Mamografia hoje: Aspectos Físicos e Dosimétricos

Transcrição

1 Universidade de São Paulo Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto Departamento de Física e Matemática Mamografia hoje: Aspectos Físicos e Dosimétricos Martin Eduardo Poletti

2 O que é a mamografia: definição MAMOGRAFIA: é a técnica radiográfica que examina os tecidos de mama. É a técnica mais adequada para a detecção precoce do câncer mamário.

3 A evolução da mamografia nos últimos 20 anos O objetivo de qualquer sistema mamográfico deve ser o de obter mamografias de melhor qualidade com os mais baixos níveis de exposição.

4 FOCOS DA APRESENTAÇÃO Os tecidos mamários: composição. Determinação dos coeficiente de atenuação de tecidos mamários. Espectros de um tubo de raios X mamográfico. Contraste de imagem mamográfica convencional. Efeito do espalhamento na imagem mamográfica. Estudo de grades. Dose Mamográfica. Materiais equivalentes a tecidos. Novos métodos de imagem.

5 Fundamentação - A mama

6 Fundamentação - Estágios da formação da imagem i) Formação da imagem de raios-x invisível ii) Conversão da imagem invisível a uma visível (tela-filme) iii) Interpretação da imagem visível (médico)

7 Fundamentação - Interações Fotoelétrico Esp. Coerente Esp. Incoerente

8 Fundamentação - Conceito de Absorção Diferencial Uma imagem de raios-x resulta da diferença entre os raios-x absorvidos fotoeletricamente no paciente e aqueles transmitidos na direção receptor de imagem. Esta diferencia em interação de raios-x é chamada de absorção diferencial.

9 Fundamentação - COEFICIENTES DE INTERAÇÃO A radiação emitida por uma fonte de raios-x, I o, ao passar através de um objeto é atenuada pelo objeto por um fator e - µd, onde d é a espessura do objeto e µ o coeficiente de atenuação do objeto CONTRIBUIÇÕES DOS VÁRIOS PROCESSOS PARA TECIDO MAMÁRIO 1000 Total, µ Fotoelétrico, τ µ/ρ [cm 3 /gr] Espalhamento Elástico, σ elás Espalhamento Inelástico, σ inelás ---- faixa energética mamográfica 0,1 µ = n τ σ + σ v ( + elas inels ) 0, Energia (kev)

10 Como medir o coeficiente de atenuação linear?

11 MEDIDAS DE FÓTONS PRIMÁRIOS: Coeficiente de atenuação Amostra Colimador Colimador I 0 I t Fonte detector Geometria de Feixe Estreito Para determinar o coeficiente de interação devemos apenas medir os fótons que não sofreram interação. Experimentalmente esta condição é afetada pela geometria e pelo tamanho da amostra. Geometria IDEAL: Feixe estreito e amostra fina. µ = 1 medido t ln( I t I0) µ medido = µ att

12 MEDIDAS DE ATENUAÇÃO: CASO REAL Feixe estreito amostra grossa : Amostra Feixe estreito amostra fina : Amostra Fonte detector Fonte detector Detectamos mais fótons que os primários µ < µ att CASO REAL: COLIMAÇÃO FINITA E AMOSTRA GROSSA: detector Fonte amostra

13 Medidas de Atenuação Medidas Experimentais de Coeficientes de Atenuação de Tecidos Mamários e Espectros de Raios X Arranjo Experimental L= 2,4 m 0.2mm C 1mm L= 1 m Tubo de raios-x com anodo de Mo (Z=42, K α = 17,44keV e K β = 19,602 kev). Detector de Si(Li) acoplado a um analisador multicanal.

14 Medidas de atenuação Determinação experimental do coeficiente de atenuação linear µ ( E) 1 = ln x I I x 0 ' ' ( E) ( E)

15 Resultados Coeficientes de Atenuação Linear de Tecidos Mamários Valores médios dos coeficientes de atenuação linear dos tecidos mamários analisados.

