Quantitative assessment of image quality in digital breast tomosynthesis

Abstract

Ο καρκίνος του μαστού είναι ο δεύτερος πιο διαδεδομένος καρκίνος στον κόσμο κι ο πιο συχνά διαγνωσμένος καρκίνος στις γυναίκες. Οι γυναίκες που διαγνώσκονται σε πρώιμο στάδιο καρκίνου του μαστού στο Ηνωμένο Βασίλειο αναμένεται να ξεπεράσουν την ασθένεια για περισσότερο από 10 χρόνια σε ποσοστό 80% και για περισσότερο από 20 χρόνια σε ποσοστό 65% [2]. Η προληπτική μαστογραφία είναι ο κύριος λόγος της αύξησης των ρυθμών επιβίωσης, ενισχύοντας την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του μαστού. Πρόσφατα η Ψηφιακή Τομοσύνθεση Μαστού (ΨΤΜ), βασιζόμενη στην μαστογραφία ακτίνων Χ, έχει αναδυθεί σαν μια νέα πολλά υποσχόμενη τεχνολογία, η οποία είναι ικανή να παρέχει τομογραφικές εικόνες του μαστού [3].Ένας περιορισμός της 2-Διάστατης (2Δ) Μαστογραφικής απεικονιστικής τεχνικής ακτίνων Χ είναι η υπέρθεση των υγειών και παθολογικών δομών. Οι ιστοί και οι δομές του μαστού προβάλλονται στον ανιχνευτή, ο οποίος είναι σε ένα επίπεδο κάθετο στην ακτινολογική λυχνία, εμφανίζονται επικαλυπτόμενες. Έτσι οι κακοήθεις αλλοιώσεις μπορεί να καλύπτουν από την παρουσία επικαλυπτόμενου αδενικού ιστού, οδηγώντας σε ψευδώς αρνητικά, ενώ ψευδώς θετικά μπορούν να παραχθούν από την επιπροβολη φυσιολογικού ιστού.Η ΨΤΜ είναι μια ψευδο-3-Διαστατη τεχνική απεικόνισης, στην οποία πολλαπλές προβολικές εικόνες χαμηλής δόσης του μαστού λαμβάνονται από ένα ψηφιακό ανιχνευτή κατά την κίνηση σε ένα περιορισμένο τόξο της ακτινολογικής λυχνίας, παρέχοντας ανακατασκευασμένες τομογραφικές εικόνες. Η λήψη προβολικών εικόνων ΨΤΜ είναι παρόμοια με την λήψη συμβατικών εικόνων ψηφιακής μαστογραφίας, με την σημαντικότερη διαφορά να είναι η κίνηση της λυχνίας ως προς τον σταθερό ανιχνευτή. Ο μαστός κατά την τομοσύνθεση συμπιέζεται επίσης και τοποθετείται στη βάση στήριξης κατά τους ίδιους τρόπους με τη συμβατική μαστογραφία (π.χ. κεφαλουραία λήψη, έσω- έξω λοξή λήψη). Κάθε ανακατασκευασμένο επίπεδο αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό βάθος μέσα στο συμπιεσμένο μαστό. Μόνο οι δομές που ανήκουν σε κάθε βάθος απεικονίζονται εστιασμένες στα αντίστοιχα ανακατασκευασμένα επίπεδά τους, ενώ οι δομές που ανήκουν σε άλλο επίπεδο εμφανίζονται θολές. Έτσι, ο ανατομικός θόρυβος μειώνεται και η ανιχνευσιμότητα αλλοιώσεων βελτιώνεται συγκρινόμενη με την 2Δ μαστογραφία.7Υπάρχουν τρείς τύποι ανακατασκευασμένων αντικειμένων που εμφανίζονται στην τομοσύνθεση, τα τομογραφικά επίπεδα (ή τομές), οι πλάκες και οι 2Δ συνθετικές εικόνες. Οι τομές είναι σειρές εικόνων που απεικονίζουν το περιεχόμενο του μαστού σε διάφορα βάθη. Οι εικόνες που παράγονται από την ΨΤΜ είναι επίπεδα παράλληλα στο επίπεδο του ανιχνευτή, με 0,5 έως 1 mm κενό ανάμεσα τους. Η απόσταση αναφέρεται ως πάχος τομής, όμως το πραγματικό πάχος αυτών των επιπέδων είναι 0.