Breast cancer continues to be the most frequently diagnosed cancer in Canadian women. Currently, mammography is the clinically accepted best modality for breast cancer detection and the regular use of screening has been shown to contribute to the reduced mortality. However, mammography suffers from several drawbacks which limit its sensitivity and specificity. As a potential solution, digital breast tomosynthesis (DBT) uses a limited number (typically 10-20) of low-dose x-ray projections to produce a three-dimensional tomographic representation of the breast. The reconstruction of DBT images is challenged by such incomplete sampling. The purpose of this thesis is to evaluate the effect of image acquisition parameters on image quality of DBT for various reconstruction techniques and to optimize these, with three specific goals: A) Develop a better power spectrum estimator for detectability calculation as a task-based image quality index; B) Develop a paired-view algorithm for artifact removal in DBT reconstruction; and C) Increase dose efficiency in DBT by reducing random noise. A better power spectrum estimator was developed using a multitaper technique, which yields reduced bias and variance in estimation compared to the conventional moving average method. This gives us an improved detectability measurement with finer frequency steps. The paired-view scheme in DBT reconstruction provides better image quality than the commonly used sequential method. A simple ordering like the “side-to-side” method can achieve less artifact and higher image quality in reconstructed slices. The new denoising algorithm developed was applied to the projection views acquired in DBT before reconstruction. The random noise was markedly removed while the anatomic details were maintained. With the help of this artifact-removal technique used in reconstruction and the denoising method employed on the projection views, the image quality of DBT is enhanced and lesions should be more readily detectable.

Digital radiography systems are important diagnostic tools for modern medicine. The images are produced when x-ray sensitive materials are coupled directly onto the sensing element of the detector panels. As a result, the size of the detector panels is the same size as the x-ray image. An alternative to the modern DR system is to image the x-ray phosphor screen with a lens onto a digital camera. Potential advantages of this approach include rapid readout, flexible magnification and field of view depending on applications. We have evaluated lens-coupled DR systems for the task of signal detection by analyzing the covariance matrix of the images for three cases, using a perfect detector and lens, when images are affected by blurring due to the lens and screen, and for a signal embedded in a complex random background. We compared the performance of lens-coupled DR systems using three types of digital cameras. These include a scientific CCD, a scientific CMOS, and a prosumer DSLR camera. We found that both the prosumer DSLR and the scientific CMOS have lower noise than the scientific CCD camera by looking at their noise power spectrum. We have built two portable low-cost DR systems, which were used in the field in Nepal and Utah. We have also constructed a lens-coupled CT system, which included a calibration routine and an iterative reconstruction algorithm written in CUDA.

Se zvyšující se dostupností medicínského CT vyšetření a s rostoucím počtem patologických stavů, pro které je indikováno, se redukce pacientské dávky ionizujícího záření stává stále aktuálnějším tématem. Výrazný pokrok v tomto odvětví představují nové metody rekonstrukce obrazů z projekcí, tzv. moderní iterativní rekonstrukční metody. Zároveň se zavedením těchto metod vzrostla potřeba pro měření obrazové kvality. Kvalita iterativně rekonstruovaných dat byla doposud kvantitativně hodnocena pouze na fantomových datech nebo na malých oblastech zájmu v reálných pacientských datech. Charakter iterativně rekonstruovaných dat však naznačuje, že tyto přístupy nadále nejsou dostatečné a je nutné je nahradit přístupy novými. Hlavním cílem této dizertační práce je navrhnout nové přístupy k měření kvality CT obrazových dat, které budou respektovat specifika iterativně rekonstruovaných obrazů a budou počítána plně automaticky přímo z reálných pacientských dat.

