Η ψηφιακή τομοσύνθεση στην τρισδιάστατη απεικόνιση μαστών, είναι μια μέθοδος ανακατασκευής οποιουδήποτε αριθμού τομογραφικών επιπέδων τυχαίου προσανατολισμού, στη βάση ψηφιοποιημένων προβολικών εικόνων της εξεταζόμενης περιοχής, που λαμβάνονται κατά την διάρκεια της περιστροφής του συστήματος ακτινολογική λυχνία-ενισχυτής εικόνας με κέντρο το ισόκεντρο του μηχανήματος και κατά το προεπιλεγμένο τόξο. Δυστυχώς, σε περιπτώσεις αυξημένης πυκνότητας μαστών, η ποιότητα των ανακατασκευασμένων επιπέδων επηρεάζεται από θόρυβο, λόγω των επιπροβαλλόμενων στοιχείων υπερκείμενων ή υποκείμενων επιπέδων. Το αντικείμενο που πραγματεύεται η εργασία, είναι η μελέτη διαφόρων τεχνικών επεξεργασίας των τομών, που θα μπορούσαν να αφαιρέσουν το θόρυβο από τα ανακατασκευασμένα επίπεδα και να βελτιώσουν την ποιότητά τους. Για αυτόν το λόγο, δημιουργήθηκαν τρία πειραματκά phantoms διαφορετικής πολυπλοκότητας, στα οποία προστέθηκαν δυσμορφίες που αντιπροσωπεύουν μικρές ασβεστοποιήσεις και μάζες χαμηλής αντίθεσης. Στη συνέχεια, υποβλήθηκαν στην προσομειωμένη απεικόνιση με ακτίνες Χ, προκειμένου να παραχθεί ένα σύνολο προβολικών εικόνων σε τόξο εύρους από -20° έως +20° κάθε 2°. Οι ακτινοβολημένοι όγκοι ανακατασκευάστηκαν μέσω του αλγόριθμου πολλαπλών προβολών (MPA), γραμμένο σε Matlab. Οι ανακατασκευασμένες φέτες έχουν πλάτος λιγότερο από 1mm, προκειμένου να ανιχνευθούν μικρές ασβεστοποιήσεις. Αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν πειραματικά δύο αλγόριθμοι για την περαιτέρω επεξεργασία των λαμβανόμενων τομών. Ο πρώτος είναι βασισμένος στην λογαριθμική μέθοδο αφαίρεσης δομών που βρίσκονται εκτός επιπέδου ενδιαφέροντος, συνδυάζοντας τεχνικές τονισμού της εικόνας. Η δεύτερη τεχνική εκτελεί το φιλτράρισμα της εικόνας, συγκρίνοντας τις τιμές των pixel, σε όλο τoν όγκο προς ανακατασκευή. Η ποιότητα της εικόνας καθορίστηκε μέσω της οπτικής αξιολόγησης των ανακατασκευασμένων επιπέδων καθώς και τον υπολογισμό του CNR. Και οι δύο αξιολογήσεις κατέδειξαν καλή διαχωριστική και αφαίρετική ικανότητα του τομογραφικού θορύβου. Το MPA σε συνδυασμό με τους προτεινόμενους αλγορίθμους αφαίρεσης θορύβου, μείωσε τον τομογραφικό θόρυβο στις ανακατασκευασμένες εικόνες και αύξησε το CNR. Περαιτέρω μελέτες θα περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός γενικευμένου αλγορίθμου αφαίρεσης θορύβου που θα συνδυάσει τις προτεινόμενες δύο τεχνικές. / Digital tomosynthesis for breast imaging is a method of reconstructing any number of tomographic planes, by using a set of limited angle projections, acquired as the X-ray source moves in an arc around the breast. Unfortunately, in case of dense breasts, the quality of the reconstructed planes is affected by structured noise, due to blur from planes other than the fulcrum plane. The purpose of this project is to study different post-processing techniques that could remove the noise from the reconstructed planes and improve their quality. For this purpose, three software phantoms of different complexity with inserted abnormalities that represent small micro calcifications and low-contrast masses were created. Subsequently, they were subjected to x-ray imaging simulation in order to produce a set of projection images in the gantry arc from -200 to 200 every 20. The irradiated volumes were reconstructed with the Multiple Projections reconstruction Algorithm (MPA) written in Matlab. Reconstructed slices were with width of less than 1mm width, in order to detect the small microcalcifications. Two algorithms for removing unwanted structured noise were explored. The first one is based on the iterative logarithmic subtraction method of unrelated structures combined with image enhancement techniques. The second technique performs a filtering action based on a pixel intensity value comparison, throughout the phantom volume. Image quality was assessed by evaluation of the reconstructed planes in terms of both visual assessment and contrast to noise ratio (CNR). Both evaluations demonstrated good noise discrimination and elimination, followed by an improvement of the contrast and visibility of abnormalities in tomograms. The MPA followed by the proposed noise removal algorithms resulted in less noisy tomosynthesis images, higher CNR and feature contrast for both low- and high contrast details. Further studies include developing of a generalised noise removal algorithm that will combine the proposed two techniques.