Οι πλάκες κατασκευάζονται προσθέτοντας πολλαπλές τομές τομοσύνθεσης μαζί, παράγοντας πάχη μεγαλύτερα του 1 cm. Οι πλάκες προσφέρουν στους ακτινολόγους έναν τρόπο να επιταχύνουν την ροή εργασίας της αξιολόγησης των τομοσυνθετικών εικόνων.Οι συνθετικές 2Δ μαστογραφικές εικόνες προέρχονται από ανακατασκευασμένα επίπεδα τομοσύνθεσης. Η συνθετική 2Δ μαστογραφία επιχειρεί να παρέχει μια δισδιάστατη λήψη ολόκληρου του μαστού όπως η συμβατική 2Δ μαστογραφία. Παράγεται χωρίς δόση ακτινοβολίας αφού κατασκευάζεται από τις εικόνες τομοσύνθεσης.Ακόμα κι αν η τομοσύνθεση χρησιμοποιεί χαμηλής δόσης προβολές, ο αυξημένος αριθμός τους (9-25) οδηγεί σε αύξηση της δόσης σε σύγκριση με την συμβατική μαστογραφία. Η δόση ακτινοβολίας μια τομοσυνθετικης λήψης μπορεί να είναι από ίση μέχρι διπλάσια της δόσης μια συμβατικής μαστογραφικής λήψης, ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Παρόλα αυτά, ακόμα κι αν εν τέλει ο λόγος δόσης μιας τομοσυνθετικης λήψης και μιας μαστογραφικής λήψης γίνει 1, η δόση ακτινοβολίας της εξέτασης θα διπλασιαστεί, αφού τα παρόντα πρωτοκολλα περιλαμβάνουν και τις δυο λήψεις. Μια πιθανή λύση στην αυξημένη δόση θα ήταν ην αντικατάστασή της συμβατικής 2Δ μαστογραφίας με την συνθετική 2Δ (σ2Δ) μαστογραφία. [29, 14-16].Η ΨΤΜ έχει δείξει ότι βελτιώνει την ανίχνευση αλλοιώσεων χαμηλής αντίθεσης (μάζες ενσωματωμένες σε πυκνό παρέγχυμα) [8], ενώ η συνεισφορά της στην ανίχνευση ομάδων μικροαποτιτανώσεων (ΜΑ) είναι αμφιλεγόμενη [9-13]. Η έλλειψη πίνακα αληθείας αλλοιώσεων σε κλινικά δεδομένα καθιστά την διασύγκριση των τεχνικών απεικόνισης μέσω ποσοτικής ανάλυσης της εικόνας δύσκολο και προκλητικό έργο, ενώ οι μελέτες που χρησιμοποιούν ομοιώματα μπορούν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό [17-27], ενώ επικρίνονται για έλλειψη ρεαλισμού συγκρινόμενα με τα κλινικά δεδομένα.8Το ρεαλιστικό υπόβαθρο έχει ληφθεί υπόψη στις ποσοτικές μελέτες αξιολόγησης ποιότητας εικόνας [17, 22, 23, 25], παρόλα αυτά, οι ομάδες μικροαποτιτανώσεων αποτελούταν από ένα μικρό αριθμό σωματιδίων μικροαποτιτανώσεων (έως 6), ήταν ιδανικού σφαιρικού ή κυλινδρικού σχήματος, και χαρακτηρίζονταν από μη ρεαλιστική κατανομή είτε στο x-y επίπεδο είτε κατά μήκος του άξονα z. Συνεπώς, η ποσοτική αξιολόγηση ποιότητα εικόνας ομάδων αποτιτανώσεων αποτελούμενες από σωματίδια ρεαλιστικά, σε σχέση με το μέγεθος, το σχήμα, και την κατανομή τους, σε ετερογενές παρέγχυμα είναι ανοιχτό θέμα έρευνας.