterà ad una riduzione della dose complessiva alla popolazione. Localizzazione tessuto Poiché con la tomosintesi la localizzazione di una lesione in uno strato determina completamente le sue vere coordinate 3D all interno della mammella, i metodi di biopsia con prelievo tissutale possono essere eseguiti utilizzando le coordinate generate dalla tomosintesi Minimo tempo di esame immagini Siccome le immagini vengono presentate con ridotta sovrapposizione di tessuto e rumore strutturale, gli oggetti vengono visualizzati con migliore chiarezza. Questo condurrà ad una analisi delle immagini più veloce ed ad una interpretazione più sicura. Ridotta forza di compressione La Figura 7 mostra la potenzialità di una ridotta forza di compressione per la tomosintesi 3D. Nella mammografia convenzionale la mammella viene molto compressa in modo da ridurre la sovrapposizione del tessuto. Per la tomosintesi invece non si richiede un alta forza di compressione e serve tomosintesi potesse richiedere solo le acquisizioni in MLO poiché la natura 3D delle immagini di tomosintesi consentiva di visualizzare la mammella da diverse angolazioni. Le attuali indicazioni sono che questo non è vero e che la tomosintesi richiede le viste sia CC che MLO.. Questo non è sorprendente poiché la tomosintesi differisce dalle altre modalità di acquisizione immagini in 3D quali la TAC poiché non può generare ricostruzioni multi-planari ortogonali quali le viste sagittali e coronali da un gruppo di immagini di tomosintesi trasversale. Patologie che siano allungate, planari od a forma non sferica possono essere meglio visualizzate quando rappresentate in un orientamento piuttosto che in un altro. Una recente presentazione scientifica ha dimostrato che il 9% delle lesioni cancerogene nel loro studio erano state visualizzate con vista di tomosintesi CC ma non erano visibili nella vista di tomosintesi MLO. Protocolli clinici di Tomosintesi Hologic ha completato un programma di ricerca multicentrico a multi-lettura sulle prestazioni della tomosintesi. Lo scopo di questo studio era di confrontare il tasso di individuazione radiologica del tumore ed il tasso di richiamo nello screening utilizzando la convenzionale mammografia digitale (2D) più la tomosintesi 3D della mammella rispetto al tasso di rilevamento del tumore ed il tasso di richiamo osservato utilizzando solo il 2D. Nello studio 1083 donne presso cinque differenti centri clinici sono state sottoposte all esame 2D e 3D di entrambe le mammelle. I casi sono stati raccolti da una popolazione di screening ed arricchiti con pazienti dalla diagnostica mammografica. Le immagini 2D e 3D sono consistite di viste di entrambe le mammelle da CC ed MLO. Le immagini 3D CC ed MLO sono state acquisite utilizzando il mammografo con funzionalità tomosintesi di Hologic mod. SELENIA. 316 gruppi di dati immagine sono stati scelti a caso per essere esaminati da 12 radiologi. Le immagini 2D sono state segnate per prime e poi i lettori hanno esaminato e segnato gli esami 2D e 3D insieme. Per tutti i 12 lettori, le prestazioni cliniche sono state superiori per le immagini 2D più 3D comparate con le sole 2D e misurate usando 6

7 Figura 8: La Tomosintesi migliora le prestazioni nei confronti della mammografia Curve ROC per le prestazioni 2D e 2D + 3D, mediate su 12 lettori mostrano un significativo miglioramento nelle prestazioni cliniche utilizzando la tomosintesi l area sotto la curva ROC. La Figura 8 mostra la curva ROC generata dalla media delle 12 curve ROC individuali. L area media sotto la curva ROC per i lettori aumenta da 0.83 a 0.90 utilizzando obbligatoriamente la valutazione BIRADS, mostrando un incremento di 0.07, un aumento altamente significativo con un valore p di Usando 2D più 3D rispetto al solo 2D la sensitività migliora dal 66% al 76% e la specificità aumenta dall 84% all 89% ed è stata osservata una riduzione media del 43% nel tasso di richiamo. In questo studio multicentrico con multi-lettura, le prestazioni dei radiologi migliorano in modo significativo quando si usano le immagini 2D combinate con il 3D comparato con l uso del solo 2D. Conclusioni La tomosintesi della mammella fornisce la capacità di visualizzazione di immagini 3D per ottenere una più accurata valutazione delle lesioni consentendo una migliore differenziazione tra tessuti che si sovrappongono. Un basso tasso di richiamo, un più alto valore di predittività di positività per raccomandare la procedura di biopsia,.un più alto tasso di rilevamento di tumore, meno richiami, meno biopsie, meno dose, meno dolore da compressione ed un più veloce esame sono i risultati che ci si aspetta dall uso di questa tecnologia. La tomosintesi della mammella presenta una validità sia nello screening mammografico che nella diagnostica mammografica.. Glossario 2D due dimensioni 3D tre dimensioni BIRADS Breast Imaging Reporting and Data System CC Cranio-Caudale Ioduro di Cesio Materiale di rilevamento radiazioni utilizzato nella conversione indiretta raggi X-recettore immagine TAC Tomografia assiale computerizzata DM Mammografia digitale DQE Efficienza quantica di rilevamento Una misura dell efficienza di dose di un detettore Forced BIRADS Valutazione BIRADS permette solo un valore da 1 a 5; cioè no richiami k-edge Energia a cui i raggi X hanno un improvviso aumento nella loro probabilità di essere assorbiti MLO ROC Selenio Tomosintesi Riconoscimenti Mediolaterale Obliquo Caratteristiche Operative del Ricevitore; il grafico presenta la frazione di veri positivi (sensitività) rispetto alla frazione di falsi positivi (specificità) per un sistema classificatore binario mentre la sua soglia di discriminazione è variata. Materiale di rilevamento della radiazione utilizzato nella conversione diretta raggi X recettore immagine La Tomosintesi associa la cattura dell immagine digitale ed il processamento con il semplice movimento tubo/detettore come utilizzato nella convenzionale radiografia tomografica. Sebbene vi siano alcune similitudini con la TAC, è una tecnica differente Referenze Esempi Clinici 7

8 Adenocarcinoma Tubulobulare non ben visibile nel mammogramma digitale convenzionale (immagine sinistra) e molto più visibile nello strato dal gruppo di immagini di tomosintesi (immagine destra) Aree sospette in un mammogramma digitale (immagine sinistra) possono essere evidenziate con la tomosintesi (immagine destra) Carcinoma lobulare infiltrante e multifocalità non ben visibili nel mammogramma digitale convenzionale (immagine sinistra) ben più dettagliati nello strato dal gruppo di immagini di tomosintesi (immagine destra) Lesione tumorale occulta (immagine sinistra) che è ben visibile con la tomosintesi (immagine destra) 8

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