CC BY
76
УДК 616-006
13 Д. Сулейменова,1'2А.С. Айнакулова, 12Ж.Ж. Жолдыбай
1 Казахский Национальный Медицинский Университет имени С.Д. Асфендиярова, г.Алматы 2 Казахский научно-исследовательский институт онкологии и радиологии, г.Алматы 3 Медицинский центр «ймвга», г.Нур-Султан
ЦИФРОВОМ ТОМОСИНТЕЗ МОЛОЧНЫХ ЖЕЛЕЗ: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Цифровой томосинтез молочных желез представляет собой новый этап в эволюции цифровой рентгеновской маммографии, позволяющий получать псевдо-объемные изображения тканей молочной железы и уменьшить эффект наложения тканей. В 2011 году данный метод был одобрен ассоциацией еды и лекарственных средств США (FDA) для использования в качестве диагностического метода, а в 2016 году — в качестве скринингового метода. В статье представлен обзор литературы по действующим на современном рынке аппаратам цифрового томосинтеза с различными особенностями построения и реконструкции изображения, каждый из которых обладает как своими техническими достоинствами, так и недостатками. Ключевые слова: Цифровой томосинтез, маммография
Введение. Цифровой томосинтез - это метод исследования образований молочной железы, который позволяет получить 3D-объемное изображение.
Материалы и методы. Поиск в базе данных PubMed выявил более 1000 научных статей посвященных методу цифрового томосинтеза с 1997 года.
Результаты. Этапы развития метода цифрового томосинтеза: хотя общая концепция томосинтеза для радиографической визуализации восходит к началу 1930-х годов [1], для визуализации молочных желез она была применена только в 1990-х годах [2]. Первые изображения молочной железы с помощью метода цифрового томосинтеза были получены в 1997 году [3]. №к^оп и соавторы продемонстрировали возможность применения цифрового томосинтеза для визуализации молочных желез с использованием образцов, полученных при мастэктомии. Подробный обзор цифрового рентгеновского томосинтеза для визуализации грудной клетки и молочной железы был
предоставлен Доббинсом и Годфри [4]. Кроме того другими авторами было выпущено несколько обзоров, посвященных возможностям, клиническому применению [9-13] и достижениям в технологии цифрового томосинтеза [14,15]. В 2011 году данный метод был одобрен ассоциацией еды и лекарственных средств США (FDA) для использования в качестве диагностического метода, а в 2016 году — в качестве скринингового метода.
Суть метода, его физические характеристики и технические требования. Томосинтез основан на получении серии снимков под различным углом наклона рентгеновской трубки с последующим преобразованием их в трехмерное цифровое изображение [12], [16]. Метод позволяет более достоверно оценить локализацию, размер и форму образования, а также минимизировать влияние окружающих тканей, что особенно важно в случае плотной структуры молочной железы.
Рисунок 1 - Рентгенологически плотные молочные железы категории С - участки плотной фиброгландулярной ткани могут скрывать мелкие образования
Базовая технология, используемая для томосинтеза, по сути, является маммографической. Как и при цифровой маммографии, для создания нескольких изображений поперечного сечения ткани молочной железы используются обычные рентгеновские лучи и цифровой детектор. Однако в отличии от стационарной рентгеновской трубки,
применяемой при получении пленочно-экранной и цифровой маммографии, при томосинтезе рентгеновская трубка движется в определенной плоскости, создавая серию проецируемых изображений, используя низкую дозу облучения [10].
Рисунок 2 - Механизм получения изображения при цифровом томосинтезе молочных желез
Выделяют несколько вариантов перемещения рентгеновской трубки и детектора относительно обследуемого объекта. При изоцентрическом движении детектора, он наклонен относительно центра вращения, в то время как источник рентгеновского излучения проходит дугу в заданном соотношении [2]. Была также разработана система томосинтеза с щелевым сканированием, в которой центр вращения расположен под детектором [17]. Другой способ — линейный томосинтез — заключается в перемещении рентгеновской трубки в плоскости, параллельной плоскости детектора. Каждый подход имеет свои преимущества и потенциальные ограничения, однако широкое применение в технологии томосинтеза нашел метод изоцентрического движения.
