otimização da dose e da qualidade da imagem em mamografia digital
TRANSCRIPT
Otimização da dose e da
qualidade da imagem
em mamografia digital
Claudio Domingues de Almeida
IRD/CNEN
Atualmente, existem dois métodos de captura de
imagem utilizados na mamografia digital.
Mamografia digital computadorizada, CR
Mamografia digital direta, DR
Em 2009, o trabalho de Coutinho mostrou a tendência
de doses elevadas nos sistemas com digitalizador CR.
Comparado com o sistema filme-écran, o sistema CR
usou 20% mais dose na mama e o sistema de
Radiologia Digital, DR, usou 50% menos.
PIXEL
REGIÃO DE INTERESSE
ROI
VALOR MÉDIO DE PIXEL – VMP
DESVIO PADRÃO - DP SOFTWARE IMAGEJ
Diminuindo o ruído
2
22
BA
BA
DPDP
VMPVMPCNR
Nos sistemas digitais, o contraste na imagem é afetado pelo ruído que,
depende da dose de radiação na mama.
A capacidade de detectar as lesões pode
ser melhorada através do aumento dos
valores de dose uma vez fixada a
qualidade do feixe de raios X.
O parâmetro que melhor descreve a
capacidade de detecção é a
Razão Contraste-Ruído, CNR
VMP – Valor médio de pixel
DP – Desvio padrão
Espessura (mm)
CNR relativa
(%)
PMMA MAMA
20 21 > 115
30 32 > 110
40 45 > 105
45 53 > 103
50 60 > 100
60 75 > 95
70 90 > 90
CNR relativa a espessura de 50 mm
Protocolo Europeu
Razão Contraste Ruído, CNR
Produção da imagem
Tubo de Raios X
Espectro de Raios X
Mama:
Espessura e
glandularidade
Grade
Receptor de Imagem
ALVO (Anodo) Molibdênio (MO)
Ródio (Rh)
Tungstênio (W)
FILTRO: Mo, Rh
Voltagem do Tubo: kVp
CONTRASTE
RUÍDO
Exposição: mAs
O número de equipamentos de mamografia digital vem
aumentando no Brasil, o sistema CR é maioria; assim,
já se pode considerar de grande importância à
implantação de processos de
otimização
da qualidade da imagem
e
da dose.
As condições ideais de operação do sistema
de mamografia digital deve ser estabelecida
para garantir
imagens
clínicas com
qualidade para
o diagnóstico
doses
que não
ultrapassem
os níveis de
referência
Instrumentação para os Testes de
controle de qualidade e dosimetria
(DGM)
medidas:
Rendimento do mamógrafo e Camada Semi-redutora – CSR Linearidade da resposta do detector Ruído relativo Razão Contraste Ruído, CNR Limiar de resolução e contraste CNR ALVO
Dosimetria do mamógrafo
Tubo de Raios X
Espectro de Raios X colimado
Câmara de ionização
Receptor de Imagem
Colimador adicional realizada para cada combinação
kV – ANODO - FILTRO
em uma determinada
distância - DFC
Medida do rendimento
mGy/mAs
Tem objetivo de determinar o rendimento do mamógrafo para calcular o
kerma no ar de entrada (Ki) e a dose glandular média (DGM) na mama.
DFC
kV
Rendimento (mGy/mAs)
Combinação anodo/filtro
Mo/Mo Mo/Rh Rh/Rh
25 0,1210 - -
26 0,1389 0,1152 -
27 0,1579 0,1323 -
28 0,1780 0,1498 0,1290
29 - 0,1684 0,1448
30 - - 0,1614
31 - - 0,1784
Rendimento do mamógrafo em uma determinada distância do foco-câmara
mAseddRK MamaFBFCi .)/(.2
R - Rendimento (mGy/mAs)
DFC - Distância Foco-Câmara
DFB - Distância Foco-Bucky
e - espessura da mama
Kerma de entrada no ar na superfície da mama – Ki (mGy)
scgKDGM i ...
Ki - kerma de entrada
S - fator para combinação anodo/filtro
g - é o coeficiente de conversão de Ki para DGM
em uma mama com 50% de glandularidade,
c - é o coeficiente que corrige a DGM para
composições de mama diferentes de 50%.
(Dance et al., 2000).
