Advanced

Evaluation of absorbed dose and image quality in mammography

Hemdal, Bengt LU (2009)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Utvärdering av stråldos och bildkvalitet i mammografi



Bröstcancer är den cancerform som är vanligast hos kvinnor. Genom tidig upptäckt med bröströntgen, mammografi, kan man behandla sjukdomen i ett tidigare stadium och därmed minska dödligheten. Det är också möjligt att behandla på ett skonsammare sätt vid tidig upptäckt. Därför har man startat hälsokontroller, screening, med mammografi. I början genomfördes detta i form av kontrollerade studier; i Malmö t.ex. under åren 1978-1986. Dessa har visat att dödligheten i bröstcancer kan reduceras. Efter utvärdering av Socialstyrelsen 1986 har sjukvårdshuvudmännen startat allmän screening. Motsvarande har skett i en rad andra... (More)
Popular Abstract in Swedish

Utvärdering av stråldos och bildkvalitet i mammografi



Bröstcancer är den cancerform som är vanligast hos kvinnor. Genom tidig upptäckt med bröströntgen, mammografi, kan man behandla sjukdomen i ett tidigare stadium och därmed minska dödligheten. Det är också möjligt att behandla på ett skonsammare sätt vid tidig upptäckt. Därför har man startat hälsokontroller, screening, med mammografi. I början genomfördes detta i form av kontrollerade studier; i Malmö t.ex. under åren 1978-1986. Dessa har visat att dödligheten i bröstcancer kan reduceras. Efter utvärdering av Socialstyrelsen 1986 har sjukvårdshuvudmännen startat allmän screening. Motsvarande har skett i en rad andra europeiska länder. Förutom minskad dödlighet minskas även antalet fall med spridd sjukdom och behandling kan i större utsträckning ske med bröstbevarande kirurgi.



Det finns också problem med mammografiscreening. Studier tyder på att ca. 30% av tumörerna inte upptäcks, särskilt svårt är det i täta bröst, d.v.s. med stor andel körtelvävnad. En del av de kvinnor, som återkallas för vidare utredning vid misstanke om bröstcancer, visar sig efter kompletterande bildtagning, ultraljudsundersökning och ibland biopsi inte ha bröstcancer, s.k. falskt positiva resultat. En annan aspekt är, att man vid screeningen upptäcker en bröstcancer, som annars inte skulle ha upptäckts p.g.a kvinnans död i annan sjukdom, men risken för detta är liten. Vidare finns en - för den enskilda kvinnan visserligen liten - risk för att strålningen kan inducera en bröstcancer senare i livet. Under lång tid har man samlat och analyserat data från ett stort antal kvinnor, som utsatts för strålning med jämförelsevis höga stråldoser, t.ex. vid kärnvapenattackerna mot Japan under andra världskriget. Man har då kunnat påvisa ett samband mellan strålning och bröstcancer och även kunnat konstatera att ju yngre man är, desto större är risken för strålinducerad cancer. Det är detta förhållande och att förekomsten av bröstcancer är mycket lägre bland yngre kvinnor samt att tätare bröst gör det svårare att upptäcka den, som gör att man är restriktiv med mammografi bland yngre och inte rekommenderar screening före 40 års ålder, såvida inte kvinnan tillhör en högriskgrupp.



Stor samstämmighet råder om uppfattningen att stråldoserna vid all diagnostik med joniserande strålning ska hållas så låga som överhuvudtaget är möjligt utan att äventyra den diagnostiska säkerheten. Detta är särskilt angeläget vid mammografiscreening, eftersom ca 90% av kvinnorna aldrig kommer att besväras av bröstcancer under sin livstid. Utrustningen måste fortlöpande kontrolleras, så att undersökningens bildkvalitet tillåter upptäckt av bröstcancer i så stor utsträckning och så tidigt som möjligt. Metoder för bestämning av stråldos och bildkvalitet finns beskrivna i den vetenskapliga litteraturen. Olika myndigheter, i Sverige t ex Strålsäkerhetsmyndigheten, SSM (förut SSI), och Socialstyrelsen, har gett ut författningar, som reglerar detta.



