Germán Tirao Grupo de Física Médica e Imágenes de Rayos X FaMAF – Universidad Nacional de Córdoba & CONICET Mammography Image Quality Optimization.

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1 Germán Tirao Grupo de Física Médica e Imágenes de Rayos X FaMAF – Universidad Nacional de Córdoba & CONICET Mammography Image Quality Optimization

2 Hoja 2 Mammography Image Quality Optimization RX IMAGING TECHNIQUES 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 The goal of mammography is the early detection of breast cancer. A mammography image is an special kind of breast radiography. OPTIMIZATION The image quality depends on: Sample properties (breast tissue, kind of micro, breast size, calcifications, etc…) Detector resolution Set-up & Irradiation parameters (beam features and inserted devices)

3 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 3 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste CONVENTIONAL RADIOGRAPHY 2. 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Measured Intensity Attenuation factor X-ray source Colimator Object Detector z 1 st radiography 1895 CONTRAST SOURCE

4 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 4 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2. 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Conventional X-ray source (Mo-K 17 keV) Conventional X-ray source (Cu-K 8 keV) 2 mm CONTRAST SOURCE: ABSORPTION X-ray energy Sample thickness Sample composition CONVENTIONAL RADIOGRAPHY

5 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 5 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2. 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Simulated images using Monte Carlo Techniques Mathematical Processing to details detection CONTRAST SOURCE: ABSORPTION X-ray energy Sample thickness Sample composition MONTE CARLO SIMULATION

6 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 6 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2. 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Micro calcifications (details) Calcium Carbonate Calcium Oxalate Breast size 30mm 50mm 70mm Breast tissue 100% Glandular 50% Glandular and 50 % Adipose 100% Adipose Sample properties MONTE CARLO SIMULATION

7 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 7 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2. 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Irradiation parameters X-Ray spectra (Mo anode) Inserted devices Anti-scatter grid MONTE CARLO SIMULATION

8 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 8 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Quality evaluation & details detection MATHEMATICAL PROCESSING Central axis profile C and SNR Image segmentation Edge filters Correlation

9 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 9 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste Glandular 50-50 Adipose 34kV and 30mm 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization VIRTUAL IMAGE RESULTS * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Central axis profiles Details Detec. & Quality Eval.

10 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 10 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Calcium oxalate Calcium carbonate * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Central axis profiles VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detec. & Quality Eval.

11 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 11 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization 30mm 50mm 70mm * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Central axis profiles VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detec. & Quality Eval.

12 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 12 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization 24kV 34kV 40kV Breast absorbed dose [eV/(g*prim)] 92.17 123.54 136.27 * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Central axis profiles VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detec. & Quality Eval.

13 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 13 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) 958617324958617324 Central axis profiles SNR value VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detec. & Quality Eval.

14 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 14 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Image segmentation * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Tol 1 Tol 2 Tol 3 VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detection

15 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 15 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Mammographic parameters: 100% glandular breast tissue with 30 mm thick and Mo 40 kV incident spectrum, calcium oxalate μCa composition. A B C Image segmentation VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detection

16 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 16 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) 1- Smooth the image to eliminate noise. (Gaussian filter). 2- Find the image gradient to highlight regions with high spatial derivatives. 3- Nonmaximum suppression to become thinner the edge. 4- Reduces the gradient array by hysteresis to reduce the possibility of occurrence of false edge. T 1 and T 2 thresholds. 5- Close open boundary. (Deriche and Cocquerez algorithm). Mammographic parameters: 100% glandular breast tissue with 30 mm thick and Mo 40 kV incident spectrum, calcium oxalate μCa composition. Edge filters – Canny algorithm Different T 1 and T 2 thresholds VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detection

17 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 17 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Template Image Input Image Output Image Correlation The matching process moves the template image to all possible positions in a larger source image and computes a numerical index that indicates how well the template matches the image in that position. * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 ) Template Matching - Correlation VIRTUAL IMAGE RESULTS Details Detec. & Quality Eval. Quality

18 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 18 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization Sample properties Breast size Breast tissue Calcification chemical composition Irradiation parameters Spectral spectrum composition Harder spectrum generate better image quality The dose grows meanwhile the quality increases The application of a filter in the spectrum produce a lees dose Mathematical Processing Quality evaluation: Central axis profiles, Correlation Details detection: Image segmentation, edge filters, Correlation Strong dependence Weak dependence Low dependence Strong dependence SUMMARY * G. Tirao et al, Int. J. Low Radiation 7 ( 2010 )