Dose Glandular Média, DGM (mGy)
1 2 3 4
PADRÃO MAMÁRIO
1 - quase que inteiramente substituídas (< 25%)
2 - com densidades fibroglandulares esparsas (entre 25 e 50%)
3 - heterogeneamente densa (entre 51 e 75%)
4 - extremamente densa (> 75%).
mAs
Kerma de
entrada no ar
na superfície
do cassette
(mGy)
Ln Ki VMP DP
8 9,7 2,3 1174 25,1
16 21,1 3,0 1487 17,4
32 44,8 3,8 1791 12,5
50 71,5 4,3 1991 9,9
80 115,7 4,8 2198 8,1
160 234,6 5,5 2500 6,1
250 368,3 5,9 2696 5,3
320 473,2 6,2 2804 4,8
PMMA: 45 mm kV: 28 Anodo: Mo Filtro: Mo
Limite aceitável para R2: > 0,99
y = 421,94x + 200,27 R² = 0,9998
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0
VM
P
Ln Ki
Linearidade do detector
Linearidade da Resposta do Detector
Linearidade da Resposta do Detector
Para os sistemas CR, a relação é não-linear, devido ao
pré-processamento.
28 kV Mo/Mo
a b
a
bVMPEXPVMP´
´´ xVMPa
DPDP
valor médio de pixel linearizado - VMP’ desvio padrão linearizado - DP’
R2 ≥ 0,99
y = a x - b R² = 1
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0
VM
P
Ln(Ki)
Ruído Relativo
2222 pkpkk Sqep
O ruído é constituído por três componentes: o ruído eletrônico, o ruído estrutural e o ruído quântico,
σp é o desvio padrão dos valores de pixel dentro de uma ROI com uma exposição uniforme e um valor médio de pixel p, e ke, Kq e ks são os coeficientes que determinam a quantidade de ruído eletrônico, quântico e estrutural em um valor de pixel p.
p
p Relativo Ruído
2222
2
Sqe
pkpkpk
p
'
1
VMP
y = 0,0121x2 + 0,0226x + 2E-05 R² = 1
0,000
0,001
0,001
0,002
0,002
0,003
0,003
0,004
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
(DP
´/V
MP
´)2
(1/VMP')
C - coeficiente (C) de ruído extraído da equação polinomial obtida na curva (1/VMP’) x (DP’/VMP’)2
C el C qu C es
2222
2
Sqe
pkpkpk
p
C el . X2 + C qu . X + C es
'
1
VMP
2222 pkpkk Sqep
Ruído Relativo
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 100 200 300 400 500 600 700
Ru
ído
Rel
ativ
o
VMP'
Ruído
ELETRONICO
QUANTICO
ESTRUTURAL
TOTAL
2222 pkpkk Sqep
ruído eletrônico, ruído quântico e ruído estrutural
C el . X2 + C qu . X + C es
'
1
VMP
A contribuição relativa de cada ruído e a soma quadrática deles pode ser
observado plotando o gráfico do valor VMP’ versus a raiz quadrada dos valores obtidos
2.xConicoRuídoeletr el
xCicoRuídoquant qu .
CesturalRuídoestru
Ruído Relativo
Para os sistemas CR, a relação é não-linear,
n K - constante
p
p Relativo Ruído
nppk
p
y = 0,1263.x-0,438
R² = 0,9923
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0
DP
'/V
MP
’
VMP'
Razão Contraste-Ruído (CNR)
Razão Contraste-Ruído - CNR
Espessura de
PMMA (mm)
Espessura equivalente
de tecido mamário
(mm)
Altura do
espaçador
(mm)
20 21 1
30 32 2
40 45 5
45 53 8
50 60 10
60 75 15
70 90 20
2
22
BA
BA
DPDP
VMPVMPCNR
Cr(%): contraste relativo
Relaciona a intensidade da radiação
com e sem o disco de ouro, a
espessura do disco e o coeficiente
de atenuação do ouro.
Diâmetro (mm)
Espessura (m)
Cr (%)
0,060 2,500 37,93
0,080 2,500 37,93
0,100 0,849 13,14
0,130 0,661 10,32
0,160 0,265 4,37
0,200 0,208 3,51
0,250 0,147 2,6
0,310 0,095 1,82
0,400 0,071 1,46
0,500 0,061 1,31
0,630 0,042 1,02
0,800 0,036 0,93
1,000 0,030 0,84
1,250 0,030 0,84
1,600 0,030 0,84
2,000 0,040 0,99
Limiar de contraste
medido no CDMAM.
28kV Mo/Mo
Medidas do limiar de
detalhe-contraste
39,002,15(%) xEspessuraCr
Determinação da CNRalvo
Seleção da técnica
radiográfica para
otimização através das
medidas da CNR e DGM
Medidas do limiar de
detalhe-contraste e razão
contraste-ruído (CNR)
O processo de otimização em mamografia digital tem início
com a determinação da Razão contraste-ruído alvo, CNRalvo.
Ela é definida como o valor de
CNR que permite atingir o limiar
de contraste mínimo de 23%
para os discos de 0,1 mm de
diâmetro no CDMAM.