Esse trabalho apresenta uma nova metodologia para a correção do espectro de potência do ruído no processo de simulação de aquisições de imagens de tomossíntese digital mamária (Digital Breast Tomosynthesis - DBT) com doses reduzidas de radiação. A simulação é realizada por meio da inserção de ruído quântico dependente do sinal em imagens previamente adquiridas com a dose padrão de radiação. A DBT utiliza a mesma tecnologia de raios X que a mamografia digital, porém com a capacidade de prover ao médico exames do volume tridimensional da mama, minimizando o problema de superposição de tecidos. Apesar de ser o sucessor da mamografia, estudos têm mostrado que a otimização da relação entre a dose de radiação e a qualidade da imagem adquirida ainda não está bem estabelecida na DBT. Devido à impossibilidade de realizar diversas exposições de radiação a uma mesma paciente para os estudos de otimização da dose de radiação, é desejável que exista um método capaz de simular com exatidão diversas exposições tendo como base uma imagem clínica de referência. Embora existam diversos métodos para a simulação da redução de dose em exames mamográficos, o mesmo não pode ser dito quanto a imagens de DBT. O método desenvolvido para simulação da redução da dose de radiação em imagens de DBT se baseia em uma abordagem de inserção de ruído por meio de uma transformada de estabilização de variância, que já foi utilizada para simulação da redução de dose em exames de mamografia digital. Porém, esse trabalho propõe a inclusão da correção do espectro de potência do ruído para otimizar o desempenho do método de inserção de ruído para exames de DBT. Os resultados obtidos mostraram que, quando comparando a imagens de referência, a as imagens simuladas apresentaram erro menores que 1% para a análise do valor médio e desvio padrão e erro próximo de 5% para a análise do espectro de potência, apresentado resultados até 64% melhores que métodos não otimizados para DBT. / This work presents a new methodology for noise power spectrum correction in the simulation of digital breast tomosynthesis (DBT) images with reduced dose of radiation. The simulation is performed by inserting a signal-dependent quantum noise into previously acquired images with the standard dose of radiation. Using the same X-ray technology as a standard mammography, the DBT is capable of reconstructing the inner tissues of the patients\' breasts as a three-dimensional volume, providing more resources for cancer detection than its bi-dimensional counterpart and minimizing tissue overlapping. Despite being the successor to mammography, studies have shown that the optimization of the relationship between radiation dose and image quality is not well established in DBT yet. Due to the impossibility of exposing the same patient to multiple exams with different doses each, a simulation method able to mimic clinical images with high reliability is desirable. Despite the number of methods proposed for dose reduction simulation in mammography, scarcely any may be used in DBT. The method developed for simulation of radiation dose reduction in DBT images is based on a noise insertion approach using a variance-stabilizing transformation, which has already been used to simulate dose reduction in digital mammography exams. However, this work proposes the inclusion of the noise power spectrum correction to optimize the performance of the noise insertion method for DBT exams. The results showed that, when compared with reference images, the simulated images achieved less than 1% error for mean and standard deviation values and close to 5% error for power spectrum analysis, improving in up to 64% when compared with non-optimized for DBT simulation methods.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um conjunto de procedimentos de avaliação da qualidade de equipamentos mamográficos a partir do processamento de imagens digitais obtidas com a exposição radiográfica de objetos de testes (phantoms) padronizados. O sistema desenvolvido permite a avaliação de diversos parâmetros físicos de qualidade da imagem radiográfica com simplicidade e rapidez, sem abrir mão da precisão, com o mínimo tempo e uso dos equipamentos. Os principais parâmetros avaliados relacionados à qualidade de um sistema de imagem são: a resolução espacial - pela medida da função de transferência de modulação (MTF) - o contraste - medido pela curva sensitométrica e o ruído - pela medida da densidade espectral de ruído (NPS). Dessa forma, o sistema desenvolvido atende às recomendações do ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements), que trata das diretrizes para controle de qualidade de imagens radiográficas em todo o mundo. A partir da medida desses três parâmetros de qualidade é possível também aferir a eficiência de detecção quântica (DQE) do sistema de imagem mamográfica, que permite uma avaliação completa da qualidade da imagem em função da dose recebida pelo paciente. Os resultados obtidos comprovam a possibilidade da aplicação prática do sistema desenvolvido, o qual proporciona uma avaliação completa da qualidade da imagem formada pelo equipamento. Todos os resultados apresentaram baixa estimativa de erro, fundamentados pela análise da incerteza nos processos de medida. Além disso, a avaliação por meio do DQE permitiu realizar uma comparação entre os sistemas mamográficos envolvidos nessa pesquisa. Assim, com base nesses