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Fondamenti della Tomosintesi della Mammella:
Miglioramento delle prestazioni in mammografia
Andrew Smith Ph.D.
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Introduzione
Teoria della Tomosintesi
La tomosintesi della mammella è una tecnologia di
visualizzazione
tridimensionale
che
comprende
l’acquisizione di immagini a differenti angolazioni con una
scansione di breve durata di una mammella mantenuta
ferma. Le singole immagini vengono ricostruite in una serie
di sottili strati ad alta risoluzione che possono essere
visualizzati singolarmente od in modo dinamico “cine loop”.
La ricostruzione a strati della tomosintesi riduce od
elimina i problemi causati dalla sovrapposizione dei tessuti e
dal rumore della struttura nelle immagini mammografiche a
singoli strati ed a due dimensioni. La tomosintesi digitale
della mammella inoltre offre un numero di eccitanti
opportunità inclusa la possibilità di ridurre la compressione
della mammella, il miglioramento dell’accuratezza in
diagnostica e screening , riduzione dei richiami e
localizzazione 3D delle lesioni.
Hologic ha condotto uno studio clinico multicentrico con
multi-lettura clinica per valutare le prestazioni cliniche
della tomosintesi in un ambiente di screening. Questo
documento illustra la teoria della Tomosintesi, i benefici
clinici che ne derivano e presenta un sommario dei risultati
del protocollo clinico.
La mammografia convenzionale a raggi X è una modalità
di acquisizione immagini a due dimensioni. Nella
mammografia convenzionale le patologie di interesse sono
spesso difficili da visualizzare a causa della confusione dei
segnali da oggetti nella parte superiore od inferiore .Questo
perchè la rilevazione del segnale in una certa posizione sulla
cassetta o sul detettore digitale dipende dall’attenuazione
totale di tutto il tessuto al di sopra della localizzazione della
lesione.
La Tomosintesi è un metodo di acquisizione immagini a
tre dimensioni che può ridurre od eliminare l’effetto di
sovrapposizione dei tessuti. Mentre la mammella resta
immobilizzata, vengono acquisite immagini a diverse
angolazioni della sorgente di raggi X. Oggetti a differenti
altezze nella mammella vengono visualizzati in modo
differente nelle diverse proiezioni.. In figura 1 due oggetti
(una lesione “spiculata” ed una ad ellisse) si sovrappongono
quando proiettati a 0° ma nell’acquisizione fuori asse gli
oggetti si spostano uno rispetto all’altro nelle immagini.
Il passo finale nella procedura di tomosintesi è la
ricostruzione dei dati per generare le immagini che
ottimizzano la visualizzazione degli oggetti da una data
altezza con l’appropriato spostamento delle proiezioni l’una
relativamente all’altra. Un esempio è mostrato in Figura 2
dove si ricostruisce uno strato cross-sezionale ad una
specifica altezza. In questo esempio le immagini sono
sommate, spostandone una rispetto all’altra in un certo
modo si ottiene di rinforzare l’oggetto lesione spiculata e di
ridurre il contrasto dell’oggetto ellissoidale offuscandolo.
Notare che non vengono richieste acquisizioni aggiuntive
per ottimizzare la visibilità degli oggetti ad una data altezza
- un gruppo di acquisizioni può venire riprocessato per
generare l’intero gruppo volumetrico 3D.
Esecuzione dell’Acquisizione
SELENIA Dimensions – Sistema con Tomosintesi
La geometria della Tomosintesi è mostrata in Figura 3.
La mammella viene compressa nel modo convenzionale.
Mentre si mantiene la mammella bloccata, il tubo a raggi X
viene ruotato all’interno di un delimitato campo angolare.
Vengono eseguite una serie di esposizioni a bassa dose, una
ad ogni grado o simile, creando una serie di immagini
digitali.. Tipicamente il tubo viene ruotato tra 10-20 gradi
e vengono eseguite 10-20 esposizioni intervallate di 1° o
simile con una durata totale della scansione pari a 5 secondi
od inferiore. Le singole immagini
sono proiezioni
attraverso la mammella a differenti angoli e queste sono
quelle che vengono ricostruite negli strati.
