Characterization of breast tomosynthesis systems: A comparison and optimization

Abstract

Aim: The aim of the study is to characterize the dependency of image quality on absorbed
dose for two breast tomosynthesis (BT) systems, GE Senographe Pristina and Siemens
Mammomat Inspiration and compare the systems. The image quality was evaluated by
different parameters such as: in-plane and in-depth spatial resolution, artifact spread
function (ASF) and signal-difference-to-noise ratio (SDNR).

Material & Method: In this work, BT volumes were acquired using one GE and one
Siemens system with different acquisition and reconstruction settings. For the Siemens
system, two reconstruction algorithms were evaluated, one is used in our clinic Unilabs
Skåne, and the other is a newly developed reconstruction algorithm called EMPIRE. For the
GE system, the algorithm used in clinical routine was evaluated. The phantoms used were
CIRS phantoms with and without anatomical background (models 020 and 021), including
imaging targets simulating microcalcifications and carcinomas. The thickness of these
phantoms could be varied to simulate different breast thicknesses. Another in-house made
phantom was used for measurement of the depth resolution. The image quality was evaluated
on reconstructed images.

Result: For all breast thicknesses, the GE system used a lower automatic exposure control
(AEC) dose in comparison with the Siemens system. At AEC settings, the in-plane resolution
of the two systems are comparable, although GE has slightly smaller FWHM compared with
Siemens (330 μm vs. 380 μm in the tube motion direction, 290 μm vs. 340 μm in the
orthogonal direction). Regarding the depth resolution, the FWHM of the GE system is higher
than that of the Siemens system (2.3 mm vs 5.5 mm). Also, GE has narrower ASF for
microcalcifications compared with Siemens (3.1 mm vs 5.0 mm). For the larger objects
simulating carcinoma, however, Siemens has narrower ASF compared with GE (9.8 mm vs
13.9 mm).

For all breast thickness, the GE system provides the same SDNR value at lower dose than
the Siemens system with the reconstruction algorithms currently in use. However, with the
newly developed algorithm EMPIRE, the SDNR value is generally higher than Siemens
TOMO_STANDARD and comparable or higher than GE. With consideration to the
anatomical noise, a dose increase does not result in a significant SDNR gain.

Conclusion: In this study, there is no clear advantage of any system. Both systems have
good performance in different aspects and there are some uncertainties that need to be
considered.Regarding the optimization, the results did not motivate a dose increase for SDNR gain.
The studied parameters may not be representative for the image quality desired by
radiologists and thus, further qualitative study is necessary.

Popular Abstract (Swedish)

Bröstcancer är den vanligaste cancertypen bland kvinnor och varje år drabbas nästan 9000
kvinnor i Sverige. Vart tredje cancerfall hos kvinnor är bröstcancer. De flesta fall upptäcks
via screeningprogrammet där en så kallad mammografiundersökning ingår. Alla kvinnor
mellan 40 och 74 år är inbjudna till denna undersökning.

Mammografi är en röntgenundersökning av bröst. Under röntgenbildtagningen får bröstet
ligga mot en platta medan en annan platta trycker mot bröstet för att jämna ut
bröstvävnaden. Bröstet har tre dimensioner medan bilden har bara två, och därför händer
det ibland att bröstvävnad överlappar och kan se ut som en tumör. Det kan också hända
att en riktig tumör gömmer sig bakom frisk vävnad. För att lösa dessa problem kan man
utnyttja en teknik som kallas för brösttomosyntes som kan användas som ersättning eller
som komplement till vanlig mammografi. Bildtagning med brösttomosyntes går till på
samma sätt som i mammografi, men röntgenröret rör sig längs en båge över bröstet istället
för att vara stilla och bildtagningen sker från flera vinklar. Med hjälp av dessa bilder skapas
en avbildning av bröstet i 3D. På detta sätt kan man studera bröstet vid olika djup och
undvika överlappningen av vävnad som kan uppkomma i en mammografibild.

Det finns flera brösttomosyntesmaskiner av olika design och teknik ute på marknaden. I
detta arbete ville jag utvärdera 3D-bilder från maskiner från två olika tillverkare, Siemens
Healthineers och GE Healthcare. Jag mätte bildernas kvalitet och mängden stråldos som
krävdes för en viss bildkvalitetsnivå. Mätningen gjordes med hjälp av olika bröstfantom, det
vill säga modeller med bröstliknande material. I fantomen fanns även tumör- och
kalkliknande strukturer som jag kunde använda i min utvärdering.

Resultaten visar att maskinerna är relativt lika i detaljupplösning i alla tre dimensioner. För
båda maskinerna kan man öka stråldosen och få lite bättre kontrast hos tumörerna. Det är
dock inte motiverat att öka dosen för en så liten förbättring i kontrast. Dessutom var dosen
för Siemensmaskinen redan nära den europeiska dosgränsen så en ökning var inte aktuell.
Däremot har Siemens en nyutvecklad mjukvara för att skapa 3D bilden, och med den
förbättras kontrasten avsevärt. För GE-maskinen är dosen väsentligt lägre än den europeiska
dosgränsen, och i detta fall är det möjligt att öka stråldosen. Kontrasten är däremot inte
allt som behövs för att upptäcka cancer och det behövs fler mätningar med avseende på
andra aspekter för att dra en slutsats kring detta.

Resultaten från denna studie kan inte fullt representera hur radiologer upplever bilderna.
Det skulle därför vara värdefullt att få radiologers bedömning på både fantombilder och
patientbilder.

• author: Pham, Thanh Tra
• supervisor: Anders Tingberg; Magnus Dustler; Pontus Timberg
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 8995811
• date added to LUP: 2019-09-27 09:05:25
• date last changed: 2019-09-27 09:05:25