16 Resultados Coeficientes de Atenuação Linear de Tecidos Mamários E =10 kev E =17.44 kev Coefiiciente de Atenuação Linear (cm -1 ) Adiposo Normais Periféficos Fibrosos Carcionoma Fibroadenoma Tumor Filodes (a) Coefiiciente de Atenuação Linear (cm -1 ) 2 1 Adiposo Normais Periférico Fibrosos Carcionoma Fibroadenoma Tumor Filodes (b) Grupos Grupos Boxplot

17 Sumário Os tecidos mamários: composição. Determinação dos coeficiente de atenuação de tecidos mamários. Espectros de um tubo de raios X mamográfico. Contraste de imagem mamográfica convencional. Efeito do espalhamento na imagem mamográfica. Estudo de grades. Dose Mamográfica. Materiais equivalentes a tecidos. Novos métodos de imagem.

18 Fundamentos - Produção de um feixe de raios X

19 Fatores que afetam o espectro de raios-x

20 Influência da mas sobre o espectro de RX A intensidade do espectro (ou número de fótons emitidos) é diretamente proporcional à mas. A energia efetiva não depende da mas.

21 Influência da kvp sobre o espectro de RX Além de determinar a energia máxima do espectro e, portanto, sua energia efetiva, a kvp influencia também a intensidade do espectro, devido à maior eficiência de produção de RX, quanto maior a kvp. A intensidade por mas é (aproximadamente) diretamente proporcional ao quadrado da kvp.

22 Influência do material do alvo sobre o espectro de RX O espectro característico é modificado pois as energias de ligação das camadas eletrônicas envolvidas no processo dependem do material do alvo. As energias características e a intensidade do espectro total aumentam com o número atômico do material do alvo.

23 Filtros afetam o espectro de raios-x?

24 Os filtros também influenciam sobre o espectro de RX - Atenuadores Ocorre uma redução na intensidade do espectro principalmente na região de baixa energia. Quanto maior o filtro, maior a energia efetiva do espectro.

25 Os filtros também influenciam sobre o espectro de RX - Atenuadores 45-Ródio 42-Molibdênio

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27 Filtros Os filtros utilizados geralmente são de Molibdênio ou Ródio e são os responsáveis por impedir que os fótons do feixe que nada acrescentam para o diagnóstico atrapalhem na formação da imagem e atinjam a paciente se somando à dose de radiação recebida. Em exames mamográficos utiliza-se varias combinações alvo/filtro para definir o espectro de emissão e conseguir o melhor contraste possível.

28 Como medir um espectro de raios-x?

29 Espectrômetro Calibração em energia: Pontos Experimentais Ajuste Linear Energia (kev) Número do Canal Eficiência: 1.0 Curva Teórica Resultados Experimentais 0.8 Eficiência Relativa Energia (kev)

30 Resultados Espectros de raios X CSR = 0,237mm de Al Espectro de Mo (sem filração adicional) Contagens Espectro de Mo Filtração adicional de Zircônio Energia (kev) Espectro de Mo Filtração adicional de Molibdênio Espectro de Mo/Zr Tensão 25kVp Espectro de Mo/Mo Tensão 25kVp CSR = 0,296 mm de Al CSR = 0,298 mm de Al Contagens Contagens Energia (kev) Energia (kev)

31 Resultados Espectros de raios X Comparação dos espectros com os obtidos para um equipamento clínico 0.6 Espectro de raios X de um equipamento clínico (Boone et al, 1997) Espectro medido neste trabalho Contagens Energia (kev) Mo/Mo 28kVp

32 O mamógrafo

34 Contraste da imagem (O CONTRASTE NA IMAGEM É DADA PELO µ) Filme Objeto Fonte CASO IDEAL: SEM ESPALHAMENTO

35 O PAPEL DO ESPALHAMENTO NA IMAGEM Filme Objeto Fonte

36 O PAPEL DO ESPALHAMENTO NA IMAGEM Objeto Filme Imagem mamográfica com (a) e sem (b) radiação secundária Egan et al (1983) Radiology Fonte a) b)

37 O controle da radiação espalhada: Grade fonte mama filme

38 O controle da radiação espalhada: Grade fonte mama filme grade cintilador grade

39 Parâmetros fundamentais em mamografia Qualidade da Imagem Dose Absorvida Contraste Dose Média Glandular D = K. g ar D gn Contraste Objeto Contraste do Receptor Kar Kerma no ar na entrada da pele D gn Dose Glandular Normalizada

40 Contraste e Dose Mamográfica Determinação do Contraste Objeto e da Dose Glandular Normalizada Métodos Experimentais Métodos Teóricos Simulação Monte Carlo Modelos Analíticos