Σε αυτή τη διατριβή το TORMAM μαστογραφικού αντικείμενο ελέγχου (Leeds Test Objects Ltd, North Yorkshire, UK) χρησιμοποιείται (πάχους 15 mm). Το ένα τμήμα του αντικείμενου ελέγχου TORMAM αποτελείται από ομοιόμορφο (ομοιογενές) υλικό υποβάθρου και περιέχει 6 ομάδες ινώσεων, 6 ομάδες κυκλικών δομών χαμηλής αντίθεσης, και 6 ομάδες σωματιδίων με βάση το ασβέστιο (S1 224–354 μm, S2 180–283 μm, S3 150–226 μm, S4 106–177 μm), προσομοιώνοντας ομάδες μικροαποτιτανώσεων ρεαλιστικής εμφάνισης σε σχέση με το μέγεθος και το σχήμα, τον αριθμό και την χωρική κατανομή των σωματιδίων. Το άλλο μισό του αντικειμένου ελέγχου TORMAM αποτελείται από μη-ομοιόμορφο (ετερογενές) υλικό προσομοιώνοντας την εμφάνιση περιοχών μαζικού ιστού παρεγχύματος διαφορετικής πυκνότητας (από χαμηλή σε υψηλή) και περιέχει 6 ομάδες μικροαποτιτανώσεων ρεαλιστικής εμφάνισης.Ένα σύστημα 2Δ μαστογραφίας και ΨΤΜ (Hologic, Selenia Dimensions, Bedford, USA) χρησιμοποιήθηκε για να απεικονίσει το ομοίωμα TORMAM, σε ρύθμιση Auto-filter και τύπο ComboHD. Ο τρόπος λήψης ComboHD, πραγματοποιεί τις λήψεις 2Δ και ΨΤΜ μαζί σε μια συμπίεση, και επιτρέπει την δημιουργία σ2Δ εικόνας.Για να εκτιμηθεί ποσοτικά η ποιότητα εικόνας των σωματιδίων των ομάδων μικροαποτιτανώσεων του TORMAM, ο λόγος διαφοράς σήματος προς θόρυβο, προσαρμόστηκε για ομάδες μικροαποτιτανώσεων, και αξιολογήθηκαν και στους 3 μαστογραφικούς τύπους απεικόνισης (ΨΤΜ, 2Δ και σ2Δ).Η επίδραση της αυξανόμενης σκέδασης στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων, σχετιζόμενη με το αυξανόμενο πάχος ομοιώματος (μιμούμενο το συμπιεσμένο πάχος μαστού), αναλύθηκε τόσο στο ομοιογενές όσο και στο ετερογενές τμήμα του TORMAM ομοιώματος ( TORMAM αντικείμενο ελέγχου + ακρυλικές πλάκες), προσθέτοντας ακρυλικές πλάκες για να επιτευχθούν τα πάχη ομοιώματος 20, 30, 40, 50 και 60 mm.9Η επίδραση του μεγέθους των ομάδων μικροαποτιτανώσεων στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων αναλύθηκε μόνο στο τμήμα ομοιογενούς υποβάθρου του ομοιώματος, λαμβάνοντας υπόψιν μόνο τις πλήρως ορατές ομάδες, δηλαδή τις 4 μεγαλύτερες ομάδες μικροαποτιτανώσεων του TORMAM ομοιώματος.Η επίδραση της αυξανόμενης πυκνότητας παρεγχύματος στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων αναλύθηκε μόνο στο τμήμα ετερογενούς υποβάθρου του ομοιώματος TORMAM. Για να υποστηριχθεί αυτό το έργο ανάλυση ιστογράμματος παραγοντοποιήθηκε στην πυκνότητα του περιβάλλοντος παρεγχύματος των ομάδων μικροαποτιτανώσεων.