Design and implementation of a digital density equalisation technique in mammography

Abstract

The inhomogeneity of the degree of blackening as well as contrast at film regions corresponding to breast periphery and dense mammary gland can be dealt with by applicationof equalization techniques. These techniques aim at equalizing image quality at the entirebreast area and can be categorised as either exposure equalization techniques, which aim atreducing the exposure dynamic range at the film, or density equalization techniques, whichequalize image quality by equalizing the value of a certain image quality parameter at theentire breast region. As a preliminary step, a quantitative data description study was conducted. Such a study had not been carried out by other researchers and was essential, in order to calculate certain image features of the target regions and facilitate the design of an efficient visualization improvement algorithm. This description incorporated a set of quantitative measurements at a sufficiently large sample of mammograms. A quantitative evaluation of image quality at breast periphery and dense mammary gland vs. normal mammary gland was carried out, by means of a technique based on the wavelet transform. Initially, a breast periphery density equalization technique (SCuDE technique) for mammography images was developed. This technique, which is driven by a model of the mammography image, takes into account the non-linear characteristic curve of the film digitiser system in order to restore the modulated beam information that is degraded by the recording and digitisation process. Application of the method demonstrated its capability to equalize the density of mammography images, while contrast improvement at breast periphery was found to be statistically highly significant. Visualisation improvement of breast periphery is obtained with no additional dose to the patient, as the need for acquiring a second mammography image, selecting exposure parameters that would result in good visualisation of breast periphery, is eliminated. SCuDE technique does not require any irradiation data specific for each mammography image, this fact making the technique more robust. Furthermore, it is independent of breast size, breast symmetry, imaging geometry and the type of mammography unit used. Subsequently, another digital density equalization technique, enhancing visualisation of both dense mammary gland and breast periphery, was designed and developed, taking into account the physical background of the SCuDE technique. The technique was based on a layer model of the breast region, in addition to exploiting the film-digitiser characteristic curve. The originality of the technique is attributed to its advantages with respect to the already proposed methods. The technique deals with both dense mammary gland and breast periphery problems. It is applicable to mammograms of both mammography views and is independent of breast size and symmetry. It does not require any irradiation data specific for each mammography image, this fact making the technique more robust. Additionally, it does not consider calcium to have been detected, therefore it can be applied for visualization improvement of micro calcification clusters. Furthermore, the performance of the technique was clinically as well as quantitatively evaluated and the resulting images were found to be density equalized. The visualisation improvement of both dense mammary gland and breast periphery was found to be statistically significant. Future work concerning the improvement of the second proposed technique remains to be carried out. First, selective application of the technique to dense breast regions should be investigated. Second, application of a more advanced segmentation method is expected to lead to more accurate skin edge determination and subsequent layer partitioning. Third, the technique must be appropriately extended to discriminate between signal and noise, so that a de-noising scheme can also be incorporated. Finally, a complete evaluation of the technique should be carried out. The complete anatomical features based performance evaluation should be extended to all breast patterns and performance results should be analyzed per pattern and per mammography view. Additionally, the technique should be further evaluated based on the detection of pathological features.