19 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 19 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste Mammography Image Quality Optimization 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 RX IMAGING TECHNIQUES OPTIMIZATION Set-up & Irradiation parameters: X ray beam features CONVENTIONAL ABSORPTION CONTRAST SOURCE Image acquisition techniques UNCONVENTIONAL REFRACTION PHASE SCATTERING d Phase difference Attenuation object

20 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 20 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES DIFFRACTOMETRY REFRACTION LONGITUDINAL COHERENCE sample X-Rays monocromator detector analyzer reflectividad INTERFEROMETRY OPTICAL PATH DIFFERENCE LONGITUDINAL & TRANSVERSE COHERENCE monocromator X-Rays detector PROPAGATION TRANSVERSE COHERENCE WAVEFRONT CHANGES R2R2 sample X-Rays

21 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 21 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico DIFFRACTOMETRY REFRACTION LONGITUDINAL COHERENCE sample X-Rays monocromator detector analyzer reflectividad * D. Chapman et al, Phys. Med. Biol. 42 (1997) Mammography Image Quality Optimization IRIR IoIo IeIe IiIi IDID e i D R D REFRACTION R rad Analyzer UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES

22 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 22 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization Nylon immersed in methanol in a) maximum b) low-side reflectivity curve of the analyzer crystal. Eo = 10 keV. LNLS UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES

23 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 23 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste SYRMEP (Synchrotron Radiation for MEDicine Physics) Perimeter: 259.2 m Energy: 2 / 2.4 GeV Conventional Mammography Unconventional Mammography DEI techniques E o =17 keV Dose: 0.8 mGy Dose: 0.5 mGy 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES

24 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 24 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES CONTRAST-ENHANCED DIGITAL MAMMOGRAPHY * C. Dromain et al, Eur. J. Radiology 69 (2009) Dual Energy Subtraction Total X-ray dose delivered 20–50% higher Low Energy (24 - 32 keV) I K-edge (33.2 keV) High Energy (45 – 50 keV) 30 s

25 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 25 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES CONTRAST-ENHANCED DIGITAL MAMMOGRAPHY * C. Dromain et al, Eur. J. Radiology 69 (2009) Temporal subtraction technique High Energy (45 – 50 keV) - Light breast compression - Breast motion + Kinetic of tumor – Clasif. + Low radiation exposure

26 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 26 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES CONTRAST-ENHANCED DIGITAL MAMMOGRAPHY * C. Dromain et al, Eur. J. Radiology 69 (2009) Dual Energy Subtraction

27 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 27 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES CONTRAST-ENHANCED DIGITAL MAMMOGRAPHY * C. Dromain et al, Eur. J. Radiology 69 (2009) Temporal subtraction technique Kinetic curve of enhancement of breast lesion Ductal Carcinoma In Situ Invasive Ductal Carcinoma

28 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 28 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization RX IMAGING TECHNIQUES OPTIMIZATION Simulated images by Monte Carlo Techniques Relevant parameters Set-up & Irradiation parameters: X ray beam features Image acquisition Mathematical Processing Contrast enhancement, quality, details det. CONCLUSIONS

29 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 29 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste Germán Tirao Grupo de Física Médica e Imágenes de Rayos X FaMAF – Universidad Nacional de Córdoba & CONICET Mammography Image Quality Optimization Thanks for your attention

30 X Seminario Latinoamericano de Análisis por Técnicas de Rayos X, SARX 2006 Hoja 30 Imágenes de Rayos X de Alto Contraste * S. W. Wilkins et al, Nature 384 ( 1996 ) 2º Jornadas Física Médica en la Frontera. Temuco, Chile, Diciembre de 2010 Imágenes de rayos X no convencionales para diagnóstico médico Mammography Image Quality Optimization Aeration of the lungs of a newborn rabbit. (From left, fetus, after 12 breaths, then 1 hour). SPring 8, Japan (2005) PROPAGATION TRANSVERSE COHERENCE WAVEFRONT CHANGES R2R2 sample X-Rays UNCONVENTIONAL X RAY IMAGING TECHNIQUES