Τέλος, η ανάλυση τόσο στο ομοιογενές όσο και στο ετερογενές τμήμα του ομοιώματος TORMAM επαναλήφθηκε για το «ανεστραμμένο» αντικείμενο ελέγχου TORMAM ώστε να ληφθεί υπόψιν η επίδραση της θέσης των ομάδων μικροαποτιτανώσεων κατά τον άξονα z (απόσταση από τι κάλυμμα του ανιχνευτή) στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων.Ο λόγος διαφοράς σήματος προς θόρυβο, χρειάζεται για τον υπολογισμό του τον ορισμό των περιοχών των σωματιδίων και των περιοχών του υποβάθρου που περιβάλλουν τα σωματίδια. Αντιμετωπίζοντας ομάδες μικροαποτιτανώσεων που απαριθμούν πολλά σωματίδια απαιτείται ακριβής και επαναλαμβανομένη αυτόματη ή ημιαυτόματη μέθοδος τμηματοποίησης. Ένας αλγόριθμος ικανός να συλλάβει το ποικίλες σχήμα και μέγεθος των μεμονωμένων σωματιδίων, βασισμένος σε δύο μοντέλα παραμόρφωσης, επιπεδοσυνόλου και ενεργού περιγράμματος [33], χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί πίνακας αληθείας των περιοχών των σωματιδίων.Πίνακας αληθείας των σωματιδίων δημιουργείται για κάθε ομάδα αποτιτανώσεων για κάθε μαστογραφικό τύπο για την λήψη πάχους ομοιώματος 20 mm , η οποία θεωρείται ως συνθήκη λήψης αναφοράς (ιδανική). Στην περίπτωση των ανακατασκευασμένων τομών ΨΤΜ, η τμηματοποίηση των μικροαποτιτανώσεων διεξήχθη στο εστιακό επίπεδο, το οποίο προσαρμόστηκε στο συγκεκριμένο τμήμα ομοιώματος (δηλαδή, ομοιογενές ή ετερογενές). Ώστε να επιτραπεί η διασύγκριση των μαστογραφικών τύπων ως προς όρους ποιότητας εικόνας, δόθηκε προσοχή στην τμηματοποίηση αντίστοιχων/ομόλογων σωματιδίων ανά ομάδα μικροαποτιτανώσεων σε όλους τους μαστογραφικούς τύπους.Τα αποτελέσματα που αφορούν την επίδραση των συνθηκών αυξανόμενης σκέδασης ανά μαστογραφικό τύπο, έδειξαν μη στατιστικά σημαντικές διαφορές τόσο10για τα τμήμα ομοιογενούς όσο και ετερογενούς υποβάθρου. Η σταθερότητα στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων σε σχέση με την αύξηση του πάχους ομοιώματος αποδίδεται στο σύστημα ελέγχου αυτόματης έκθεσης της συγκεκριμένου μαστογραφικού συστήματος.Αναφορικά με τα αποτελέσματα της επίδρασης του μεγέθους των ομάδων μικροαποτιτανώσεων στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων στο τμήμα ομοιογενούς υποβάθρου του ομοιώματος TORMAM, η διασύγκριση μεταξύ των μαστογραφικών τύπων, έδειξε ότι η ΨΤΜ και η 2Δ υπερέχουν της σ2Δ, στην περίπτωση της μικρότερης ορατής ομάδας μικροαποτιτανώσεων για όλα τα μελετόμενα πάχη ομοιώματος (30-60 mm). Για το μεγαλύτερο μέγεθος ομάδας μικροαποτιτανώσεων, όλοι οι τύποι ήταν ισοδύναμοι (μη δείχνοντας στατιστικώς σημαντικές διαφορές) για όλα τα μελετόμενα πάχη ομοιώματος (30–60 mm). Όσον αφορά τα δύο ενδιάμεσα μεγέθη ομάδων μικροαποτιτανώσεων, ο ρόλος της 2Δ ενισχύεται όσο μειώνεται το μέγεθος κι αυξάνεται το πάχος ομοιώματος.