Η ανομοιογένεια του επιπέδου αμαύρωσης καθώς επίσης και της αντίθεσης σε περιοχές του φιλμ που αντιστοιχούν στην περιφέρεια του μαστού και στον πυκνό μαζικό αδένα μπορεί να αντιμετωπιστεί με εφαρμογή τεχνικών ομογενοποίησης. Οι τεχνικές αυτές στοχεύουν στην ομογενοποίηση της ποιότητας εικόνας σε ολόκληρη την περιοχή του μαστού και μπορούν να ταξινομηθούν ως τεχνικές ομογενοποίησης έκθεσης, οι οποίες αποσκοπούν στη μείωση του δυναμικού εύρους εκθέσεων στο φιλμ και τεχνικές ομογενοποίησης αμαύρωσης, οι οποίες ομογενοποιούν την ποιότητα εικόνας, ομογενοποιώντας την τιμή κάποιας παραμέτρου ποιότητας εικόνας σε ολόκληρη την περιοχή του μαστού. Σαν προκαταρκτικό στάδιο, διενεργήθηκε μελέτη ποσοτικής περιγραφής δεδομένων. Ανάλογη μελέτη δεν είχε διενεργηθεί από άλλους ερευνητές και κρίθηκε απαραίτητη, προκειμένου να υπολογιστούν παράμετροι εικόνας των περιοχών προς επεξεργασία και να διευκολυνθεί ο σχεδιασμός αποδοτικού αλγορίθμου βελτίωσης απεικόνισης. Η περιγραφή αυτή έκανε χρήση συνόλου ποσοτικών μετρήσεων σε επαρκές δείγμα μαστογραφικών εικόνων. Ακολούθησε ποσοτική αξιολόγηση της ποιότητας εικόνας της περιφέρειας του μαστού και του πυκνού μαζικού αδένα συγκριτικά με μαζικό αδένα κανονικής πυκνότητας, με χρήση τεχνικής που βασίζεται στο μετασχηματισμό κυματίου. Αρχικά αναπτύχθηκε ψηφιακή τεχνική ομογενοποίησης αμαύρωσης περιφέρειας μαστογραφικών εικόνων (τεχνική SCuDE). Η τεχνική αυτή λαμβάνει υπόψη τη μη γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη του συστήματος φιλμ-ψηφιοποιητή, προκειμένου να αναχθεί στην πληροφορία των διαμορφωμένων τιμών έκθεσης. Η πληροφορία αυτή υποβαθμίζεται από τη μη γραμμικότητα του συστήματος καταγραφής και ψηφιοποίησης. Εφαρμογή της τεχνικής οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ομογενοποιεί την αμαύρωση μαστογραφικών εικόνων, ενώ παράλληλα οδηγεί σε στατιστικώς υψηλά σημαντική αύξηση της αντίθεσης στην περιφέρεια του μαστού. Η βελτίωση της απεικόνισης στην περιφέρεια του μαστού επιτυγχάνεται χωρίς επιπρόσθετη δόση στην εξεταζόμενη, καθώς παύει να είναι πλέον αναγκαία δεύτερη λήψη μαστογραφικής εικόνας, με επιλογή παραμέτρων ακτινοβόλησης που θα οδηγούσαν σε ικανοποιητική απεικόνιση της περιφέρειας του μαστού. Η τεχνική SCuDE δεν απαιτεί γνώση των στοιχείων ακτινοβόλησης για κάθε εικόνα, με αποτέλεσμα να πλεονεκτεί σε σύγκριση με ήδη προταθείσες τεχνικές. Επιπρόσθετα, είναι ανεξάρτητη μεγέθους και συμμετρίας μαστού, γεωμετρίας λήψης και τύπου μαστογραφικής μονάδας. Εν συνεχεία, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε δεύτερη τεχνική ομογενοποίησης αμαύρωσης και βελτίωσης απεικόνισης πυκνού μαζικού αδένα και περιφέρειας. Η τεχνική αυτή βασίστηκε σε μοντέλο φλοιών της περιοχής του μαστού, λαμβάνοντας υπόψη τη σχεδιασθείσα τεχνική SCuDE, μέσω χρήσης της χαρακτηριστικής καμπύλης του συστήματος φιλμ-ψηφιοποιητή. Η πρωτοτυπία της τεχνικής αποδίδεται στα πλεονεκτήματα της έναντι των ήδη προταθεισών τεχνικών. Πρώτον, η τεχνική αντιμετωπίζει τα προβλήματα απεικόνισης τόσο του πυκνού μαζικού αδένα, όσο και της περιφέρειας του μαστού. Δεύτερον, δεν προϋποθέτει τη γνώση στοιχείων ακτινοβόλησης για κάθε μαστογραφική εικόνα, σε αντίθεση με ήδη προταθείσες τεχνικές. Επιπρόσθετα, δεν προϋποθέτει προηγούμενη ανίχνευση μικροαποτιτανώσεων, συνεπώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για βελτίωση της απεικόνισης τους. Τέλος, η τεχνική αξιολογήθηκε τόσο ποσοτικά όσο και κλινικά, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η εφαρμογή της συνεπάγεται ομογενοποίηση αμαύρωσης, καθώς και στατιστικώς υψηλά σημαντική αύξηση της αντίθεσης στον πυκνό μαζικό αδένα και στην περιφέρεια του μαστού. Υπάρχουν ανοικτά ζητήματα, τα οποία πρέπει να αντιμετωπιστούν για την περαιτέρω βελτίωση της απεικόνισης της περιοχής του μαστού. Πρώτον, πρέπει να διερευνηθεί η δυνατότητα τοπικής επεξεργασίας περιοχών πυκνού μαζικού αδένα και περιφέρειας μαστού. Δεύτερον, ο σχεδιασμός μιας πλέον σύνθετης τεχνικής τμηματοποίησης αναμένεται να οδηγήσει σε ακριβέστερο προσδιορισμό του συνόρου του μαστού και ακριβέστερο διαχωρισμό της περιοχής του μαστού σε φλοιούς. Τρίτον, η τεχνική πρέπει να τροποποιηθεί κατάλληλα, συμπεριλαμβάνοντας ένα στάδιο εφαρμογής αλγορίθμου μείωσης θορύβου. Τέλος, πρέπει να γίνει πλήρης στατιστική αξιολόγηση ως προς τη βελτίωση απεικόνισης ανατομικών χαρακτηριστικών, αλλά και ως προς την ανίχνευση παθολογικών ευρημάτων, για κάθε τύπο μαστού και γεωμετρία λήψης.