resultados é possível afirmar que o sistema computacional desenvolvido pode desempenhar um papel fundamental na avaliação da qualidade em sistemas de imagens mamográficas. / The aim of this work is to develop a set of procedures for quality assurance of mammographic equipment by the digital image processing of radiographic images of standard test objects (phantoms) acquired by the radiographic equipment. It allows the evaluation of several physical parameters of the radiographic image quality by a simple and quick procedure, with good accuracy, using the equipment the shortest time as possible. The main evaluated parameters related to the quality of an imaging system are: spatial resolution - by measuring the modulation transfer function (MTF) - image contrast - by the measurement of the H&D curve and noise - evaluated by the noise power spectrum (NPS). Thus, it attends the recommendations of the ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements), which deals as the guidelines for quality assurance of radiographic images all over the world. Through these quality parameters is possible to measure the detective quantum efficiency (DQE) of any mammographic system, which allows a full evaluation of the image quality related to the dose absorbed by the patient. The results confirm the possibility of the practical application of the developed system, which provides a full evaluation of the image quality, acquired by the mammographic equipment. All results showed low error estimation, substantiated by the analysis of the uncertainty in measurements procedures. Moreover, the evaluation through the DQE allowed to perform a comparison of mammography systems involved in this research. Thus, based on these results, it is possible to confirm that its system can perform a fundamental part of the quality assurance in mammographic images system.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um conjunto de procedimentos de avaliação da qualidade de equipamentos mamográficos a partir do processamento de imagens digitais obtidas com a exposição radiográfica de objetos de testes (phantoms) padronizados. O sistema desenvolvido permite a avaliação de diversos parâmetros físicos de qualidade da imagem radiográfica com simplicidade e rapidez, sem abrir mão da precisão, com o mínimo tempo e uso dos equipamentos. Os principais parâmetros avaliados relacionados à qualidade de um sistema de imagem são: a resolução espacial - pela medida da função de transferência de modulação (MTF) - o contraste - medido pela curva sensitométrica e o ruído - pela medida da densidade espectral de ruído (NPS). Dessa forma, o sistema desenvolvido atende às recomendações do ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements), que trata das diretrizes para controle de qualidade de imagens radiográficas em todo o mundo. A partir da medida desses três parâmetros de qualidade é possível também aferir a eficiência de detecção quântica (DQE) do sistema de imagem mamográfica, que permite uma avaliação completa da qualidade da imagem em função da dose recebida pelo paciente. Os resultados obtidos comprovam a possibilidade da aplicação prática do sistema desenvolvido, o qual proporciona uma avaliação completa da qualidade da imagem formada pelo equipamento. Todos os resultados apresentaram baixa estimativa de erro, fundamentados pela análise da incerteza nos processos de medida. Além disso, a avaliação por meio do DQE permitiu realizar uma comparação entre os sistemas mamográficos envolvidos nessa pesquisa. Assim, com base nesses resultados é possível afirmar que o sistema computacional desenvolvido pode desempenhar um papel fundamental na avaliação da qualidade em sistemas de imagens mamográficas. / The aim of this work is to develop a set of procedures for quality assurance of mammographic equipment by the digital image processing of radiographic images of standard test objects (phantoms) acquired by the radiographic equipment. It allows the evaluation of several physical parameters of the radiographic image quality by a simple and quick procedure, with good accuracy, using the equipment the shortest time as possible. The main evaluated parameters related to the quality of an imaging system are: spatial resolution - by measuring the modulation transfer function (MTF) - image contrast - by the measurement of the H&D curve and noise - evaluated by the noise power spectrum (NPS). Thus, it attends the recommendations of the ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements), which deals as the guidelines for quality assurance of radiographic images all over the world. Through these quality parameters is possible to measure the detective quantum efficiency (DQE) of any mammographic system, which allows a full evaluation of the image quality related to the dose absorbed by the patient. The results confirm the possibility of the practical application of the developed system, which provides a full evaluation of the image quality, acquired by the mammographic equipment. All results showed low error estimation, substantiated by the analysis of the uncertainty in measurements procedures. Moreover, the evaluation through the DQE allowed to perform a comparison of mammography systems involved in this research. Thus, based on these results, it is possible to confirm that its system can perform a fundamental part of the quality assurance in mammographic images system.