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Figura 1
La Tomosintesi può ridurre od eliminare la sovrapposizione dei tessuti
Figura 3: La testa porta tubo oscilla acquisendo in pochi secondi
molteplici acquisizioni.
Con la Tomosintesi immagini acquisite a differenti angolazioni separano
le strutture a differenti altezze. La mammografia tradizionale acquisisce
solo l’immagine centrale.
Figura 2: La Tomosintesi evidenzia oggetti ad una data altezza.
Spostando e sommando le proiezioni acquisite , la visualizzazione
3D aumenta la visibilità degli oggetti offuscando gli oggetti dalle
altre altezze
Normalmente la mammella dovrebbe essere posizionata
nella vista MLO oppure CC, sebbene il sistema di
tomosintesi debba supportare la possibilità di acquisire
immagini con qualunque orientamento si desideri.
Una considerazione particolare nel progetto del sistema
con tomosintesi è rivolta al movimento della sorgente di
raggi X durante l’acquisizione. Il tubo raggi X può muoversi
con continuità oppure con un movimento a singoli passi ed
emissioni.
Con il movimento continuo le esposizioni ai raggi X
devono essere abbastanza brevi in modo da evitare
l’offuscamento dell’immagine a causa del movimento della
macchia focale. Se si utilizza il movimento a singoli passi
ed emissioni il gantry deve fermarsi completamente in ogni
posizione angolare prima di accendere i raggi X, altrimenti
la vibrazione offuscherà l’immagine. Il più importante
criterio è che il tempo totale di scansione sia il più breve
Geometria di acquisizione con tomosintesi
movimento della sorgente raggi X.
che mostra il
possibile per ridurre la possibilità che la paziente si muova ,
il ché degraderebbe la visibilità delle piccole
microcalcificazioni e delle piccole lesioni spiculate.
Il campo angolare ed il numero di esposizioni acquisite
durante la scansione
sono variabili aggiuntive che
richiedono di essere
ottimizzate. In generale, più
esposizioni consentiranno una ricostruzione con meno
artefatti. Questo deve essere bilanciato rispetto al fatto che
per una data dose totale dell’esame , più esposizioni
significano un segnale minore per ciascuna delle singole
emissioni. Per esposizioni sufficientemente modeste, il
rumore del recettore digitale dominerà l’immagine e
degraderà l’immagine ricostruita. L’aumento del numero di
esposizioni inoltre aumenta la dimensione dei dati grezzi
ed i tempi di ricostruzione. Con riferimento al campo
angolare , un più ampio campo angolare fornisce una
superiore separazione degli strati, mentre un più piccolo
campo angolare fornisce più strutture a “fuoco” in un dato
strato. L’aumento della separazione teoricamente può essere
auspicabile per la risoluzione d’immagine tra due strutture
che giacciono accostate, ma potrebbe compromettere in
modo significativo l’apprezzabilità di un gruppo di
microcalcificazioni, avendo le singole calcificazioni
visualizzate in differenti strati, oppure la presenza di
”lesioni spiculate” giacenti in più di un piano ristretto.
Requisiti di un Sistema di Tomosintesi
Efficienza del detettore e dose
L’acquisizione di immagini in Tomosintesi consiste di una serie
di esposizioni a bassa dose , con ogni acquisizione pari a circa il
5-10% di una normale singola vista mammografica. Poiché
ciascuna esposizione è a bassa dose, diventa essenziale avere un
detettore ad alta efficienza quantica (DQE) e basso rumore. Poichè
le immagini vengono acquisite in un rateo di diverse immagini per
secondo, la rapida formazione dell’immagine è un'altra delle
necessità.
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I recettori d’immagine basati sul Selenio grazie alla loro
elevata efficienza quantica (DQE - Detective Quantum
Efficiency), assorbimento dei raggi X superiore al 95% nel
campo delle energie di mammografia, ed alla rapida
capacità di lettura dei dati (readout) rappresentano il
detettore ideale per i sistemi con Tomosintesi. L’utilizzo
del detettore al selenio permette di eseguire gli esami con
Tomosintesi con una dose totale di radiazione equivalente a
quella di una mammografia convenzionale.
cui piani sono paralleli al piano di supporto della mammella
Tipicamente queste immagini vengono ricostruite con
separazione degli strati pari ad 1mm, perciò una mammella
compressa di 5cm in uno studio con tomosintesi avrà una
ricostruzione di 50 strati. Un tempo rapido di ricostruzione
è essenziale, specialmente quando la tomosintesi venga
considerata quale parte di uno studio interventistico e per
questa ragione è importante mantenere il processamento di
post-acquisizione entro i 10 secondi od inferiore.
