Study of the influence of the damaged mammographic anode on image characteristics using Monte Carlo methods

• Κύριος συγγραφέας: Κουρκουτάς, Ηλίας
• Άλλοι συγγραφείς: Παναγιωτάκης, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: English
• Έκδοση: 2010
• Θέματα: Damaged anode; Monte Carlo; Mammography; Intensity distribution; Φθαρμένη άνοδος; Μαστογραφία; Κατανομή έντασης; 618.190 757 2

O καρκίνος του μαστού είναι μια από τις κυρίες αιτίες θανάτου στις γυναίκες. Καθώς η επιτυχής αντιμετώπιση του συνδέεται με τη φάση της νόσου η έγκαιρη διάγνωση του είναι πολύ σημαντική για τους ασθενείς. Ως τεχνική έγκαιρης διάγνωσης αλλά και πληθυσμιακού έλεγχου χρησιμοποιείται η μαστογραφία με χρήση ακτινών-Χ. Η αποτελεσματικότητα της μαστογραφίας στηρίζεται στην υψηλή ποιότητα απεικόνισης του μαστού αλλά και στο όσο το δυνατόν μικρότερη δόση που εναποτίθεται στον μαστό. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά ποιότητας ενός μαστογραφικου συστήματος που επηρεάζει την ικανότητα απεικόνισης ανομοιογενειών μικρών διαστάσεων (π.χ. αποτιτανώσεων) είναι η χωρική διακριτική ικανότητα. Το κατώτερο αποδεκτό όριο είναι 12 lp/mm για μαστογραφία επαφής. H εστία και ο βαθμός φθοράς της σχετίζεται άμεσα με την χωρική διακριτική ικανότητα και την ποιότητα εικόνας. Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να εξετάσουμε την επίδραση της φθοράς της μαστογραφικής ανόδου, στην χωρική ικανότητα υπό συμβατική και μεγεθυντική γεωμετρία. Μια τέτοια μελέτη δεν ήταν δυνατόν να γίνει πειραματικά σε κλινικές συνθήκες. Για αυτό τον λόγο έγινε χρήση ενός προγράμματος προσομοίωσης σε υπολογιστικό περιβάλλον που στηρίζεται στην τεχνική τυχαίας δειγματοληψίας και στην μέθοδο Monte Carlo (MASTOS Code). Η σημαντική παράμετρος η οποία επιλέχτηκε να εκφράζει τον βαθμό φθοράς της ανόδου είναι η κατανομή της έντασης των φωτονίων της εστίας. Τυπικά υπάρχουν τρεις αντιπροσωπευτικές κατανομές φωτονίων της εστίας, η ομοιόμορφη, η απλή κανονική κατανομή (Gaussian), και η διπλή κανονική ή κανονική κατανομή δύο κορυφών(Double Gaussian). Μια άνοδος χωρίς φθορά αρχικά θεωρήθηκε να έχειμια σχεδόν κανονική κατανομή ένταση φωτονίων και μόλις η καταστροφή αρχίζει η απλή κανονική κατανομή μετατρέπεται σε διπλή κανονική. Αυτή η φθορά της ανόδου οφείλεται κυρίως στην υπερβολική χρήση της και στα υψηλά θερμικά φορτία . Για τη μελέτη της χωρικής διακριτικής ικανότητας χρησιμοποιήθηκε απότομη αιχμή(edge) πάχους 4 cm αποτελούμενη από μόλυβδο, μη διαπερατή από ακτίνες-χ, τοποθετημένη στο κέντρο του πεδίου με την κεντρική ακτίνα της δέσμης κάθετη στην αιχμή και την επιφάνεια του ακτινοβολούμενου αντικειμένου. Έπειτα για τον υπολογισμό της χωρικής διακριτικής ικανότητας υπολογίστηκε αρχικά μία συνάρτηση διασποράς ορίου (ESF) για κάθε εικόνα. Για το σκοπό αυτό μία ορθογώνια περιοχή ενδιαφέροντος επελέγη περιλαμβάνοντας 2 mm από κάθε πλευρά της αιχμής. Το προφίλ του κάθετα υπολογισμένου μέσου όρου των τιμών του grey level κατά μήκος αυτής της απόστασης αντιστοιχεί στη συνάρτηση διασποράς ορίου. Από μαθηματική παραγώγηση της συνάρτησης αυτής προέκυψε η συνάρτηση διασποράς γραμμής (LSF) και με εφαρμογή σε αυτή μετασχηματισμού Fourier καταλήγουμε στη συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF). Οι προκύπτουσες συναρτήσεις μεταφοράς διαμόρφωσης προσαρμόστηκαν με τμήμα κανονικής καμπύλης και η χωρική διακριτική ικανότητα σε lp/mm εξήχθη από αυτές, θεωρώντας ότι αντιστοιχεί στο 5% της MTF. Η συγκεκριμένη μέθοδος μέτρησης της συνάρτησης μεταφοράς διαμόρφωσης είναι πολύ δημοφιλής τελευταία λόγω της απλότητάς της και της καταλληλότητάς της, ειδικά στην ψηφιακή απεικόνιση. Μελετήσαμε την επίδραση της φθοράς της ανόδου στην χωρική διακριτική ικανότητα για δυο μεγέθη εστίας, μια 0.1mm η οποία χρησιμοποιείται στα περισσότερα μαστογραφικά μηχανήματα σήμερα και μια με μεγάλες διαστάσεις όπως 0.5mm. Η μελέτη αυτή έγινε μεταβάλλοντας κάθε φορά τα χαρακτηριστικά της απλής και διπλής κανονικής κατανομής έντασης φωτονίων της εστίας. Ουσιαστικά μεταβάλλαμε την απόσταση μεταξύ των δυο κορυφών (δμ) και την τυπική απόκλιση (σ).