Дугообразное движение рентгеновской трубки наилучшим образом подходит для визуализации молочной железы, поскольку большинство нормальных анатомических структур молочной железы ориентированы от грудной стенки к соску. Изображения затем переводятся в цифровой формат, в котором их можно просматривать с помощью специальной программы для визуализации рентгенограмм молочных желез, подобно просмотру изображений КТ или МРТ.
Количество реконструированных снимков будет зависеть от толщины сжатой молочной железы и желаемого расстояния между снимками, которое обычно составляет около 1 мм. Изображения томосинтеза представляют собой те же проекции, полученные в стандартной маммографической ориентации, например, краниокаудальной,
медиолатеральной косой, медиолатеральной и латеромедиальной. С помощью томосинтеза также можно получать прицельные изображения и проекции со
смещением импланта, но нельзя получить прицельные изображения с увеличением.
Доза облучения при томосинтезе приблизительно эквивалентна таковой при маммографии. Однако часто выполняется комбинированное обследование, сочетающее обычную цифровую маммографию с томосинтезом. В случае такого режима, доза облучения при скрининговом обследовании будет вдвое выше, тем не менее она не превышает пределов, установленных FDA. Было показано, что польза от томосинтеза в сочетании с маммографией перевешивает риски от увеличения дозы облучения [18]. Для выполнения исследования необходимо специальное оборудование. Современные клинические системы для цифрового томосинтез различаются геометрией визуализации, диапазоном угла движения рентгеновской трубки, количеством проекций и их распределением, продолжительностью сканирования, способом получения изображения и алгоритмами реконструкции [19]. На сегодняшний день, основными производителями устройств для томосинтеза, соответствующих основным требованиям и стандартам Европейского Союза, являются General Electric (SenoClaire), Hologic (Selenia Dimensions), Internazionale Medico Scientifica (Giotto Tomo), Siemens (MAMMOMAT Inspiration).
Помимо этого, системы для цифрового томосинтеза молочных желез были также разработаны SectraMamea AB (Швеция), Fujifilm (Япония), Planmed (Финляндия) и XCounter AB (Швеция). Подробные спецификации этих систем представлены в обзоре Sechopoulos [15] и в протоколе контроля качества Европейской справочной организацией для служб скрининга и диагностики молочной железы гарантированного качества [20].
Рисунок 3 - Система цифрового томосинтеза Hologk Selenia 3D
WW
Вестник КозНЛЛУ № I - 2020
Особенности построения и реконструкции изображения при цифровом томосинтезе. Существует несколько алгоритмов построения и реконструкции изображения для цифрового томосинтеза. Методы различаются с точки зрения геометрии изображения, углового диапазона движения источника рентгеновского излучения и характеристик детектора, которые могут существенно повлиять на качество изображения.
Самый простой метод — это метод с использованием линейного алгоритма сдвига-сложения (SAA — shift-and-add), который заключается в смещении каждой проекции так, что сигналы от объектов на одной глубине четко регистрируются в каждой из проекций, тогда как сигналы от объектов в других плоскостях расплывчаты и размыты [3]. Однако подход сдвига-сложения требует тщательной коррекции для устранения размытия изображения, поэтому в настоящее время он не используется в одиночку [21-22]. Метод фильтрованных обратных проекций (FBP — filtered back projection) и метод матриксного инверсионного томосинтеза (MITS — matrix inversion tomosynthesis) позволяют решить проблему размытия изображения, возникающую при использовании алгоритма сдвига-сложения. Данные методы относятся к быстрым вычислительным алгоритмам. MITS с помощью функций размытия плоскостей на момент реконструкции интересующей плоскости позволяет устранять нечеткость в фокусе исследования. Данныи алгоритм достаточно быстро обрабатывается компьютером с получением изображения с низким уровнем шума и размытия [23, 24]. Для устранения нечеткости изображении также используется метод фильтрованных обратных проекции (FBP), которьш происходит на основе преобразования Фурье и широко использовался ранее для реконструкции изображении
компьютернои томографии [25]. FBP отличается от метода обратных проекции тем, что профили размытости фильтруются и модифицируются до обратного проецирования [26]. Основным различием методов FBP и М^ является спектр шума. Так, FBP обладает лучшими шумовыми своиствами в области низких частотах, а М1Т5 — в области высоких частот, при этом не требуется применение поглощающего фильтра [27]. Кроме того, было показано, что одновременная алгебраическая реконструкция с избирательной диффузионной регуляризацией (обеспечивающая снижение шума) улучшает отношение контрастности к шуму при сохранении резкости микрокальцинатов в молочной железе [28]. Показано, что гауссово частотное смешивание алгоритма FBP и М^ обеспечивает лучшую реконструкцию микрокальцинатов с меньшим высокочастотным шумом, чем FBP и М^ в отдельности [29].