Modi di Acquisizione
Il sistema di tomosintesi deve essere in grado di eseguire
tutti gli esami convenzionali di mammografia digitale 2D
ed in aggiunta le acquisizioni in tomosintesi. Le immagini
di Tomosintesi devono poter essere acquiisite in tutti gli
orientamenti standard e non solo in CC ed MLO. Il sistema
deve essere inoltre in grado di acquisire un normale
mammogramma 2D e l’esame di Tomosintesi nella stessa
compressione. Per rendere questo più semplice si richiede
che la griglia sia autoretrattile in modo che il sistema possa
rapidamente ed automaticamente passare dal modo
immagine 2D a quello 3D e viceversa.
Metodologia di visualizzazione
Ricostruzione d’immagine
In Figura 4 il processo di ricostruzione con tomosintesi
consiste nella valutazione di immagini ad alta risoluzione i
Gli strati di ricostruzione con tomosintesi possono essere
visualizzati similarmente agli strati ricostruiti sulla TAC.
L’operatore può vedere le immagini una per volta o
visualizzarle in sequenza dinamica (cine-loop). Le
proiezioni originali sono identiche alle convenzionali
proiezioni mammografiche anche se ciascuna è a veramente
bassa dose e queste possono essere pure visualizzate, se
desiderato. Se il sistema acquisisce mammogrammi a 2D e
3D nella stessa compressione, le immagini da queste due
modalità vengono completamente co-registrate. La stazione
interfaccia utente che consente un rapido passaggio tra
questi due modi faciliterà il riesame delle immagini e
permetterà una rapida identificazione delle lesioni in una
modalità con la corrispondente lesione nell’altra modalità.
La Figura 5 mostra un esempio di selezione di strati di
ricostruzione di tomosintesi in una mammella.
Figura 4: La Tomosintesi acquisisce immagini della mammella a molteplici angolazioni e le ricostruisce in strati cross-sezionali
Viste da differenti angolazioni del tubo Raggi X
Strati a differenti altezze
L’immagine di sinistra mostra tre delle 15 proiezioni d’immagine della mammella acquisite a differenti angolazioni.. L’immagine di
destra mostra tre degli strati da 1 mm con ricostruzione cross-sezionale.
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Figura 5: Strati ricostruzione tomosintesi
Strati ricostruzione di tomosintesi dal piano di appoggio della mammella fino alla piastra di compressione rivelano oggetti
che giacciono a differenti altezze nella mammella quali cisti e calcificazioni mostrati dalle frecce.
Figura 6:Possibilità di bassa dose
Quando il fantoccio ACR viene posizionato sulla mammella di un cadavere e visualizzato (sinistra) la visibilità dei particolari a
basso contrasto è ridotta. Con una dose pari a 4x la dose convenzionale il mammogramma digitale (nel mezzo) mostra una
inferiore visibilità a basso contrasto rispetto ad un’immagine di tomosintesi (destra) che utilizza ¼ della dose di un
mammogramma digitale.
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Figura 7: La tomosintesi offre la potenzialità di inferiore forza
di compressione
solo la compressione necessaria a stendere il tessuto via
dalla parete toracica e minimizzare la possibilità di
movimento in modo adeguato. Quindi con la tomosintesi il
dolore da compressione è minimizzato. Questa eccitante
congettura di ridotta necessità di compressione è in fase di
investigazione clinica.
Se si utilizza una inferiore compressione della mammella
è necessario aumentare l’energia dei raggi X per poter
meglio penetrare le mammelle più spesse. In questo caso è
importante che il recettore d’immagine mantenga il suo
alto DQE alle più alte energie. Lo Ioduro di Cesio con il
suo mediocre assorbimento ad alti valori di KV può non
essere il materiale ottimale per il detettore. Il detettore al
Selenio amorfo non presenta queste limitazioni poiché il
suo k-edge è al di sotto del campo di energia
mammografica.