Με τον τρόπο αυτό πήραμε εικόνες που αντιστοιχούν κάθε φορά σε διαφορετική κατανομή των φωτονίων στην εστία και επομένως σε διαφορετικό βαθμό φθοράς της ανόδου. Όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κανονικής κατανομής ήταν μηδέν τότε είχαμε κανονική κατανομή η οποία αντιστοιχούσε σε μια άνοδο χωρίς φθορά ενώ όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κατανομής αυξανόταν τότε αντιστοιχούσε σε άνοδο με μεγαλύτερο βαθμό φθοράς. Τέλος διατηρώντας σταθερή την απόσταση τον δυο κορυφών μεταβάλαμε την τυπική απόκλιση της κατανομής (σ) με αποτέλεσμα και σε αυτή την περίπτωση να έχουμε ασυμπτωτική προσέγγιση τηςδιπλής κανονικής κατανομής στην απλή κανονική κατανομή της έντασης των φωτονίων της εστίας. Όταν η εστία είναι καινούργια ακόμα και με διαστάσεις 0.5 mm x 0.5 mm (οι οποίες είναι πάνω από τις τυπικές μαστογραφικές τιμές) τότε η χωρική ικανότητα είναι υψηλή και πάνω από το αποδεκτό όριο των 12 lp/mm για την συμβατική μαστογραφία και καθώς αρχίζει η φθορά της η χωρική διακριτική ικανότητα μειώνεται σε ποσοστό 4% με 8%. Αντίθετα για μεγεθυντικές λήψεις όταν αρχίζει η φθορά της ανόδου λόγο της χρήσης της η χωρική διακριτική ικανότητα γίνετε πολύ μικρή με τιμές που κυμαίνονται γύρω στο 5 lp/mm . Επομένως εστίες με μεγάλες διαστάσεις όπως 0.5 mm δεν είναι κατά κανόνα κατάλληλες για μεγεθυντική λήψη καθώς η χωρική διακριτική ικανότητα είναι πολύ μικρή ειδικά όταν αρχίζει η φθορά τους. Για την ονομαστική εστία 0.1 mm x 0.1 mm. τα αποτελέσματα καθορίζουν ότι μια φθαρμένη άνοδος δεν επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα εικόνας στην συμβατική μαστογραφία. Η χωρική διακριτική ικανότητα διατηρείται σε υψηλές τιμές(21 lp/mm) με ασήμαντη διακύμανση (περίπου 2% με 5%) μεταξύ των αποτελεσμάτων κατά τη διάρκεια της φθοράς της. Παρόλα αυτά μια φθαρμένη άνοδος έχει σημαντικό αντίκτυπο στη χωρική διακριτική ικανότητα υπό μεγεθυντικές συνθήκες. Όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κατανομής αυξάνει (που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο βαθμό φθοράς ), η χωρική διακριτική ικανότητα μειώνεται σημαντικά ακόμα και κάτω από το αποδεκτό όριο των 12 lp/mm που συνήθως χρησιμοποιείται σε κλινική πρακτική. Για τον μέγιστο βαθμό μεγέθυνσης (m=2) η σχετική υποβάθμιση ης χωρικής διακριτικής ικανότητας φτάνει το 66%. Όταν η τυπική απόκλιση (σ) των δυο κορυφών αυξάνει σε μια διπλή κατανομή με σταθερή απόσταση (δμ) μεταξύ των δυο κορυφών, τότε το αποτέλεσμα είναι η υποβάθμιση της χωρικής διακριτικής ικανότητας σχεδόν 40% (για m= 1.6 κ εστία 0.1 mm). Η επίδραση της φθοράς της ανόδου στην χωρική διακριτική ικανότητα είναι σημαντική ειδικά για μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης (1.6, 1.8, 2.0). Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι μια καινούργια άνοδος προκαλεί μείωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας κατά 27%, ενώ μια φθαρμένη άνοδος προκαλεί μείωση που φτάνει το 75% καθώς αυξάνουμε την μεγέθυνση από 1 έως 2 με βήμα 0.2. Επομένως η χωρική διακριτική ικανότητα επηρεάζεται ευθέως από την μορφή την κατανομή της έντασης των φωτονίων στην εστία, η οποία προσδιορίζει και την κατάσταση που βρίσκεται η άνοδος , το μέγεθος της εστίας και την μεγέθυνση. Σανσυμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι μόνο εστίες με μικρές διαστάσεις όπως 0.1 mm είναι κατάλληλες για μεγεθυντική μαστογραφία. Μια φθαρμένη άνοδος με εστία 0.1 mm δεν επηρεάζει σημαντικά την χωρική διακριτική ικανότητα στην μαστογραφία επαφής, ενώ αντίθετα για την μεγεθυντική μαστογραφία(κυρίως μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης) η υποβάθμιση της χωρικής διακριτικής ικανότητας είναι σημαντική. Αυτό το γεγονός είναι σημαντικό για υψηλούς βαθμούς μεγέθυνσης και έτσι η αντικατάσταση της λυχνίας ακτινών–x όταν η εστία αρχίζει να φθείρεται είναι πολύ κρίσιμη καθώς μπορεί να οδηγήσει στον υποβιβασμό της χωρικής διακριτικής ικανότητας.