Αναφορικά με τα αποτελέσματα της επίδρασης της αυξανόμενης πυκνότητας του περιβάλλοντος παρεγχύματος των ομάδων μικροαποτιτανώσεων στο τμήμα ετερογενούς υποβάθρου του ομοιώματος TORMAM, πάνω στον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων, ο ρόλος της ΨΤΜ επισημάνθηκε συγκρινόμενη με την 2Δ και την σ2Δ, στην περίπτωση αυξημένης πυκνότητας περιβάλλοντος παρεγχύματος και αυξημένης σκέδασης (αυξημένο πάχος ομοιώματος). Τέλος, η σύγκριση ως προς με τον λόγο διαφοράς σήματος προς θόρυβο της ομάδας μικροαποτιτανώσεων μεταξύ 2Δ και σ2Δ μαστογραφίας δεν απεκάλυψε κάποια στατιστικώς σημαντική διαφορά για όλες τις μελετώμενες πυκνότητες (D1, D2, D3, D4, and D5) και για όλα τα μελετόμενα πάχη (30, 40, 50, and 60 mm).Τέλος, επαναλαμβάνοντας τα παραπάνω πειράματα για την επίδραση μεγέθους και πυκνότητας παρουσία συνθηκών αυξανόμενης σκέδασης για το «ανεστραμμένο» αντικείμενο ελέγχου TORMAM, δεν παρουσιάστηκε καμία στατιστικώς σημαντική διαφορά στην περίπτωση του τμήματος ομοιογενούς υποβάθρου του ομοιώματος επιβεβαιώνοντας την θέση των μικροαποτιτανώσεων στον άξονα z στο μέσο του αντικείμενου ελέγχου, ως αναμενόταν. Αναφορικά με το τμήμα ετερογενούς υποβάθρου, επίσης καμία στατιστικώς σημαντική διαφορά δεν παρουσιάστηκε μεταξύ των 2 τοποθετήσεων του αντικείμενου ελέγχου TORMAM, παρόλο που τα σωματίδια11βρίσκονται 8 mm πιο μακριά από το κάλυμμα του ανιχνευτή (είναι τοποθετημένα στην κάτω πλευρά του αντικείμενου ελέγχου).Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής προτείνουν ότι προς το παρόν, στην περίπτωση του ομοιογενούς υποβάθρου, και οι 3 μαστογραφικοί τύποι αποδίδουν παρόμοια για μεγάλα ή ενδιάμεσα μεγέθη ομάδων μικροαποτιτανώσεων, αλλά δεν μπορούν να αντικαταστήσουν την 2Δ μαστογραφία στην περίπτωση μικρού μεγέθους ομάδων μικροαποτιτανώσεων και αυξημένου πάχους ομοιώματος (αυξημένης σκέδασης). Ενώ, η ΨΤΜ εμφανίζεται να υπερέχει στην περίπτωση της αυξημένης πυκνότητας μαστού του ετερογενούς υποβάθρου, δεδομένου ότι το μέγεθος των ομάδων συμμορφώνεται στην χωρική διακριτική του ικανότητα.Ένας αριθμός προβλημάτων παραμένει ανοιχτός ώστε να ολοκληρωθεί η ποσοτική ανάλυση ποιότητα εικόνας για τις ομάδες μικροαποτιτανώσεων στις τρείς τεχνικές απεικόνισης, όπως είναι η ανάλυση του σχήματος των ομάδων μικροαποτιτανώσεων [23], και το οποίο σχεδιάζεται στα άμεσα επόμενα βήματα.