Methodology development for breast cancer diagnosis using dual energy x-rays and digital tomosynthesis

Abstract

Breast cancer screening and diagnosis in X-ray mammography rely on the detection and visualization of microcalcifications (μCs) and masses. The detection and visualization of μCs are relatively easy over a uniform tissue background. However, visualization of μCs could be obscured in mammograms by overlapping tissue structures. Dual energy (DE) imaging techniques can suppress the contrast between adipose and glandular tissues improving the detectability of μCs and masses. The current thesis is focused on the study of DE X-ray method applied on breast imaging, in order to improve the detection of breast calcifications. A simulation study was initially performed, based on analytical modeling, incorporating a modified radiographic X-ray unit combined with a high resolution CMOS sensor (pixel pitch of 22.5 μm). The calcification contrast-to-noise ratio of the DE subtracted images (CNRtc) was calculated for various skin entrance doses and calcification thicknesses using monoenergetic beams and polyenergetic X-ray beams. An experimental DE method was followed based on the proposed simulation exposure conditions. Custom-made homogenous and inhomogeneous breast phantoms and two different μC phantoms, as well as, the ACR mammography accreditation phantom were used. Post-process noise reduction was applied on the DE images in order to increase the contrast-to-noise ratio of the DE subtracted images (CNRDE). Further evaluation of the DE method was included using DE images obtained from a formalin-fixed breast cancer specimen. Also, three different μC types were compared using the proposed DE method. Finally, the potential to better visualize μCs using DE in digital breast tomosynthesis (DBT) was investigated. The TORMAM phantom was imaged and log-subtraction algorithm was applied to each pair of low-energy (LE) and high-energy (HE) slices after reconstruction. The various examined experimental setups demonstrated increased visibility of the μCs using the proposed DE method. Moreover, the DE images of breast specimen were directly comparable to the mammographic image and increased μC information was identified. The improvement in visualization of μCs, in the current method, is attributed to the use of higher kV X-rays from a modified radiographic unit with heavy filtering leading to larger spectral separation, while preserving MGD in acceptable levels. The use of post-processed DE images resulted in CNRDE values approximately 3 times that of the original DE image. In DE DBT images the μCs clusters were better defined than in the corresponding LE images. The initial results showed that DE DBT imaging could be a promising modality.

Στην μαστογραφία ακτίνων-Χ, ο προσυμπτωματικός έλεγχος και η διάγνωση του καρκίνου του μαστού βασίζονται στην ανίχνευση και απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων (μCs) και των μαζών. Η ανίχνευση και η απεικόνιση των μCs σε ένα ομοιογενές υπόβαθρο είναι σχετικά εύκολη. Ωστόσο η απεικόνισή τους μπορεί να είναι δύσκολη σε μαστογραφίες με αλληλεπικαλυπτόμενες δομές. Οι τεχνικές απεικόνισης διπλής ενέργειας (DE) μπορούν να καταστείλουν την αντίθεση μεταξύ λιπώδους και αδενικού ιστού βελτιώνοντας την ανίχνευση των μCs και των μαζών. Η συγκεκριμένη διατριβή εστιάζει στη μελέτη της τεχνικής DE στην απεικόνιση μαστού, με στόχο τη βελτίωση της ανίχνευσης των μCs του μαστού. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μια μελέτη προσομοίωσης με βάση την αναλυτική μοντελοποίηση, ενσωματώνοντας μια τροποποιημένη ακτινολογική λυχνία ακτίνων-Χ και έναν ανιχνευτή υψηλής ανάλυσης τύπου CMOS (μέγεθος pixel 22.5 μm). Υπολογίστηκε ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο στην τελική αφαιρούμενη εικόνα DE (CNRtc) για διάφορες δόσεις εισόδου και πάχη μCs χρησιμοποιώντας μονοενεργειακές δέσμες και πολυενεργειακές ακτίνες-Χ. Τη μελέτη προσομοίωσης ακολούθησε η πειραματική διαδικασία χρησιμοποιώντας τις βελτιστοποιημένες συνθήκες ακτινοβόλησης. Κατασκευάστηκαν ομοιογενή και ανομοιογενή ομοιώματα μαστού και δυο ομοιώματα μCs με διάφορα πάχη. Επίσης χρησιμοποιήθηκε και το ομοίωμα ACR. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν μέθοδοι μείωσης θορύβου στην τελική εικόνα DE για την αύξηση του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο στην εικόνα DE (CNRDE). Πραγματοποιήθηκε περαιτέρω αξιολόγηση της μεθόδου χρησιμοποιώντας εικόνες DE από καρκινικό δείγμα μαστού σε φορμόλη. Επίσης, συγκρίθηκαν τρεις διαφορετικοί τύποι μCs μέσω της προτεινόμενης μεθόδου DE. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα καλύτερης απεικόνισης των μCs με τη χρήση της μεθόδου DE και ψηφιακής τομοσύνθεσης μαστού (DBT). Απεικονίστηκε το ομοίωμα TORMAM και εφαρμόστηκε η μέθοδος σταθμισμένης λογαριθμικής αφαίρεσης σε κάθε ανακατασκευασμένη τομή. Οι διάφορες πειραματικές διατάξεις που εξετάστηκαν απέδειξαν οτι με τη χρήση της προτεινόμενης μεθόδου DE, βελτιώνεται η απεικόνιση και ανίχνευση των μCs. Επιπλέον, οι εικόνες DE του δείγματος μαστού ήταν άμεσα συγκρίσιμες με την αντίστοιχη μαστογραφία και παρατηρήθηκε βελτίωση στην απεικόνιση των μCs. Η βελτίωση οφείλεται στη χρήση ακτίνων-Χ υψηλότερων kV που οδήγησε σε μεγαλύτερη διαχωρισιμότητα μεταξύ των μέσων ενεργειών των φασμάτων ακτίνων-Χ χαμηλής και υψηλής τάσης λυχνίας, διατηρώντας ταυτόχρονα την MGD σε αποδεκτά επίπεδα. Η χρήση τεχνικών μείωσης θορύβου στην τελική εικόνα DE, οδήγησε σε αύξηση των τιμών CNRDE (περίπου 3 φορές πάνω). Στις εικόνες DE DBT τα όρια των μCs ήταν πιο σαφή συγκριτικά με την εικόνα χαμηλής ενέργειας. Τα αρχικά αυτά αποτελέσματα έδειξαν ότι η DE DBT είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος.