Breast composition study using ionizing radiation

Abstract

Breast cancer is the most common cause of cancer deaths worldwide. Early detection is important in order the patients to have right treatment and better recovery. Masses and microcalcifications (μCs) are important indicators of breast cancer since they are early stage signs. Only the appearance of μCs in a mammogram leads to the detection of significant percentage of breast cancers. Microcalcifications of the breast are described as calcium deposits within the breast tissue and are divided into Type I and Type II. Type I μCs are composed of calcium oxalate, and are associated with benign lesions of the breast. Type II μCs are composed of calcium phosphate, mainly hydroxyapatite, and are associated with malignant breast conditions. Calcifications composed of calcium carbonate are also associated with benign lesions of the breast. Up to date there is no non-invasive method to distinguish between benign and malignant μCs. When μCs, or other suspicious signs, are present in a mammogram, biopsy follows. A non-invasive method that could have the ability to characterize μCs is of interest. Such a method will contribute to discriminate between benign and malignant μCs avoiding painful procedures (biopsy). In the present thesis, the potential of characterization of μCs using the dual energy X-ray technique is examined. Calcium oxalate, calcium carbonate and hydroxyapatite μCs were considered in this study, and their effective Calcium/Phosphorus (Ca/P) mass ratio was calculated through analytical modeling. A monoenergetic study was conducted in order to select the optimum energy pair based on the minimization of the Coefficient of Variation (CV) of the effective Ca/P mass ratio. In the polyenergetic study followed both single and double exposure techniques were examined. Numerous filter materials and thicknesses, selected according to their K-absorption edges, were applied to the X-ray spectra in order to obtain mean energies similar to those indicated by the monoenergetic study. The effective Ca/P mass ratio was calculated for all μCs types and thicknesses using the optimized irradiation conditions. The experimental evaluation was performed using different X-ray tubes and energy integrating and energy dispersive (imaging) detectors for the single and double exposure techniques, respectively. Based on the results of the experimental procedure, statistical significant difference was observed between the different types of minerals when μCs thicknesses were 300 μm or higher.

Ο καρκίνος του μαστού είναι η πιο συνηθισμένη αιτία των θανάτων από καρκίνο σε όλο τον κόσμο. Η έγκαιρη ανίχνευση είναι σημαντική έτσι ώστε οι ασθενείς να έχουν τη σωστή θεραπεία και καλύτερη ανάρρωση. Οι μάζες και οι μικροαποτιτανώσεις (μCs) είναι σημαντικοί δείκτες του καρκίνου του μαστού καθώς είναι σημάδια πρώιμου σταδίου. Η παρουσία και μόνο μCs σε μία μαστογραφία οδηγεί στην ανίχνευση ενός σημαντικού ποσοστού καρκίνων του μαστού. Οι μCs του μαστού περιγράφονται ως εναποθέσεις ασβεστίου μέσα στον ιστό του μαστού και χωρίζονται σε Τύπου Ι και Τύπου ΙΙ. Οι μCs Τύπου Ι αποτελούνται από οξαλικό ασβέστιο και σχετίζονται με καλοήθεις βλάβες του μαστού. Οι μCs Τύπου ΙΙ αποτελούνται από φωσφορικό ασβέστιο, κυρίως υδροξυαπατίτη, και σχετίζονται κακοήθεις συνθήκες του μαστού. Αποτιτανώσεις που αποτελούνται από ανθρακικό ασβέστιο επίσης σχετίζονται με καλοήθεις βλάβες του μαστού. Μέχρι και σήμερα δεν υπάρχει κάποια μη επεμβατική μέθοδος να διαχωρίσει καλοήθεις και κακοήθεις μCs. Όταν μCs, ή άλλα ύποπτα σημάδια, εμφανίζονται σε μία μαστογραφία ακολουθεί βιοψία. Μια μη επεμβατική μέθοδος που θα μπορούσε να έχει τη δυνατότητα να χαρακτηρίζει μCs παρουσιάζει ενδιαφέρον. Μια τέτοια μέθοδος θα μπορούσε να συνεισφέρει στο διαχωρισμό σε καλοήθεις και κακοήθεις μCs αποφεύγοντας επίπονες διαδικασίες (βιοψία). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, εξετάζεται η δυνατότητα να χαρακτηριστούν μCs με τη χρήση της τεχνικής διπλής ενέργειας ακτίνων-Χ. Αποτιτανώσεις από οξαλικό ασβέστιο, ανθρακικό ασβέστιο και υδροξυαπατίτη μελετήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, και ο ενεργός λόγος μαζών Ασβεστίου/Φωσφόρου (Calcium/Phosphorus (Ca/P) mass ratio) υπολογίστηκε μέσω αναλυτικού μοντέλου. Μονοενεργειακή μελέτη πραγματοποιήθηκε με σκοπό να επιλεγεί το βέλτιστο ζεύγος ενεργειών βάσει της ελαχιστοποίησης του Συντελεστή Διακύμανσης (Coefficient of Variation, CV) του ενεργού λόγου μαζών Ca/P. Στην πολυενεργειακή μελέτη που ακολούθησε μελετήθηκαν τόσο η τεχνική μονής έκθεσης όσο και η τεχνική διπλής έκθεσης. Πλήθος υλικών φίλτρων και παχών, που επιλέχθηκαν σύμφωνα με τις Κ-αιχμές απορρόφησης τους, εφαρμόστηκαν σε φάσματα ακτίνων-Χ με σκοπό να αποκτηθούν μέσες ενέργειες από τα φάσματα παρόμοιες με αυτές που υπέδειξε η μονοενεργειακή μελέτη. Ο ενεργός λόγος μαζών Ca/P υπολογίστηκε για όλους τους τύπους και τα πάχη των μCs χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες συνθήκες ακτινοβόλησης. Η πειραματική επιβεβαίωση της μεθόδου πραγματοποιήθηκε με τη χρήση διαφόρων λυχνιών ακτίνων-Χ και ανιχνευτών (CdTe, CMOS) για τις τεχνικές μονής και διπλής έκθεσης. Με βάση τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας, παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των διαφορετικών τύπων αλάτων όταν το πάχος των μCs είναι 300 μm ή μεγαλύτερο.