Det övergripande syftet med denna avhandling är att undersöka och förbättra metoder för bestämning av stråldos och bildkvalitet vid mammografiundersökningar samt ge viss praktisk vägledning. Följande studier presenteras i avhandlingen:



Strax efter att Sverige gått med i EU, ville SSI ändra metoden att mäta stråldos från den nordiska till den nyutkomna europeiska rekommendationen. Vi gjorde därför jämförande dosmätningar enligt båda metoderna på 32 st mammografiutrustningar i Sydsverige för att kartlägga metodskillnaderna. Vi fann bl.a. att den beräknade stråldosen för ett s.k. standardbröst simulerat med 45 mm plexiglas blev 5±2% högre om man gjorde mätningar enligt den Europeiska rekommendationen. Därmed blev gällande riktvärde något svårare att underskrida, när metoden strax därefter infördes.



En ny typ av mammografiutrustning med digital bilddetektor strålar på bröstet med tunna strålfält i en scannande rörelse. Det gick inte att mäta stråldos på det sätt som var föreskrivet i nyss nämnda europeiska rekommendation, helt enkelt för att scanningenheten var i vägen. I en experimentell uppställning med samma typ av röntgenrör, kunde vi visa att ett nyutvecklat instrument kunde användas vid mätning på mammografiutrustningen med noggrant resultat.



Ett annat dosmätningssystem med en liten kristall av aluminiumoxid, Al2O3:C, sänder spontant ut ljus vid bestrålning och även om man efteråt belyser den med laserljus genom en tunn (ca. 1 mm diameter) kabel. Ett sådant system utvecklades och testades för dosmätning vid mammografi både med bröstsimulerande s.k. fantom och vid in vivo mätning av stråldos. I den senare studien placerades två kristaller på ovan- resp. undersidan av bröstet vid screeningundersökning av tre kvinnor (bilder kan ses på avhandlingens omslag). Studien visade att både in- och utgångsdos kunde mätas och att avbildningen av objekten inte störde granskningen av bilderna.



Fantom med olika tjocklek och täthet, innehållande objekt med olika diameter och tjocklek, användes för att jämföra 3 st mammografiutrustningars bildkvalitet. För den med digital bilddetektor kunde samma antal objekt ses vid 20-60% av den stråldos som behövdes när ett filmbaserat (skärm-film) system användes. Störst potential för dosminskning fann vi för fantom med störst tjocklek och täthet. Vår senare erfarenhet visar att resultat från mätningar med denna typ av fantom med homogen bakgrund måste tolkas med försiktighet, eftersom ”anatomiskt brus” saknas i bilden. Med anatomiskt brus menas bl.a. den oregelbundenhet i den projicerade bildens bakgrund som uppkommer genom att vävnaden är heterogen med avseende på täthet och atomär sammansättning. Detta anatomiska brus är i många situationer begränsande för möjligheten att iaktta de subtila förändringar som den radiologiska diagnostiken bygger på.



En noggrann utvärdering av bildkvalitet i röntgenbilder med s k ROC-metoder kräver kända och inte alltför tydliga tumörer i bilderna. Det är därför ett omfattande arbete att samla in bilder och genomföra en sådan studie. Vanliga röntgenbilder utan tumörer finns lätt tillgängliga och kan användas för att bestämma bildkvalitet med s.k. bildkvalitetskriterier, som definierar krav på synbarhet av normala strukturer i bilden. De kriterier som fanns i en europeisk anvisning för skärm-film teknik utvecklades i syfte att göra dem mer effektiva och även passa digital teknik. En studie med skärm-film bilder visade att man kunde mäta skillnad i bildkvalitet vid mammografiundersökningar säkrare med de nya kriterierna. Resultat från en motsvarande studie med digitala bilder visade att kriterierna var användbara även för digital teknik samt antydde att en dosminskning för denna utrustning var möjlig. (Less)
Abstract
Mammography refers to the X-ray examination of the human breast, and is considered the single most important diagnostic tool in the early detection of breast cancer, which is by far the most common cancer among women. There is good evidence from clinical trials, that mammographic screening can reduce the breast cancer mortality with about 30%. The side effects include a small and age related risk of carcinogenesis due to the exposure of the glandular tissues in the breast to ionising radiation. As for all X-ray examinations, and of special importance when investigating large populations of asymptomatic women, the relationship between radiation risk and diagnostic accuracy in mammography must be optimised. The overall objective of this... (More)
Mammography refers to the X-ray examination of the human breast, and is considered the single most important diagnostic tool in the early detection of breast cancer, which is by far the most common cancer among women. There is good evidence from clinical trials, that mammographic screening can reduce the breast cancer mortality with about 30%. The side effects include a small and age related risk of carcinogenesis due to the exposure of the glandular tissues in the breast to ionising radiation. As for all X-ray examinations, and of special importance when investigating large populations of asymptomatic women, the relationship between radiation risk and diagnostic accuracy in mammography must be optimised. The overall objective of this thesis was to investigate and improve methods for average glandular dose (AGD) and image quality evaluation in mammography and provide some practical guidance.



Language of Abstract: English Swedish Arabic Chinese Danish Finnish French German Greek Hebrew Icelandic Italian Japanese Latin Norwegian Polish Portuguese Romanian Russian SpDose protocols used for so-called reference dose levels in Sweden 1989 (Nordic) and 1998 (European) were compared in a survey of 32 mammography units. The study showed that the AGD values for a “standard breast” became 5±2% (total variation 0?9%) higher at clinical settings, when estimated according to the European protocol.



For the Sectra MDM, a digital mammography (DM) unit with a scanning geometry, it was impossible to follow procedures for characterisation of the X-ray beam (HVL=half value layer) specified in the European protocol. In an experimental setup, it was shown that non-invasive measurements of HVL can be performed accurately with a sensitive and well collimated semiconductor detector with simultaneous correction for the energy dependence. AGD values could then be estimated according to 3 different dose protocols.



A dosimetry system based on radioluminescence and optically stimulated luminescence from Al2O3:C crystals was developed and tested for in vivo absorbed dose measurements. It was shown that both entrance and exit doses could be measured and that the dosemeters did not disturb the reading of the mammograms. A Monte Carlo study showed that the energy dependence could be reduced, primarily by reducing the diameter of the crystal.



It is proposed that radiation scattered forward towards the breast from the compression paddle, a scanning device etc, should be considered with greater clarity in the breast dosimetry protocols, and be described with a forward-scatter factor, FSF, for the various geometries and conditions proposed.



Low contrast-detail (CD) phantoms of simulated glandularity 30, 50 or 70%, and thickness 3, 5 or 7 cm, were used to compare three different mammography systems. The same number of perceivable objects was visible for the full-field DM system at 20-60% of the AGD necessary for the screen-film (SFM) system, with the largest dose reduction potential for the thickest phantoms with the highest glandularity. However, more recent research shows that CD phantoms with a homogeneous background, as used here, must be used with care due to the presence of “anatomical noise” in the real clinical situation.