Еще один метод реконструкции — метод итерационного восстановления. Итерационные методы обычно включают циклический процесс оценки объема, сравнения различий между моделируемыми проекциями с измеренными проекциями и обновления объема на основе этих различий. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто определенное количество итераций или когда различия между моделируемой и измеренной проекциями будут достаточно малы. Метод позволяет устранять размытие изображения в каждой из плоскостей, используя функции размытия, однако, в отличие от М^, не использует алгебраическую матрицу, что замедляет вычислительныи процесс [30-31]. Преимуществом метода является возможность включения всех элементов системы обработки изображении, включая усечение структур в краю детектора в широких углах.
Рисунок 4 - Изображения цифрового томосинтеза левой молочной железы в краниокаудальной и прямой проекциях, полученные с помощью уникального алгоритма итерационного восстановления на аппарате General Electric
Помимо вышеперечисленного, для реконструкции изображении в томосинтезе были исследованы несколько дополнительных алгоритмов [32, 33, 34]. В частности, T. Wu и соавторы опубликовали результаты реконструкции изображении томосинтеза с использованием алгоритма максимизации наиболее вероятных ожидании (MLEM — maximum likelihood expectation maximization) [35]. Авторы отмечают, что преимущество этого подхода состоит в том, что могут быть смоделированы все компоненты системы формирования изображения. Также было показано, что MLEM превосходит FBP в визуализации кальцинатов в молочнои железе. Однако, данныи метод так же является итерационным, поэтому требует довольно большого объема вычислении.
Известные и одобренные на сегодняшний день устройства для выполнения ТС, такие как Selenia Dimensions (Hologic) и MAMMOMAT Inspiration (Siemens) используют алгоритм FBP для реконструкции изображений, а SenoClaire (General Electric) и GiottoTomo (Internazionale Medico Scientifica) —
итерационный метод. Как было сказано ранее, данные платформы отличаются по параметрам построения и реконструкции изображения. Выбор того или иного устройства зависит от финансовых возможностей, клинических требований и навыков специалистов. Выводы. Цифровой томосинтез молочных желез представляет собой новый этап в эволюции цифровой рентгеновской маммографии, позволяющий получать псевдо объемные изображения тканей молочной железы и уменьшить эффект наложения тканей. Данный метод одобрен международными регулирующими организациями для использования в качестве диагностического и скринингового методов. Большинство деиствующих на современном рынке аппаратов цифрового томосинтеза используют метод фильтрованных обратных проекции и метод итерационного восстановления, каждый из которых обладает как своими техническими достоинствами, так и недостатками.
VeStnik KQzfimU № I - 2020
СПИСОК
1 Des Plantes BGZ. EINE NEUE METHODE ZUR DIFFERENZIERUNG IN DER RÖNTGENOGRAPHIE (PLANIGRAPHIE). Acta Radiol. 1932 Mar 1; os-13(2):182-92;
2 Niklason LT, Niklason LE, Kopans DB. Tomosynthesis system for breast imaging. US5872828A, 1999. Available from: https://patents.google.com/patent/US5872828A/en;
3 Niklason LT, Christian BT, Niklason LE, Kopans DB, Castleberry DE, Opsahl-Ong BH, et al. Digital tomosynthesis in breast imaging. Radiology. 1997 Nov; 205(2):399-406;
4 Dobbins JT, Godfrey DJ. Digital x-ray tomosynthesis: current state of the art and clinical potential. Phys Med Biol. 2003 Oct 7; 48(19):R65-106;
5 D'Orsi CJ, Newell MS. On the frontline of screening for breast cancer. Semin Oncol. 2011 Feb; 38(1):119-27;
6 Helvie MA. Digital Mammography Imaging: Breast Tomosynthesis and Advanced Applications. Radiol Clin North Am. 2010 Sep; 48(5):917-29;
7 Karellas A, Vedantham S. Breast cancer imaging: A perspective for the next decade. Med Phys. 2008 Nov; 35(11):4878-97;
8 Skaane P. Studies comparing screen-film mammography and full-field digital mammography in breast cancer screening: updated review. Acta Radiol Stockh Swed 1987. 2009 Jan; 50(1):3-14;
9 Alakhras M, Bourne R, Rickard M, Ng KH, Pietrzyk M, Brennan PC. Digital tomosynthesis: a new future for breast imaging? Clin Radiol. 2013 May; 68(5):e225-236;
10 Baker JA, Lo JY. Breast tomosynthesis: state-of-the-art and review of the literature. Acad Radiol. 2011 Oct; 18(10):1298-310;
11 Diekmann F, Bick U. Breast tomosynthesis. Semin Ultrasound CT MR. 2011 Aug; 32(4):281-7;
12 Park JM, Franken EA, Garg M, Fajardo LL, Niklason LT. Breast Tomosynthesis: Present Considerations and Future Applications. RadioGraphics. 2007 Oct 1; 27(suppl_1):S231-40;
13 Uematsu T. The emerging role of breast tomosynthesis. Breast Cancer Tokyo Jpn. 2013 Jul; 20(3):204-12;
14 Sechopoulos I. A review of breast tomosynthesis. Part I. The image acquisition process. Med Phys. 2013 Jan; 4(1);
15 Sechopoulos I. A review of breast tomosynthesis. Part II. Image reconstruction, processing and analysis, and advanced applications. Med Phys. 2013 Jan;40(1):014302;
16 Tingberg A, Zackrisson S. Digital mammography and tomosynthesis for breast cancer diagnosis. Expert Opin Med Diagn. 2011 Nov 1; 5:517-26;
17 Badano A, Freed M, Fang Y. Oblique incidence effects in direct x-ray detectors: a first-order approximation using a physics-based analytical model. Med Phys. 2011 Apr; 38(4):2095-8;
18 Rose S, Tidwell A, Bujnoch L, Kushwaha A, Nordmann A, Sexton R. Implementation of Breast Tomosynthesis in a Routine Screening Practice: An Observational Study. AJR Am J Roentgenol. 2013 Jun 1;200:1401-8;
19 Vedantham S, Karellas A, Vijayaraghavan GR, Kopans DB. Digital Breast Tomosynthesis: State of the Art. Radiology. 2015 Dec; 277(3):663-84;
20 20.N. Perry, M. Broeders, C. de Wolf, S. Törnberg, R. Holland, L. von Karsa. EUREF European Reference Organisation for
Quality Assured Breast Screening and Diagnostic Services, 2006, p 25-30;
21 Suryanarayanan S, Karellas A, Vedantham S, Glick SJ, D'Orsi CJ, Baker SP, et al. Comparison of tomosynthesis methods used with digital mammography. Acad Radiol. 2000 Dec;7(12):1085-97;
22 Suryanarayanan S, Karellas A, Vedantham S, Baker SP, Glick SJ, D'Orsi CJ, et al. Evaluation of linear and nonlinear tomosynthetic reconstruction methods in digital mammography. Acad Radiol. 2001 Mar;8(3):219-24;
23 Godfrey D, Mcadams H, Dobbins J. Optimization of the matrix inversion tomosynthesis (MITS) impulse response and modulation transfer function characteristics for chest imaging. Med Phys. 2006 Apr 1;33:655-67;
24 Gomi T. X-ray Digital Linear Tomosynthesis Imaging for Artificial Pulmonary Nodule Detection. J Clin Imaging Sci, 2011 Feb1: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3177417/;
25 Chen Y, Balla A, Rayford CE, Zhou W, Fang J, Cong L. Digital tomosynthesis parallel imaging computational analysis with Shift and Add and Back Projection reconstruction algorithms. Int J Comput Biol Drug Des. 2010; 3(4):287-96;
26 Dobbins JT. Tomosynthesis imaging: At a translational crossroads. Med Phys. 2009 Jun; 36(6):1956-67;
27 Badea C, Kolitsi Z, Pallikarakis N. Image Quality in Extended Arc Filtered Digital Tomosynthesis. Acta Radiol Stockh Swed 1987. 2001 Apr 1;42:244-8;
28 Lu Y, Chan H-P, Wei J, Hadjiiski LM. Selective-diffusion regularization for enhancement of microcalcifications in digital breast tomosynthesis reconstruction. Med Phys. 2010 Nov; 37(11):6003-14;
29 Chen Y, Lo JY, Baker JA, Iii JTD. Gaussian frequency blending algorithm with matrix inversion tomosynthesis (MITS) and filtered back projection (FBP) for better digital breast tomosynthesis reconstruction. In: Medical Imaging 2006: Physics of Medical Imaging [Internet]. International Society for Optics and Photonics; 2006 [cited 2020 Mar 3]. p. 61420E;
30 Maravilla KR, Murry RC, Horner S. Digital tomosynthesis: technique for electronic reconstructive tomography. AJR Am J Roentgenol. 1983 Sep;141(3):497-502;
31 Ruttimann UE, Groenhuis RA, Webber RL. Restoration of digital multiplane tomosynthesis by a constrained iteration method. IEEE Trans Med Imaging. 1984;3(3):141-8;
32 Das M, Gifford HC, O'Connor JM, Glick SJ. Penalized maximum likelihood reconstruction for improved microcalcification detection in breast tomosynthesis. IEEE Trans Med Imaging.