I tessuti che si sovrappongono nella mammografia
convenzionale e nascondono le patologie (immagine di sinistra)
hanno meno possibilità di essere oscurate se si utilizza la
tomosintesi (immagine destra)
Una proiezione rispetto a due proiezioni
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Potenziali benefici clinici
Riduzione dei richiami
Inferiore numero di biopsie
Miglioramento nella rilevazione di lesioni cancerogene
La tomosintesi dovrebbe risolvere gran parte dei
problemi di sovrapposizione dei tessuti che sono una delle
maggiori cause di richiamo e di immagini aggiuntive negli
esami mammografici a 2D. L’incidenza di procedure di
biopsia dovrebbe a sua volta diminuire grazie alla migliore
visualizzazione delle zone sospette. Alcune patologie che
nell’immagine mammografica erano nascoste diventeranno
individuabili grazie all’eliminazione del rumore della
struttura ed inoltre la tomosintesi può permettere un
miglioramento nell’individuazione dei tumori.
Riduzione della dose
La ridotta necessità di richiamo che deriva dall’uso della
tomosintesi porterà ad una riduzione della dose complessiva
alla popolazione.
Localizzazione tessuto
Poiché con la tomosintesi la localizzazione di una lesione in
uno strato determina completamente le sue vere coordinate
3D all’interno della mammella, i metodi di biopsia con
prelievo tissutale possono essere eseguiti utilizzando le
coordinate generate dalla tomosintesi
Minimo tempo di esame immagini
Siccome le immagini vengono presentate con ridotta
sovrapposizione di tessuto e rumore strutturale, gli oggetti
vengono visualizzati con migliore chiarezza. Questo
condurrà ad una analisi delle immagini più veloce ed ad una
interpretazione più sicura.
Ridotta forza di compressione
La Figura 7 mostra la potenzialità di una ridotta forza di
compressione per la tomosintesi 3D. Nella mammografia
convenzionale la mammella viene molto compressa in modo
da ridurre la sovrapposizione del tessuto. Per la tomosintesi
invece non si richiede un’alta forza di compressione e serve
Nei primi sviluppi della tomosintesi venne suggerito che la
tomosintesi potesse richiedere solo le acquisizioni in MLO
poiché la natura 3D delle immagini di tomosintesi
consentiva di visualizzare la mammella da diverse
angolazioni. Le attuali indicazioni sono che questo non è
vero e che la tomosintesi richiede le viste sia CC che
MLO.. Questo non è sorprendente poiché la tomosintesi
differisce dalle altre modalità di acquisizione immagini in
3D quali la TAC poiché non può generare ricostruzioni
multi-planari ortogonali quali le viste sagittali e coronali
da un gruppo di immagini di tomosintesi trasversale.
Patologie che siano allungate, planari od a forma non
sferica possono essere meglio visualizzate quando
rappresentate in un orientamento piuttosto che in un altro.
Una recente presentazione scientifica ha dimostrato che il
9% delle lesioni cancerogene nel loro studio erano state
visualizzate con vista di tomosintesi CC ma non erano
visibili nella vista di tomosintesi MLO.
Protocolli clinici di Tomosintesi
Hologic ha completato un programma di ricerca
multicentrico a multi-lettura sulle prestazioni della
tomosintesi. Lo scopo di questo studio era di confrontare il
tasso di individuazione radiologica del tumore ed il tasso di
richiamo nello screening utilizzando la convenzionale
mammografia digitale (2D) più la tomosintesi 3D della
mammella rispetto al tasso di rilevamento del tumore ed il
tasso di richiamo osservato utilizzando solo il 2D. Nello
studio 1083 donne presso cinque differenti centri clinici
sono state sottoposte all’esame 2D e 3D di entrambe le
mammelle. I casi sono stati raccolti da una popolazione di
screening ed arricchiti con pazienti dalla diagnostica
mammografica. Le immagini 2D e 3D sono consistite di
viste di entrambe le mammelle da CC ed MLO. Le
immagini 3D CC ed MLO sono state acquisite utilizzando
il mammografo con funzionalità tomosintesi di Hologic
mod. SELENIA.