Limiar de Contraste Valor aceitável Valor desejável
Diâmetro
(mm)
Contraste
(%)
Espessura
de ouro
(μm)
Contraste
(%)
Espessura
de ouro
(μm)
2,0 < 1,05 0,069 < 0,55 0,038
1,0 < 1,40 0,091 < 0,85 0,056
0,5 < 2,35 0,150 < 1,60 0,103
0,25 < 5,45 0,352 < 3,80 0,244
0,10 < 23,0 1,68 < 15,8 1,100
Espessura
de PMMA (mm)
Espessura equivalente
da mama
(mm)
kV
Anodo/Filtro
mAs
Espessura de ouro
(µm)
CNR
Cr (%)
20 32 26 Mo/Mo 63 1,040 10,12 15,99
20 32 27 Mo/ Mo 40 1,490 8,58 22,77
20 32 25 Mo/Mo 90 1,105 10,88 16,98
20 32 28 Mo/Mo 32 1,501 8,28 22,93
40 60 26 Mo/Rh 280 1,467 8,57 22,42
60 90 32 Rh/Rh 80 2,500 3,77 37,93
60 90 34 Rh/Rh 125 1,869 5,16 28,46
60 90 30 Rh/Rh 320 1,973 6,37 30,02
Limiar de contraste relativo
para contraste-detalhe com
espessura de 0,1 mm em
função da CNR.
Razão Contraste Ruído Alvo – CNRalvo
7,6 R = 0,94
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5
Lim
iar
de
Co
ntr
as
te %
CNR
CNR Alvo
Mínimo
39,002,15(%) xEspessuraCr
2
22
BA
BA
DPDP
VMPVMPCNR
Cálculo do mAs e da
CNR para a otimização
das técnicas
Ajuste do mamógrafo para
as técnicas otimizadas e
novas medidas da CNR e
DGM para confirmar os
valores calculados
Seleção das técnicas
radiográficas para otimização
Otimização
Espectro
Espessura de
PMMA (cm) Mo/Mo Mo/Rh Rh/Rh
2,0 25-26 kV
3,0 25-26-27 kV
4,0 27-28 kV 27 kV
4,5 27-28 kV 26-27 kV
5,0 28 kV 27-28-29 kV
6,0 28 kV 28-29 kV
7,0 29-30-31 kV
Cálculo do CNR, DGM e mAs para a otimização das técnicas
nppk
p
Espessura de PMMA
(mm) CNR relativa
20 > 115
30 > 110
40 > 105
45 > 103
50 > 100
60 > 95
70 > 90
Mama (cm)
DGM (mGy)
Aceitável
2,1 1,0
3,2 1,5
4,5 2,0
6,0 3,0
7,5 4,5
9,0 6,5
nDGM
CNRk
nCNRotimiz
k
CNRotimizDGM )(
DGM
VMPDGMVMP CNRotimizCNRotimiz
'' )()(
'
' )(
VMP
VMPmAsmAs
CNRotimiz
otimizada
nDGMkCNR .
CNRrelCNRalvoCNRotimiz
Para cada espessura de mama, calcular:
Otimização
nppk
p
Espessura
de PMMA
(mm)
Esp
mama
(mm)
CNR
relativo
DGM
alcançável
DGM
aceitável
20 21 > 115 0,6 1,0
30 32 > 110 1,0 1,5
40 45 > 105 1,6 2,0
45 53 > 103 2,0 2,5
50 60 > 100 2,4 3,0
60 75 > 95 3,6 4,5
70 90 > 90 5,1 6,5
Espessura (mm) CNR otimiz
k n DGM CNR otimiz
VMP’/DGM VMP’ (CNR Rel)
mAs otimizado
kV A/F
mAs Espessura (mm)
VMP’ DP’ VMP’ 0,2 mmAl
DP’ 0,2 mmAl
CNR DGM (mGy)
nDGM
CNRk
nDGMkCNR .
CNRrelCNRalvoCNRotimiz
nCNRotimiz
k
CNRotimizDGM )(
DGM
VMPDGMVMP CNRotimizCNRotimiz
'' )()(
'
' )(
VMP
VMPmAsmAs
CNRotimiz
otimizada
Valores de mAs utilizando o Controle Automático de Exposição - CAE medidos
para várias espessuras de PMMA na técnicas de:
Rotina, Calculado e após ajuste do mamógrafo.
