Universidad Complutense de Madrid Caracterización y optimización de parámetros de adquisición en CT de mama Autores: Amaia Villa, José Manuel Udías, Joaquín López Herraiz. Grupo de Física Nuclear, Dpto. de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad Complutense de Madrid, CEI Moncloa, Madrid, Spain 28/11/2016

Motivación Mamografía: CT de mama: Detección precoz de cáncer. Limitaciones: imagen 2D. Incómodo. CT de mama: Mejor imagen (3D), ¿menor dosis? pagína web “el universal” 28/11/2016 barnesjewishblog.org pagína web “auntminie”

Escáneres CT Escáneres CT convencionales en clínica: dosis donde no hace falta, peor resolución, peor imagen Mejorar imagen y limitar dosis: CT dedicado para mama -> Escáneres tipo Cone Beam (CBCT) Eje de rotación Detector Objeto Tubo de rayos-X página web “elektronika.kvalitne” http://m1.koningcorporation.com/ 28/11/2016

Objetivos del trabajo Herramienta de cálculo de dosis para adquisiciones con el equipo experimental dedicado a mama: Simulación de referencia (MC penEasy) calibrada para el equipo experimental. Simulación ultra-rápida (Hybrid Ultra-MC). Herramientas de reconstrucción de imagen Proyector analítico CBCT. Reconstrucción imagen analítica e iterativa Ruido – Tambien depende de flat panel, metodo reconstruccion.. Contraste – Tipo de mama, metodo reconstruccion, … 28/11/2016

Métodos 1 ) Simulador MC completo PenEasy (https://www.oecd-nea.org/tools/abstract/detail/nea-1525) Transporte de la radiación en la materia para fotones, electrones y positrones. Requiere de un espacio de fases (PHSP) para muestrear las trayectorias y energías de los fotones iniciales. 10 cm 7 cm 20 cm 28/11/2016

Proyección en el detector Métodos 2 ) Hybrid Ultra-MC Vidal, M., Ibáñez García, P., Cal González, J., Guerra Gutiérrez, P., & Udías Moinelo, J. M. (2014). Hybrid Monte Carlo dose algorithm for low energy X-rays intraoperative radiation therapy. Radiotherapy and Oncology, 111(S1) Simulador MC desarrollado en el grupo que usa métodos de reducción de varianza para acelerar la simulación. 9 cm 18 cm Proyección en el detector 10 cm 2 cm Mapa de dosis 28/11/2016

Métodos 3) Proyector CBCT analítico 28/11/2016   Cancer network, home of the journal ONCOLOGY Base de datos de NIST 28/11/2016 7

Resultados 28/11/2016

Ruido vs. dosis Ruido:  Cociente entre la desviacion estandar y la media de la dosis en una region uniforme. 28/11/2016

Simulaciones MC con Hybrid-Ultra-MC Dosis (u.a.) Profundidad (cm) Profundidad (cm) Dosis depositada en profundidad (50KVp) Comparativa Hybrid-Ultra-MC frente a PenEasy (500x) Escala logarítmica Hybrid Ultra-MC PenEasy Vidal, M., Ibáñez García, P., Cal González, J., Guerra Gutiérrez, P., & Udías Moinelo, J. M. (2014). Hybrid Monte Carlo dose algorithm for low energy X-rays intraoperative radiation therapy. Radiotherapy and Oncology, 111(S1) 28/11/2016

Influencia del método de reconstrucción en el contraste 50 KeV 45 KeV 40 KeV 35 KeV 30 KeV Phantom 1,16 1,10 1,12 1,14 1,7 1,67 1,64 1,68 1,71 FDK (DSD = 100 cm) 1,11 1,09 1,20 1,17 1,21 Max. atenuación en calcificaciones Max. atenuación en tejido fibroglandular 35 KeV FDK DSD = 100 cm https://uwcem.ece.wisc.edu/phantomRepository.html http://www.cs.toronto.edu/~nrezvani/CAIMS2009.pdf http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ComTab/muscle.html 28/11/2016

Reconstrucción iterativa 1 15 iteraciones DSD = 50 cm y 100 cm 1 iter 7 iter 15 iter MLEM (35 KeV) 1,2 1,44 1,52 Referencia (phantom 35 KeV) 1,68 28/11/2016

Atenuación del haz de rayos X en las proyecciones Energía (KeV) 50 KeV 45 KeV 40 KeV 35 KeV 30 KeV Rango dinámico (dB) 85,49 90,14 94,78 108,94 123,09 28/11/2016

Conclusiones Se han puesto a punto las herramientas necesarias para la simulación de equipos CBCT, que permiten estimar dosis y proyecciones. Establecida la referencia (PenEasy) se ha determinado la relación entre la dosis y el número de historias simuladas. Comprobado que la herramienta acelerada (500x)(Hybrid- Ultra-MC) tiene una precisión suficiente para estimación de dosis comparándola con la referencia. Con esta herramienta se puede determinar la dosis debida al escáner CT en menos de 1 minuto. 28/11/2016

EXTRAS 28/11/2016

Calidad de imagen y Dosis Parámetros de calidad de imagen: - Ruido (I0 y tiempo adquisición) - Contraste y % Transmisión (Energía del haz) Dosis: < 10 mGy Ruido – Tambien depende de flat panel, metodo reconstruccion.. Contraste – Tipo de mama, metodo reconstruccion, … www.auntminie.com 28/11/2016

Fundamentos físicos de la Tomografía Computerizada (CT): Imagen 3D a partir de proyecciones     -Producción de los rayos-X -Interacción con la materia -Atenuación   Atenuación Christi Carter et al. 28/11/2016

Simulación del setup experimental (tubo y detector) Con el tubo de OpmPSX10 a 130 KVp y 0,06 mA se deposita una dosis de 3 mGy a 30 cm. PenEasy da la dosis en eV/g/historia conociendo la dosis (Gy=eV/g), se estima el número de historias para simular esa situación. 0,06 mA·s = 4,866E+12 historias/s ≈ 5E+12 historias/s o 1 mA·s ≈ 8,3E+13 historias/s La simulación MC permite determinar la dosis para un número de historias de la fuente. Definiendo el número de historias para la configuración de la fuente, se puede estimar la dosis. 28/11/2016

Reconstrucción de imagen analítica e iterativa Método analítico FDK Hipotésis para tener resultado analítico. Método iterativo MLEM Considera el ruido estadístico y modelo del sistema Se puede acelerar el tiempo de reconstrucción (GPU) 1 iter 3 iter 5 iter 28/11/2016