2011 Apr; 30(4):904-14;
33 Sidky EY, Pan X, Reiser IS, Nishikawa RM, Moore RH, Kopans DB. Enhanced imaging of microcalcifications in digital breast tomosynthesis through improved image-reconstruction algorithms. Med Phys. 2009 Nov;36(11):4920-32;
34 Van de Sompel D, Brady M. Regularising limited view tomography using anatomical reference images and information theoretic similarity metrics. Med Image Anal.
2012 Jan 1;16(1):278-300;
35 Wu T, Moore RH, Rafferty EA, Kopans DB. A comparison of reconstruction algorithms for breast tomosynthesis. Med Phys. 2004 Sep;31(9):2636-47.
WW
Вестник КозНЛЛУ № I - 2020
1'3Д. Сулейменова, 1,2Ж.Ж. Жолдыбай, 1,2А.С. Айнакулова
1С.Ж Асфендияров атындагы К,азац ¥лттыц Медицина Университетi, Алматы 2%азац онкология жэне радиология гылыми-зерттеу институты, Алматы 3 Медициналыц орталыц «Divera», Нур-Султан
САНДЬЩ ТОМОСИНТЕЗ: ЭД1СТЩ ФИЗИКАЛЬЩ НЕГ1ЗДЕР1
Резюме: Сандык; сут бездерiнiц томосинтезi рентгендiк маммография эволюциясыныц жаца кезецiн бiлдiредi, бул сут бездерiнiц псевдо-к0лемдiк бейнелерiн алуга жэне тiндердiц кабаттасуыныц эсерiн азайтуга MYMкiндiк бередi. 2011 жылы бул эдiстi Америка Курама Штаттарыныц азык;-TYлiк жэне дэрi-дэрмектер бас;армасы (FDA) диагностикалык; эдiс ретiнде, ал 2016 жылы скрининг эдта
ретiнде к;олдану Yшiн макулдады. Ма;алада заманауи нары;та жумыс iстейтiн санды; томосинтез ;урылгыларындагы эдебиеттерге кескiн к;уру мен ;айта ;урудыц эртYрлi ерекшелiктерi берiлген, олардыц эр;айсысыныц 0зiндiк техникалы; арты;шылы;тары мен кемшiлiктерi бар.
ТYЙiндi свздер: Санды; томосинтез, маммография
13D. Suleimenova, 12Zh.Zh. Zholdybay, 12A.S. Ainakulova
1Asfendiyarov Kazakh National Medical University, Almaty 2Kazakh Research Institute of Oncology and Radiology, Almaty 3 Medical center «Divera», Nur-Sultan
DIGITAL BREAST TOMOSYNTHESIS: PHYSICAL BASES OF THE METHOD (LITERATURE REVIEW)
Resume: Digital tomosynthesis is a new stage in the evolution of review in digital tomosynthesis devices operating on the modern
digital mammography, which allows to obtain pseudo-volumetric market with various features of image construction and
images of breast and reduce the effect of tissue overlay. In 2011, reconstruction, each of which has its own technical advantages
this method was approved by the United States Food and Drug and disadvantages.
Administration (FDA) for use as a diagnostic method, and in Keywords: Digital tomosynthesis, mammography
2016 as a screening method. The article presents a literature