Espessura (cm) Técnica
radiográfica
Valores mAs
PMMA
MAMA
kV
Anodo/Filtro
Rotina
Calculado
Ajustado
20 21 25 Mo/Mo 39 30 30
30 32 26 Mo/Mo 69 54 54
40 45 28 Mo/Mo 103 82 80
45 53 27 Mo/Mo 194 140 150
50 60 28 Mo/Mo 217 168 168
60 75 28 Mo/Rh 327 335 250
70 90 29 Rh/Rh 387 445 298
Espessura da mama
comprimida, idade e
padrão mamário
1ª Fase:
Coleta de dados de
pacientes
A otimização deve ser
realizado em duas
fases
Técnica radiográfica
(kV/anodo/filtro/mAs)
Avaliações: mamógrafo,
digitalizador de imagem CR,
monitores e placas de imagem
(IP)
Testes de controle de
qualidade e dosimetria
(DGM)
Medidas da resposta do
detector, análise de ruído
e razão contraste-ruído
(CNR)
1ª Fase: avaliação dos
critérios da qualidade das
imagens clínicas
Metodologia
•tamanho da amostra
•definição das variáveis estudadas
•metodologia de medidas
•metodologia de análise dos resultados
2ª Fase:
Coleta de dados de pacientes
após ajuste do mamógrafo
Espessura da mama
comprimida, idade e
padrão mamário
Técnica radiográfica
(kV/anodo/filtro/mAs)
2ª Fase: avaliação dos
critérios de qualidade das
imagens clínicas
Metodologia
Validação da otimização
1ª fase 2ª fase
Tratamento estatístico dos
dados das duas fases,
discussão dos resultados e
conclusões do estudo
Cálculo de Ki, DGM e CNR
para as técnicas
radiográficas usadas para
as imagens das pacientes
Validação da
otimização
Valores de CNR relativa obtidas na 1ª. e 2ª. fase e as
sugeridas pelo Protocolo Europeu.
Espessura
(mm)
CNR relativa (%)
PMMA Mama 1a.
Fase
2a.
Fase
Protocolo
Europeu
20 21 137 125 115
30 32 125 117 110
40 45 112 108 105
45 53 106 104 103
50 60 100 100 100
60 75 88 92 95
70 90 75 83 90
0
5
10
15
20
25
30
Freq
uen
cia
CNR
1a. FASE
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Freq
uen
cia
CNR
2a. FASE
Valores de DGM medidos utilizando:
o Controle Automático de Exposição - CAE de rotina,
calculados para CNRotimizada,
medido com a técnica otimizada e
sugerido pelo Protocolo Europeu.
Resultados
Kerma no ar de entrada na mama obtida em mamas com variadas espessuras.
Resultados
Dose média glandular obtida em mamas com variadas espessuras.
Resultados
Critério
Índice de Critério de
Imagem (ICI)
1a. Fase 2a. Fase
A1 Adequada compressão da mama 0,99 1,00
A2 Mamilo paralelo ao filme 0,79 0,82
A3 Visibilização completa do parênquima mamário 0,94 0,92
B1 Visibilização da linha da pele 0,99 1,00
B2 Visibilização das estruturas vasculares através do
parênquima denso 0,99 1,00
B3 Visibilização dos ligamentos de Cooper 0,99 1,00
B4 As microcalcificações representam lesão verdadeira?
(se houver lesão) 0,69 0,69
B5 A opacidade representa lesão verdadeira?
(se houver lesão) 0,51 0,53
B6 O tecido glandular está adequadamente claro 0,97 1,00
C1 Contraste adequado 0,98 1,00
C2 Definição das estruturas 0,99 1,00
C3 Saturação correta nas áreas claras 0,97 1,00
C4 Saturação correta nas áreas escuras 0,98 1,00
C5 Imagem sem ruído 0,97 0,98
C6 Imagem sem artefatos 0,32 0,38
TOTAL 0,78 0,79
Não ocorreu diferença estatisticamente significativa (p = 0,10) na qualidade da imagem entre os dois grupos de imagens avaliadas considerando a avaliação dos critérios de qualidade da imagem.
Critérios da qualidade da imagem
Mamografia de mamas com espessuras semelhantes (60 mm) e padrão mamário
quase que inteiramente substituídos (<25% glandular)
Fase
1ª.
2ª.
DGM (mGy)
3,51
2,53
CNR 8,9 7,0
pontuação média em todos os critérios
(%)
87
87
1ª. fase 2ª. fase
Na 2ª. fase o valor de DGM foi reduzido em:
18,6% para mamas entre 40 e 60 mm de espessura,
22,6% para mamas com espessura inferior a 40 mm,
13,2% para as de espessura superior a 60 mm.
Para todas as espessuras a DGM alcançou redução de 14,5%.
Resultados
Conclusão
O método de otimização das condições de operação
para os sistemas de mamografia digital tendo como
base o valor da dose glandular média (DGM) aceitável, a
razão contraste-ruído (CNR) e o indicador de qualidade
das imagens clínicas se mostrou adequado para
estabelecer as técnicas de rotina dos serviços.
