INVESTIGATING THE USE OF BLOCK-MATCHING 3D DENOISING ALGORITHM TO REDUCE RADIATION DOSE IN DIGITAL MAMMOGRAPHY

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1 INVESTIGATING THE USE OF BLOCK-MATCHING 3D DENOISING ALGORITHM TO REDUCE RADIATION DOSE IN DIGITAL MAMMOGRAPHY HELDER C. R. DE OLIVEIRA POLYANA F. NUNES LUCAS R. BORGES MARCELO A. C. VIEIRA

2 2 MOTIVAÇÃO Câncer de mama: Alta taxa de mortalidade; Estimativa de novos casos no Brasil em 2014 * ; Cerca de resultarão em óbito * ; Rastreamento: Detecção precoce reduz a mortalidade em até 30%; Mamografia por raios X; Trabalhos recentes Risco de indução: mulheres: 86 casos serão induzidos, com 11 óbitos ** ; 979 vidas serão salvas ** ; * INCA, ; ** Yaffe M. J.; Mainprize J. G., Radiology, 2011;

3 3 MOTIVAÇÃO Estudos sobre a possibilidade de redução da dose de radiação na mamografia são importantes!

4 4 A DOSE DETERMINA A DETECÇÃO DAS LESÕES Dose Alta Dose Média Dose Baixa

5 5 MOTIVAÇÃO Dose vs. Qualidade da imagem: O ruído é o fator dominante na qualidade da imagem mamográfica * ; É mais significativo do que a resolução espacial na detecção de microcalcificações e classificação de nódulos pelos radiologistas *. Dose vs. Diagnóstico ** : Redução de 50% nas doses de radiação na mamografia: Muita influência na detecção de microcalcificações. Pequenas estruturas (200 µm 500 µm) * Saunders S., et al. Medical Physics, ** Ruschin M., et al. Medical Physics, ** Samei E., et al. Radiology, 2007.

6 6 PROPOSTA Filtragem do Ruído Dose Ruído Imagem filtrada 100% dose

7 7 FILTRAGEM DE RUÍDO Diversos métodos na literatura: Wiener; Média local; Media não local; Wavelets; Filtro bilateral;... Remoção de ruído vs. borramento; Block-Matching 3D (BM3D)*: Desenvolvido na Tempere University, Finlândia; Considerado o estado da arte dentre os métodos de remoção de ruído; * Foi, A. et al; SPIE Electronic Imaging, 2006;

8 8 BLOCK-MATCHING 3D * Explora a redundância dos pixels na imagem; Todos os blocos são versões do mesmo bloco sem ruído*; Agrupa os blocos similares em pilhas 3D: * Foi, A. et al; SPIE Electronic Imaging, 2006;

9 9 BLOCK-MATCHING 3D O processo de filtragem é realizado em 2 etapas: Imagem ruidosa Pré - Estimativa? Estimativa final #1 Filtragem Wavelet #2 Filtragem Wiener

10 10 BLOCK-MATCHING 3D Estimativa básica Imagem ruidosa? * Foi, A. et al; SPIE Electronic Imaging, 2006;

11 11 BLOCK-MATCHING 3D Estimativa final Estimativa básica? Imagem ruidosa * Foi, A. et al; SPIE Electronic Imaging, 2006;

12 12 MATERIAIS E MÉTODOS Testes usando imagens sintéticas de mamografia adquiridas com o uso de um phantom antropomórfico da University of Pennsylvania*; Simulação realística de estruturas da mama (tecidos, lesões): Microcalcificações; Compressão; Aquisição com diferentes doses (níveis de ruído): 100%, 50% e 25% Possibilidade de imagem de referência (sem ruído) para medidas quantitativas da qualidade de imagem. * Bakic, P. R. et al; Med Phys, 2012;

13 13 MÉTODOS Cada imagem tem 1792 x 4096 pixels; Cinco recortes extraídos de cada imagem dentro da mama: R1 R2 R3 R4 R5

14 14 MÉTODOS Metodologia adotada: Imagem 100% s/ ruído Imagem 100% da dose Imagem 50% e 25% s/ ruído Imagem 50% e 25% da dose Levantamento: PSNR e MSSIM Levantamento: PSNR e MSSIM Ajuste de parâmetros Doses PSNR (db) MSSIM 100% 41,53 0, % 38,49 0, % 35,53 0,8111 BM3D Imagem com ruído atenuado Levantamento: PSNR e MSSIM

15 15 RESULTADOS 50% da dose: Antes da filtragem; 100% - Original 50% - Dose reduzida PSNR (db) MSSIM 100% 41,53 0, % 38,49 0,8923

16 16 RESULTADOS 50% da dose: Após a filtragem; 100% - Original 50% Filtrada 50% - Dose reduzida PSNR (db) MSSIM 100% 41,53 0,9425 Filtrada 42,75 0, % 38,49 0,8923

17 17 RESULTADOS 50% - Perfil radiométrico: Antes da filtragem:

18 18 RESULTADOS 50% - Perfil radiométrico: Depois da filtragem:

19 19 RESULTADOS 25% da dose: Antes da filtragem; 100% - Original 25% - Dose reduzida PSNR (db) MSSIM 100% 41,52 0, % 35,53 0,8111

20 20 RESULTADOS 25% da dose: Após a filtragem; 100% - Original 25% - Filtrada 25% - Dose reduzida PSNR (db) MSSIM 100% 41,52 0,9425 Filtrada 41,56 0, % 35,53 0,8111

21 21 RESULTADOS 25% - Perfil radiométrico: Antes da filtragem:

22 22 RESULTADOS 25% - Perfil radiométrico: Depois da filtragem:

23 23 RUÍDO QUÂNTICO BM3D Ruído Gaussiano Branco Aditivo; Ruído predominante na mamografia: Ruído quântico: Poisson, não aditivo e correlacionado com o sinal; Estabilização de variância*: Transformada de Anscombe**: Ruído Poisson Ruído Gaussiano * Makitalo, M.; Foi, A.; Transactions of Image Processing, 2011; ** Anscombe, F. J.; Biometrika, 1948;

24 24 RESULTADOS: BM3D+ANSCOMBE 50%: PSNR (db) MSSIM 100% 41,53 0,9425 c/ Anscombe 42,31 0,9484 s/ Anscombe 42,75 0,9553

25 25 RESULTADOS: BM3D+ANSCOMBE 25%: PSNR (db) MSSIM 100% 41,53 0,9425 c/ Anscombe 41,76 0,9512 s/ Anscombe 41,56 0,9490

26 26 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Avaliações preliminares mostraram o potencial do uso de técnicas de filtragem de ruído para redução da dose na mamografia; Baseadas no uso de imagens clínicas obtidas com phantom antropomórfico e avaliações quantitativas e qualitativas; Validação dos resultados utilizando imagens clínicas: Radiologistas; Uso do pipeline de testes clínicos virtuais (University of Pennsylvania)*. Parametrização automática do BM3D; * Bakic, P. R. et al; Med Phys, 2013;

27 27 AGRADECIMENTOS FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo pelo apoio financeiro. Processo 2013/ CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. Processo / Prof. Dr. Predrag R. Bakic, da University of Pennsylvania, por ter fornecido as imagens mamográficas sintéticas utilizadas nesse trabalho.

28 28 Helder C. R. de Oliveira Departamento de Engenharia Elétrica Universidade de São Paulo - USP São Carlos