Δοσιμετρία με Monte Carlo προσομοίωση σε εξετάσεις μαστογραφίας με ψηφιακές και τομογραφικές τεχνικές

Abstract

Breast cancer has a significant impact on the well-being of the female population both nationwide and worldwide. Although the incidence of breast cancer has increased over the past two decades, mortality has steadily decreased. An important factor contributing to successful treatment is early detection of the disease. X-ray mammography is considered the current gold standard technique for breast cancer detection. Breast imaging has changed dramatically over the past decade and mammography with film system has been replaced by digital mammography. However, this suffers from performance limitations due to tissue superposition which can either mimic or obscure malignant pathology. Therefore, alternative X-ray modalities, such as digital breast tomosynthesis (DBT) and Contrast Enhanced Digital Mammography (CEDM) are being explored in order to improve breast cancer detection rates. Although the radiation doses submitted to mammograms are low, the International Commission on Radiation Protection (ICRP) accepts that there is a potential risk of breast cancer caused by irradiation. The European Union, by means of relevant regulations and directives incorporated into Greek legislation, requires the estimation of doses from the various mammography techniques with a view either to establishing, developing diagnostic reference levels, optimizing the practice and the equipment used. The estimation of the absorbed dose in the breast during X-ray imaging is a long established part of the quality control procedures for breast imaging systems and is also necessary for risk assessment. The main purpose of this work was the estimation of the mean glandular dose (MGD) for mammography, digital breast tomosynthesis (DBT) and Contrast Enhanced Digital Mammography (CEDM). While previous studies have investigated digital mammography dosimetry by providing coefficients for converting the input dose to the breast surface into a mean glandular dose, detailed characterization of dosimetry in absolute terms was performed at this work, including the exposure parameters automatically chosen by the AEC system for different sizes and different breast composition. For these purpose 950 Monte Carlo simulations, of which 450 were for CEDM mammography, 250 for the DBT and 250 for conventional digital mammography have been made for a wide range of x-ray spectra, breast sizes and glandularities using a realistic voxel phantom.Under auto-exposure conditions (AEC) the MGD was found to range from 0,306mGy to 2,738mGy for CC view and from 0,352mGy to 3,113mGy for MLO view in CEDM mode. The dose contribution analysis of each projection for all voxel phantom thicknesses indicates that low dose part mammography is the main contributor of the total glandular breast dose. The dose of high energy part in CEDM is low because of the higher penetration of the former spectra through the breast. The differences between the mean glandular dose for CC and MLO view were less than 9% and are due to the different distribution of glandular tissue that is causing various attenuations of the X-ray beam through the breast. Acquisition of a single CC view resulted in an MGD ranging from 0.718 - 2.778mGy in FFDM mode and 0.840 - 4.4 559mGy in DBT mode. For the MLO view, MGD ranges from 0.716 - 3.068mGy in FFDM and 0.818 - 4.596mGy in DBT. For a 50 mm thick breast thickness and 50% glandularity, MGD for the acquisition of FFDM and DBT was 1,248 and 2,235mGy, respectively. MGD in DBT is almost always greater than MGD in FFDM, differences ranging from 1% to 59% and the MGD from DBT is higher than MGD in CEDM. The difference between the two techniques was found to be 28% (1,545mGy in CEDM and 2,133mGy in DBT) for a breast 50 mm thick and 50% glandularity. It should be noted here that all three mammography techniques for a typical breast (50mm thickness and 50% glandularity) the MGD not exceed the recommended limit (2.5mGy) from the European Breast Dosimetry Protocol. Significant differences were found between the values of MGD presented in the literature and those derived from this work. For the cases considered, the differences may be up to 42% and are due to differences in the distribution of glandular tissue in the breast. The comparison with studies based on breast models with non-uniform distribution of glandular tissue (A. Sarno, 2018) is considered satisfactory as a perfect reconciliation between MGD values is not expected due to methodological differences between the two approaches. These results clearly demonstrate the limitations of the data currently used for breast dosimetry and that realistic breast voxel phantom provide a powerful tool for the study of breast dosimetry.

Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί ακόμη και σήμερα τη σοβαρότερη νόσο των γυναικών παγκοσμίως. Παρόλο που η συχνότητα εμφάνισης καρκίνου του μαστού έχει αυξηθεί κατά τη διάρκεια των δυο τελευταίων δεκαετιών, η θνησιμότητα έχει μειωθεί σταθερά. Ένας σημαντικός παράγοντας που συμβάλλει στην επιτυχή θεραπεία είναι η έγκαιρη ανίχνευση της νόσου. Στις μέρες μας η ψηφιακή μαστογραφία είναι το αποτελεσματικότερο διαγνωστικό εργαλείο για την έγκαιρη διάγνωση του πρώιμου καρκίνου του μαστού. Η απεικόνιση του μαστού έχει αλλάξει εντυπωσιακά την τελευταία δεκαετία και η μαστογραφία με σύστημα ενισχυτικής πινακίδας – φιλμ έχει αντικατασταθεί από την ψηφιακή μαστογραφία. Η εισαγωγή της ψηφιακής απόκτησης εικόνων συνέβαλε στη βελτίωση της μαστογραφίας, αποφεύγοντας, μεταξύ άλλων, το περιορισμένο φάσμα γραμμικής ανταπόκρισης του φιλμ. Ωστόσο, η ψηφιακή μαστογραφία εξακολουθεί να απεικονίζει μόνο την 2D προβολή ενός τρισδιάστατου (3D) αντικειμένου, διατηρώντας το ζήτημα της υπέρθεσης ιστού. Για να ξεπεραστεί η απώλεια πληροφοριών στην τρίτη διάσταση, μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων, αναπτύχθηκαν δύο νέες μέθοδοι απεικόνισης: απεικόνιση τομογραφίας μαστού και μαστογραφία διπλής ενέργειας με χρήση σκιαγραφικού. Αν και οι δόσεις ακτινοβολίας των εξεταζομένων που υποβάλλονται στις μαστογραφίες είναι μικρές, εν τούτοις ο Διεθνής Οργανισμός Ακτινοπροστασίας (International Commission on Radiation Protection- ICRP) δέχεται ότι υφίσταται ένας πιθανός κίνδυνος πρόκλησης καρκίνου του μαστού λόγω της ακτινοβόλησης. Η Ευρωπαϊκή Ένωση με σχετικούς κανονισμούς και οδηγίες που έχουν ενσωματωθεί στην Ελληνική νομοθεσία επιβάλλει την εκτίμηση των δόσεων από τις διάφορες τεχνικές μαστογραφίας με σκοπό είτε την καθιέρωση, είτε την ανάπτυξη διαγνωστικών επιπέδων αναφοράς, τη βελτιστοποίηση της πρακτικής των εξετάσεων αλλά και του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού. Η εκτίμηση της απορροφούμενης δόσης στο μαστό κατά τη διάρκεια απεικόνισης με ακτίνες Χ αποτελεί επί μακρόν καθιερωμένο μέρος των διαδικασιών ποιοτικού ελέγχου για συστήματα απεικόνισης του μαστού και είναι επίσης απαραίτητη για την εκτίμηση του κινδύνου. Κύριος σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν ο υπολογισμός της μέσης αδενικής δόσης εντός του μαστού κατά τις σύγχρονες τεχνικές μαστογραφίας τρισδιάστατης απεικόνισης και μαστογραφία διπλής ενέργειας με την χρήση σκιαγραφικού. Πιο συγκεκριμένα, η εργασία αυτή αποσκοπούσε στην εκτίμηση της μέσης αδενικής δόσης με την χρήση voxel ομοιώματος το οποίο αντανακλά τόσο την ανατομία όσο και την κατανομή του αδενικού ιστού ενός πραγματικού μαστού. Για το σκοπό αυτό το FASH voxel ομοίωμα τροποποιήθηκε μέσω ενός κατάλληλου λογισμικού (FANTOMAS) στη περιοχή του μαστού ως προς την ανατομία (πάχος συμπιεσμένου μαστού, απόσταση θηλής – θωρακικού τοιχώματος, αδενικότητα - περιεκτικότητα σε αδενικό ιστό ανομοιογενώς κατανεμημένο). Ενώ προηγούμενες μελέτες έχουν διερευνήσει την δοσιμετρία της ψηφιακής μαστογραφίας παρέχοντας συντελεστές μετατροπής της δόσης εισόδου στην επιφάνεια του μαστού σε μέση αδενική δόση, στη παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε λεπτομερής χαρακτηρισμός της δοσιμετρίας σε απόλυτους όρους, συμπεριλαμβανομένης των παραμέτρων έκθεσης που επιλέγονται αυτόματα από το AEC σύστημα για διαφορετικά μεγέθη και διαφορετικές συστάσεις μαστών. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις δόσης εισόδου στο μαστό και 950 προσομοιώσεις Monte Carlo απο τις οποίες 450 αφορούσαν την μαστογραφία διπλής ενέργειας, 250 την μαστογραφία τομοσύνθεσης και 250 την συμβατική ψηφιακή μαστογραφία. Για την εκτίμηση της MGD χρησιμοποιήθηκε ο EGSnrc Monte Carlo κώδικας προσομοιώσεων των εξετάσεων, κατάλληλος για την χρήση ενός voxel ομοιώματος. Το πρόγραμμα ακολουθούσε τα φωτόνια από το εστιακό σημείο του σωλήνα ακτίνων Χ, μέσω του συστήματος συμπίεσης και το μαστό, προσομοιώνοντας φωτοηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις και ελαστική και μη ελαστική σκέδαση. Σε συνθήκες αυτόματης έκθεσης (AEC), για την μαστογραφία διπλής ενέργειας (CEDM) η μέση αδενική δόση (MGD) βρέθηκε να κυμαίνεται από 0.306 mGy έως 2.738mGy για την CC λήψη και απο 0.352mGy έως 3.113mGy για την MLO λήψη. Το συνοπτικό συμπέρασμα απο τα αποτελέσματα είναι ότι στην συνολική δόση η συμβολή της υψηλής ενέργειας είναι μόλις το 20% λόγου της υψηλής διεισδυτικότητας αυτών των φασμάτων (σκληρή δέσμη) και η χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία είναι ο κύριος παράγοντας που συμβάλει στην συνολική δόση. Επίσης για τα ομοιώματα μαστού που αντιπροσωπεύουν μαστούς που συναντώνται συχνότερα κλινικά (πάχους 20 - 80 mm, αδενικότητας 1% - 100%), η απόκτηση της CC λήψης µπορεί να οδηγήσει σε MGD απο 0,718 – 2,778 mGy για FFDM και 0,840 – 4,559 mGy για την DBT. Επιπλέον, για το ομοίωμα μαστού που αντιπροσωπεύει το "μέσο" στήθος (πάχους 50 mm, αδενικότητα 50%), η MGD για την απόκτηση FFDM και DBT ήταν 1,096 και 2,133 mGy, αντίστοιχα. Για την MLO λήψη η MGD κυμαίνεται απο 0,716 – 3,068 mGy για την FFDM και 0,818 – 4,596 mGy για την DBT, Tzamicha et al.Τα αποτέλεσμα των Monte Carlo προσομοιώσεων για τις τρείς μεθόδους μαστογραφίας FFDM, CEDM και DBT συγκρίθηκαν μεταξύ τους με σκοπό την εξαγωγή συμπεράσματος για το ποία μέθοδος επιβαρύνει περισσότερο την δόση και μόνο. Η MGD για την DBT είναι σχεδόν πάντα μεγαλύτερη από την MGD για την FFDM, διαφορές που κυμαίνονται απο 1% έως και 59% και η μέση αδενική δόση απο την DBT είναι υψηλότερη απο την μέση αδενική δόση κατά την CEDM. Ποιό συγκεκριμένα για ένα ομοίωμα μαστού πάχους 50mm και αδενικότητας 50% η διαφορά ανάμεσα στις δύο τεχνικές βρέθηκε να είναι 28% (1.545mGy για την τεχνική διπλής ενέργειας και 2.133 mGy για την τεχνική τομοσύνθεσης). Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειωθεί πως και απο τις τρείς τεχνικές μαστογραφίας και για ένα τυπικό μαστό πάχους 50mm και 50% αδενικότητα η μέση αδενική δόση δεν υπερβαίνει το συνιστώμενο όριο (2.5mGy) απο το Ευρωπαϊκό πρωτόκολλο δοσιμετρίας μαστού. Διαπιστώθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των τιμών της MGD που παρατίθενται στη βιβλιογραφία και εκείνων που προέκυψαν από αυτήν την εργασία. Για τις εξεταζόμενες περιπτώσεις, οι διαφορές είναι έως και 42% και οφείλονται σε διαφορές στην κατανομή του αδενικού ιστού μέσα στο στήθος. Αντιθέτως η σύγκριση με μελέτες που βασίστηκαν σε μοντέλα μαστού με ανομοιόμορφη κατανομή αδενικού ιστού (A. Sarno, 2018) θεωρείται ικανοποιητική καθώς δεν αναμένεται τέλεια συμφωνία μεταξύ των τιμών τις MGD λόγω μεθοδολογικών διαφορών μεταξύ των δύο προσεγγίσεων. Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν σαφώς τους περιορισμούς των δεδομένων που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τη δοσιμετρία του μαστού και πως τα σχεδόν ρεαλιστικά voxel ομοιώματα μαστού παρέχουν ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της δοσιμετρίας του μαστού.