316 gruppi di dati immagine sono stati scelti a caso per
essere esaminati da 12 radiologi. Le immagini 2D sono
state segnate per prime e poi i “lettori” hanno esaminato e
segnato gli esami 2D e 3D insieme. Per tutti i 12 lettori , le
prestazioni cliniche sono state superiori per le immagini
2D più 3D comparate con le sole 2D e misurate usando
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Figura 8: La Tomosintesi migliora le prestazioni nei confronti
della mammografia
Glossario
Curve ROC per le prestazioni 2D e 2D + 3D, mediate su 12 lettori
mostrano un significativo miglioramento nelle prestazioni cliniche
utilizzando la tomosintesi
l’area sotto la curva ROC.
La Figura 8 mostra la curva ROC generata dalla media
delle 12 curve ROC individuali. L’area media sotto la curva
ROC per i lettori aumenta da 0.83 a 0.90 utilizzando
obbligatoriamente la valutazione BIRADS, mostrando un
incremento di 0.07, un aumento altamente significativo con
un valore “p” di 0.0004. Usando 2D più 3D rispetto al solo
2D la sensitività migliora dal 66% al 76% e la specificità
aumenta dall’84% all’89% ed è stata osservata una riduzione
media del 43% nel tasso di richiamo. In questo studio
multicentrico con multi-lettura, le prestazioni dei radiologi
migliorano in modo significativo quando si usano le
immagini 2D combinate con il 3D comparato con l’uso del
solo 2D.
Conclusioni
La tomosintesi della mammella fornisce la capacità di
visualizzazione di immagini 3D per ottenere una più accurata
valutazione delle lesioni consentendo una migliore
differenziazione tra tessuti che si sovrappongono. Un basso
tasso di richiamo, un più alto valore di predittività di
positività per raccomandare la procedura di biopsia , .un più
alto tasso di rilevamento di tumore, meno richiami, meno
biopsie, meno dose, meno dolore da compressione ed un più
veloce esame sono i risultati che ci si aspetta dall’uso di
questa tecnologia. La tomosintesi della mammella presenta
una validità sia nello screening mammografico che nella
diagnostica mammografica..
2D
3D
BIRADS
due dimensioni
tre dimensioni
Breast Imaging Reporting
and Data System
CC
Cranio-Caudale
Ioduro di Cesio Materiale di rilevamento radiazioni utilizzato
nella conversione indiretta raggi X-recettore
immagine
TAC
Tomografia assiale computerizzata
DM
Mammografia digitale
DQE
Efficienza quantica di rilevamento – Una
misura dell’efficienza di dose di un detettore
Forced BIRADS Valutazione BIRADS permette solo un valore
da 1 a 5; cioè no richiami
k-edge
Energia a cui i raggi X hanno un improvviso
aumento nella loro probabilità di essere
assorbiti
MLO
Mediolaterale Obliquo
ROC
Caratteristiche Operative del Ricevitore; il
grafico presenta la frazione di veri positivi
(sensitività) rispetto alla frazione di falsi
positivi (specificità) per un sistema
classificatore binario mentre la sua soglia di
discriminazione è variata.
Selenio
Materiale di rilevamento della radiazione
utilizzato nella conversione diretta raggi X –
recettore immagine
Tomosintesi
La Tomosintesi associa la cattura
dell’immagine digitale ed il processamento
con il semplice movimento tubo/detettore
come utilizzato nella convenzionale
radiografia tomografica. Sebbene vi siano
alcune similitudini con la TAC , è una tecnica
differente
Riconoscimenti
Referenze
Esempi Clinici
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Adenocarcinoma Tubulobulare non ben visibile nel
mammogramma digitale convenzionale (immagine sinistra)
e molto più visibile nello strato dal gruppo di immagini
di tomosintesi (immagine destra)
Aree sospette in un mammogramma digitale (immagine sinistra)
possono essere evidenziate con la tomosintesi (immagine destra)
Carcinoma lobulare infiltrante e multifocalità non ben visibili
nel mammogramma digitale convenzionale (immagine
sinistra) ben più dettagliati nello strato dal gruppo di
immagini di tomosintesi (immagine destra)
Lesione tumorale occulta (immagine sinistra) che è ben visibile con
la tomosintesi (immagine destra)
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