Esse trabalho apresenta uma nova metodologia para a correção do espectro de potência do ruído no processo de simulação de aquisições de imagens de tomossíntese digital mamária (Digital Breast Tomosynthesis - DBT) com doses reduzidas de radiação. A simulação é realizada por meio da inserção de ruído quântico dependente do sinal em imagens previamente adquiridas com a dose padrão de radiação. A DBT utiliza a mesma tecnologia de raios X que a mamografia digital, porém com a capacidade de prover ao médico exames do volume tridimensional da mama, minimizando o problema de superposição de tecidos. Apesar de ser o sucessor da mamografia, estudos têm mostrado que a otimização da relação entre a dose de radiação e a qualidade da imagem adquirida ainda não está bem estabelecida na DBT. Devido à impossibilidade de realizar diversas exposições de radiação a uma mesma paciente para os estudos de otimização da dose de radiação, é desejável que exista um método capaz de simular com exatidão diversas exposições tendo como base uma imagem clínica de referência. Embora existam diversos métodos para a simulação da redução de dose em exames mamográficos, o mesmo não pode ser dito quanto a imagens de DBT. O método desenvolvido para simulação da redução da dose de radiação em imagens de DBT se baseia em uma abordagem de inserção de ruído por meio de uma transformada de estabilização de variância, que já foi utilizada para simulação da redução de dose em exames de mamografia digital. Porém, esse trabalho propõe a inclusão da correção do espectro de potência do ruído para otimizar o desempenho do método de inserção de ruído para exames de DBT. Os resultados obtidos mostraram que, quando comparando a imagens de referência, a as imagens simuladas apresentaram erro menores que 1% para a análise do valor médio e desvio padrão e erro próximo de 5% para a análise do espectro de potência, apresentado resultados até 64% melhores que métodos não otimizados para DBT. / This work presents a new methodology for noise power spectrum correction in the simulation of digital breast tomosynthesis (DBT) images with reduced dose of radiation. The simulation is performed by inserting a signal-dependent quantum noise into previously acquired images with the standard dose of radiation. Using the same X-ray technology as a standard mammography, the DBT is capable of reconstructing the inner tissues of the patients\' breasts as a three-dimensional volume, providing more resources for cancer detection than its bi-dimensional counterpart and minimizing tissue overlapping. Despite being the successor to mammography, studies have shown that the optimization of the relationship between radiation dose and image quality is not well established in DBT yet. Due to the impossibility of exposing the same patient to multiple exams with different doses each, a simulation method able to mimic clinical images with high reliability is desirable. Despite the number of methods proposed for dose reduction simulation in mammography, scarcely any may be used in DBT. The method developed for simulation of radiation dose reduction in DBT images is based on a noise insertion approach using a variance-stabilizing transformation, which has already been used to simulate dose reduction in digital mammography exams. However, this work proposes the inclusion of the noise power spectrum correction to optimize the performance of the noise insertion method for DBT exams. The results showed that, when compared with reference images, the simulated images achieved less than 1% error for mean and standard deviation values and close to 5% error for power spectrum analysis, improving in up to 64% when compared with non-optimized for DBT simulation methods.

This work is focused on the description of the dynamic contrast-enhanced CT examination and its contribution in the pneumooncology. It includes a program for creating a two-dimensional model of the scan from the thorax and for the perfuse examination simulation using the time-density curve. Real CT data are simulated more authentic using rigid geometric transformations and noise. The model will be used for the validation of registration algorithms that is used to suppress the spatial deformation generated by patient motions during the long time examination.