The current thesis is focused on the study of tomosynthesis techniques applied on breast imaging, in order to improve the detection of breast lesions. Breast Tomosynthesis (BT) is a pseudo-three-dimensional (3D) x-ray imaging technique that provides reconstructed tomographic images from a set of angular projections taken in a limited arc around the breast, with dose levels similar to those of a two-view conventional mammography. Simulation studies and clinical trials suggest that BT is very useful for imaging the breast in an attempt to optimize the detection and characterization of lesions particularly in dense breasts and has the potential to reduce the recall rate. Reconstruction algorithms and acquisition parameters are critical for the quality of reconstructed slices. The aim of this research is to explore tomosynthesis modalities for breast imaging and evaluate them against existing mammographic techniques as well as to investigate the effect of reconstruction algorithms and acquisition parameters on the image quality of tomosynthetic slices. A specific aim and innovation of the study was to demonstrate the feasibility of combining BT and monochromatic radiation for 3D breast imaging, an approach that had not been studied thoroughly yet. For the purposes of this study a computer-based platform has been developed in Matlab incorporating reconstruction algorithms and filtering techniques for BT applications. It is fully parameterized and has a modular architecture for easy addition of new algorithms. Simulations studies with the XRayImaging Simulator and experimental work at ELETTRA Synchrotron facilities in Trieste, Italy, have been performed using software and complex hardware phantoms, of realistic shape and size, consisting of materials mimicking the breast tissue. The work has been carried out in comparison to conventional BT and mammography and demonstrates the feasibility of the studied new technique and the potential advantages of using BT with synchrotron modality for the detection of breast low- and high-contrast breast lesions such as masses and microcalcifications (μCs). Evaluations of both simulation and experimental tomograms demonstrated superior visibility of all reconstructed features using appropriately optimized filtered algorithms. Moreover, image quality and evaluation metrics are improved with extending the acquisition length for the masses. The visualization of μCs was found less sensitive to this parameter due to their high inherent contrast. Breast tomosynthesis shows advantages in visualizing features of small size within phantoms of increased thickness and especially in bringing into focus and localizing low-contrast masses hidden in a highly heterogeneous background with superimposed structures. Monochromatic beams can result in better tissue differentiation and in combination with BT can lead to improvement of features’ visibility, better detail and higher contrast. Monochromatic BT provided improved image quality at lower incident exposures, compared to conventional mammography, concerning mass detection and visibility of borders, which is important for their characterization, especially when they are spiculated. Overall it has been proved that while reducing the radiation dose, monochromatic beams combined with BT, result in an improvement of image quality. These findings are encouraging for the development of a tomosynthesis system based on monochromatic beams. / Η συγκεκριμένη διατριβή εστιάζει στη μελέτη των τεχνικών της τομοσύνθεσης όπως αυτές εφαρμόζονται στην απεικόνιση του μαστού, με στόχο την βελτίωση της ανίχνευσης των αλλοιώσεων του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού είναι μια τεχνική ψευδό-τρισδιάστατης απεικόνισης με ακτίνες-χ που ανακατασκευάζει τομογραφικές εικόνες χρησιμοποιώντας μια σειρά προβολικών λήψεων υπό διαφορετικές γωνίες σε περιορισμένο τόξο γύρω από το μαστό και με δόσεις ακτινοβολίας παρόμοιες με εκείνες που απαιτούνται για τις δύο τυπικές λήψεις της κλασικής μαστογραφία. Μελέτες προσομοίωσης και κλινικές δοκιμές δείχνουν πως η τομοσύνθεση του μαστού βελτιώνει την απεικόνιση του μαστού, με αποτέλεσμα την καλύτερη ανίχνευση των αλλοιώσεων ειδικά σε πυκνούς μαστούς και αναμένεται ότι η εφαρμογή της θα μπορούσε να μειώσει την ανάγκη επανάληψης της εξέτασης. Οι αλγόριθμοι ανακατασκευής και οι παράμετροι λήψης των προβολικών εικόνων είναι μεγάλης σημασίας για την ποιότητα των ανακατασκευασμένων τομογραφικών εικόνων. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να μελετήσει τεχνικές που βασίζονται στην τομογραφική απεικόνιση του μαστού και να τις συγκρίνει με υπάρχουσες τεχνικές μαστογραφίας καθώς και να διερευνήσει την επίδραση των αλγορίθμων ανακατασκευής και των παραμέτρων λήψης στην ποιότητα της ανακατασκευασμένης τομογραφικής εικόνας. Ένας συγκεκριμένος στόχος και καινοτομία αυτής της μελέτης ήταν να διερευνήσει πιθανά πλεονεκτήματα και να επιδείξει την σκοπιμότητα του συνδυασμού της τομοσύνθεσης του μαστού με μονοχρωματική ακτινοβολία που παράγεται από σύγχροτρον για την τρισδιάστατη απεικόνιση του μαστού, μία προσέγγιση που δεν είχε ακόμα μελετηθεί εκτενώς. Για τις ανάγκες αυτής της μελέτης αναπτύχθηκε στο Matlab μια πλατφόρμα που ενσωματώνει αλγορίθμους ανακατασκευής και τεχνικές φιλτραρίσματος για τομοσύνθεση μαστού. Η εφαρμογή είναι πλήρως παραμετροποιημένη και σχεδιασμένη ώστε να είναι εύκολη η προσθήκη νέων αλγορίθμων. Προσομοιώσεις με τη χρήση του προσομοιωτή XRayImagingSimulator καθώς και πειραματικές μελέτες στις εγκαταστάσεις σύγχροτρον ELETΤRA, στην Τεργέστη της Ιταλίας έχουν πραγματοποιηθεί, με χρήση απλών και σύνθετων ομοιωμάτων μαστού, μιμούμενα τις ιδιότητες του ιστού του μαστού, με ρεαλιστικό μέγεθος και σχήμα. Οι μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί σε σύγκριση με την τυπική τομοσύνθεση μαστογραφία και δείχνουν πόσο εφικτή είναι η νέα τεχνική και τα δυνητικά πλεονεκτήματα της τομοσύνθεσης του μαστού με χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας για την εύρεση χαμηλής και υψηλής αντίθεσης αλλοιώσεων όπως μάζες και μικροαποτιτανώσεις. Εκτιμήσεις των τομογραφικών εικόνων που έχουν προκύψει τόσο από προσομοιώσεις όσο και από πειράματα δείχνουν βελτιωμένη απεικόνιση όλων των ανακατασκευασμένων στοιχείων ενδιαφέροντος με χρήση κατάλληλων βελτιστοποιημένων φίλτρων. Επιπλέον, η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται με τη διεύρυνση του τόξου λήψης για τις μάζες, ενώ η απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων βρέθηκε να είναι λιγότερο ευαίσθητη σε αυτή τη παράμετρο λόγω της υψηλότερης αντίθεσης που έχουν σε σχέση με τον περιβάλλοντα φυσιολογικό ιστό του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού φάνηκε να έχει πλεονεκτήματα στην απεικόνιση αλλοιώσεων μικρού μεγέθους και πιο συγκεκριμένα στο να διακρίνει και να ανιχνεύει χαμηλής αντίθεσης μάζες, μέσα σε πυκνούς μαστούς με έντονα ετερογενή σύσταση, μετριάζοντας τα προβλήματα επικάλυψης. Η μονοχρωματική ακτινοβολία μπορεί να προσφέρει καλύτερη διαφοροποίηση των ιστών του μαστού και σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της απεικόνισης των αλλοιώσεων και στην παραγωγή εικόνων με καλύτερη λεπτομέρεια και υψηλότερη αντίθεση. Γενικά βρέθηκε ότι η μονοχρωματική τομοσύνθεση του μαστού παρέχει βελτιωμένη ποιότητα εικόνας, σε σύγκριση με την κλασική μαστογραφία, όσον αφορά την ανίχνευση όγκων και την ορατότητα των περιγραμμάτων τους, που είναι σημαντική για τον χαρακτηρισμό των μαζών, ειδικά όταν δεν έχουν καλώς καθορισμένα όρια. Συνολικά η μελέτη αυτή έδειξε ότι ακόμα και με μικρότερη δόση ακτινοβολίας, η χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση του μαστού, έχουν ως αποτέλεσμα την βελτίωση της εικόνας, γεγονός που είναι ενθαρρυντικό για την ανάπτυξη ενός συστήματος τομοσύνθεσης βασισμένο σε ακτίνες-χ μονοχρωματικής δέσμης.