Optimization of magnification mammography using monte carlo simulation techniques

Abstract

In the framework of this doctorate thesis, two simulation models based on Monte Carlo were expanded in order to include magnification geometries and various breast compositions, and were utilized aiming to study and optimize the magnification views in mammography. With the use of these models, dosimetric as well as image quality characteristics were evaluated and combined in order to come into conclusions. More specifically, the dose in the glandular tissue of the breast, which is directly associated with the carcinogenic risk during mammography, was found to increase with the degree of magnification, mainly due to the inverse square law. Contrast to Noise Ratio also increases with magnification. However, the increase rate is higher for magnification up to 1.4. With the introduction of a Performance Index, which is a function of the desirable benefit (expressed by the (CNR)ν) and the cost (expressed by the dose), several exposure and design parameters (degree of magnification, spectrum) were evaluated under magnification conditions. Degree of magnification 1.3 was found to have the best overall performance for all the anode/filter combinations considered. Several combinations like W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu and Mo/0.029mmRh can compete with the Mo/0.030mmMo under contact geometry. However, when magnification is performed and especially degree higher than 1.3, Mo/0.030mmMo has the best overall performance between the anode/filter combinations considered. Moreover, the effect of focal spot size and x-ray intensity distribution on the spatial resolution was studied under magnification, using the edge method. Focal spots larger than 0.12 mm should be utilized only for screening mammography, especially when combined with uniform or double Gaussian intensity distributions. Small focal spots of 0.04 mm or less, combined with Gaussian distribution result in acceptable values of spatial resolution, according to the international regulations, even for high degrees of magnification. Finally, a degradation of the spatial resolution was found with the degree of magnification, which is mainly caused by the geometrical unsharpness.

Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής, δύο μοντέλα προσομοίωσης Monte Carlo επεκτάθηκαν ώστε να συμπεριλάβουν γεωμετρίες μεγέθυνσης και διάφορες περιεκτικότητες μαστού σε μαζικό αδένα, και χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό τη βελτιστοποίηση των μεγεθυντικών λήψεων στη μαστογραφία. Με τα μοντέλα αυτά έγιναν δοσιμετρικές μελέτες, καθώς επίσης και μελέτες για την ποιότητα εικόνας. Πιο συγκεκριμένα, η δόση στο μαζικό αδένα του μαστού, η οποία συνδέεται άμεσα με την πιθανότητα καρκινογένεσης κατά τη διάρκεια της μαστογραφίας, βρέθηκε να αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης κυρίως λόγω του νόμου αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης. Ο λόγος αντίθεσης προς το θόρυβο επίσης αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης. Ωστόσο, ο ρυθμός αύξησης είναι μεγαλύτερος για μεγέθυνση μέχρι 1.4. Με την εισαγωγή ενός δείκτη απόδοσης ο οποίος είναι συνάρτηση του επιθυμητού κέρδους (εκφραζόμενο από το CNRν) και του κόστους (εκφραζόμενο από τη δόση) διάφορες παράμετροι έκθεσης (βαθμός μεγέθυνσης και φάσμα) αποτιμήθηκαν υπό συνθήκες μεγέθυνσης. Ο βαθμός μεγέθυνσης 1.3 βρέθηκε να έχει την καλύτερη απόδοση για όλους τους συνδυασμούς υλικών ανόδου/φίλτρου που μελετήθηκαν. Διάφοροι συνδυασμοί όπως οι W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu και Mo/0.029mmRh θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν το Mo/0.030mmMo σε γεωμετρίες επαφής. Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται η τεχνική της μεγέθυνσης και ειδικά βαθμός μεγαλύτερος από 1.3, το Mo/0.030mmMo έχει τη μεγαλύτερη συνολική απόδοση μεταξύ των συνδυασμών που μελετήθηκαν. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του μεγέθους της εστίας και της κατανομής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ακτίνων-χ στη χωρική διακριτική ικανότητα υπό συνθήκες μεγέθυνσης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αιχμής. Εστίες μεγαλύτερες από 0.12 mm θα έπρεπε να χρησιμοποιούνται μόνο για προληπτικές μαστογραφίες, ειδικά όταν συνδυάζονται με ομοιόμορφες ή κανονικές κατανομές διπλής κορυφής. Εστίες των 0.04 mm ή και ακόμα μικρότερες, συνδυασμένες με κανονικές κατανομές μονής κορυφής και μικρής τυπικής απόκλισης οδηγούν σε αποδεκτές τιμές διακριτικής ικανότητας με βάση τους διεθνείς κανονισμούς, ακόμα και σε μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης. Τέλος, βρέθηκε ότι η διακριτική ικανότητα υποβαθμίζεται με τη μεγέθυνση λόγω της γεωμετρικής ασάφειας.