Image quality criteria (IQC) recommended in a European Guideline 1996 for SFM were adjusted to be relevant also for DM images. The new set of IQC was tested in two different studies using clinical images from DM and SFM, respectively. The results indicate that the new set of IQC has a higher discriminative power than the old set. The results also suggest that AGD for the DM system used may be reduced. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Persliden, Jan, Avdelningen för sjukhusfysik, Universitetssjukhuset Örebro, 701 85 Örebro
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
optically stimulated luminescence, radioluminescence, in vivo dosimetry, dose reduction, dose protocol, average glandular dose, absorbed dose, Breast cancer, mammography, Monte Carlo, image quality, image quality criteria, contrast-detail phantom
pages
49 pages
defense location
Rum 2005/2007, plan 2, Diagnostiskt Centrum, ingång 44, Universitetssjukhuset MAS, Malmö
defense date
2009-05-15 13:15
ISBN
978-91-628-7747-7
language
English
LU publication?
yes
id
9932f3de-4d32-4f91-98f2-c8392e2491df (old id 1388996)
date added to LUP
2009-04-22 09:44:15
date last changed
2016-09-19 08:45:17
@misc{9932f3de-4d32-4f91-98f2-c8392e2491df,
  abstract     = {Mammography refers to the X-ray examination of the human breast, and is considered the single most important diagnostic tool in the early detection of breast cancer, which is by far the most common cancer among women. There is good evidence from clinical trials, that mammographic screening can reduce the breast cancer mortality with about 30%. The side effects include a small and age related risk of carcinogenesis due to the exposure of the glandular tissues in the breast to ionising radiation. As for all X-ray examinations, and of special importance when investigating large populations of asymptomatic women, the relationship between radiation risk and diagnostic accuracy in mammography must be optimised. The overall objective of this thesis was to investigate and improve methods for average glandular dose (AGD) and image quality evaluation in mammography and provide some practical guidance. <br/><br>
<br/><br>
Language of Abstract: English Swedish Arabic Chinese Danish Finnish French German Greek Hebrew Icelandic Italian Japanese Latin Norwegian Polish Portuguese Romanian Russian SpDose protocols used for so-called reference dose levels in Sweden 1989 (Nordic) and 1998 (European) were compared in a survey of 32 mammography units. The study showed that the AGD values for a “standard breast” became 5±2% (total variation 0?9%) higher at clinical settings, when estimated according to the European protocol.<br/><br>
<br/><br>
For the Sectra MDM, a digital mammography (DM) unit with a scanning geometry, it was impossible to follow procedures for characterisation of the X-ray beam (HVL=half value layer) specified in the European protocol. In an experimental setup, it was shown that non-invasive measurements of HVL can be performed accurately with a sensitive and well collimated semiconductor detector with simultaneous correction for the energy dependence. AGD values could then be estimated according to 3 different dose protocols.<br/><br>
<br/><br>
A dosimetry system based on radioluminescence and optically stimulated luminescence from Al2O3:C crystals was developed and tested for in vivo absorbed dose measurements. It was shown that both entrance and exit doses could be measured and that the dosemeters did not disturb the reading of the mammograms. A Monte Carlo study showed that the energy dependence could be reduced, primarily by reducing the diameter of the crystal.<br/><br>
<br/><br>
It is proposed that radiation scattered forward towards the breast from the compression paddle, a scanning device etc, should be considered with greater clarity in the breast dosimetry protocols, and be described with a forward-scatter factor, FSF, for the various geometries and conditions proposed.<br/><br>
<br/><br>
Low contrast-detail (CD) phantoms of simulated glandularity 30, 50 or 70%, and thickness 3, 5 or 7 cm, were used to compare three different mammography systems. The same number of perceivable objects was visible for the full-field DM system at 20-60% of the AGD necessary for the screen-film (SFM) system, with the largest dose reduction potential for the thickest phantoms with the highest glandularity. However, more recent research shows that CD phantoms with a homogeneous background, as used here, must be used with care due to the presence of “anatomical noise” in the real clinical situation.<br/><br>
<br/><br>
Image quality criteria (IQC) recommended in a European Guideline 1996 for SFM were adjusted to be relevant also for DM images. The new set of IQC was tested in two different studies using clinical images from DM and SFM, respectively. The results indicate that the new set of IQC has a higher discriminative power than the old set. The results also suggest that AGD for the DM system used may be reduced.},
  author       = {Hemdal, Bengt},
  isbn         = {978-91-628-7747-7},
  keyword      = {optically stimulated luminescence,radioluminescence,in vivo dosimetry,dose reduction,dose protocol,average glandular dose,absorbed dose,Breast cancer,mammography,Monte Carlo,image quality,image quality criteria,contrast-detail phantom},
  language     = {eng},
  pages        = {49},
  title        = {Evaluation of absorbed dose and image quality in mammography},
  year         = {2009},
}