41 Modelo Semi-Anal Analítico para determinação do Contraste Objeto e da Dose Glandular Normalizada

42 = D B q q SC ln Contraste Objeto ( ) ( ) + + = P P P P P P B s B D B D B q q q q q q q SC 1 ln q= q p +q s

43 Dose Glandular Normalizada Energia absorvida na região central da mama N Interações primárias rias µ s. a µ B. dz. ( k 1) µ B. dz ( e ) ( e ) ( e ) 1 j, k = N0 1 E = N E µ µ 1, abs 1 j, k en B

44 Materiais e Métodos Dose Glandular Normalizada Energia absorvida na região central da mama N Interações primárias rias µ s. a µ B. dz. ( k 1) µ B. dz esp µ B '. z = N0 ( e ) ( e ) ( e ) N = N ( θ, φ) ( e ) 1 j, k 1 Interações secundárias 2 j, k, θ, φ 1k, j 1

45 Resultados: razão S/P Razão S/P

46 Espalhamento da radiação na mama O espalhamento da radiação primária para duas espessuras diferentes de phantom em função do diâmetro do campo de radiação. Como podemos ver, a taxa aumenta rapidamente com a espessura.

47 Compressão da mama Redução de espalhamento; Redução da dose de radiação; Uniformidade e melhor densidade ótica.

48 Grade na mamografia (*) Receptor de imagem de sensibilidade média. Mama comprimida de 4,5cm, ânodo e filtro de molibdênio. Mamografia obtida com grade Mamografia obtida sem grade

49 Desempenho de uma grade: CIF e BF

50 Resultados Contraste Objeto de uma Microcalcificação (100µm) Contraste Objeto Dependência com as Características da Mama Mama Adiposa Mama Média Mama Glandular Contraste Objeto Dependência com as Características do Feixe Incidente Combinação anodo filtro Mo/Mo Mo/Rh Rh/Rh Espessura da Mama Potencial do Tubo (kvp) Mo/Mo 28 kvp Mama Média 6cm

51 Resultados Contraste Objeto Comparação com a Literatura (Dance et al., 1992) Mama Adiposa Mama Média Mama Glandular Contraste Objeto Tensão no Tubo (kv) Espectro de MoMo Mama de 5 cm

52 Resultados Contraste Objeto Limites de Detecção Contraste Objeto D = 0,4343 G SC Espessura da mama 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm 6% 2% Limites de Detecção Mama Média Limites de Detecção 2 cm 0,8 2,5mm 4 cm 1,2 3,7mm 6 cm 1,5 4,5mm 8 cm 2,0 5,8mm Espessura do nódulo (mm)

54 Dose média: tecido misto 50% glandular e 50% gordura

55 Resultados Dose Glandular Normalizada Dependência com as Características da Mama Dependência com as Características do Feixe Incidente D gn (mgy.mgy -1 ) Glandularidade: 0% Glandular 50% Glandular 100% Glandular D gn (mgy.mgy -1 ) Combinação anodo/filtro Mo/Mo Mo/Rh Rh/Rh Espessura da Mama (cm) Tensão no tubo (kv) MoMo 28 kvp CSR=0.35mm de Al CSR=0.38mm de Al Mama Média de 5cm

56 Resultados Dose Glandular Normalizada Comparação com a Literatura (Dance, 2000) 0.50 D gn (mgy.mgy -1 ) CSR(mm de Al) Espessura da mama (cm)

58 Simulador para qualidade de imagem

59 Simulador para qualidade de imagem IMAGEM DO SIMULADOR

60 Simulador para qualidade de imagem

61 Outros materiais Propriedades de espalhamento Scattering profiles 0.35 dσ/dω tot (cm -1 sr -1 ) Ad ipo se B rea st tissu e C IR S 70 % a dip. / 30 % g lan d. R M I Lu cite ( a) dσ/dω tot (cm -1 sr -1 ) Gla nd ul ar B rea st tissu e C IR S 30 % a dip. / 70 % g lan d. R MI W a te r ( b) x (n m -1 )

63 Experimental Set-up National Synchrotron Light Laboratory, Brazil XRD1: X-ray X diffraction beamline Features: X-ray beam energy 11keV; Huber Diffractometer 3+1 circles coupled with an NAI(Tl) fast scintillation detector; Graphite monochromator: exclude Compton and multiple scattering; Range detector recorded 0.70nm -1 < q=4π.sin(θ/2)/λ < 70.55nm -1.

64 Análise estatística dos perfis Resultado do Diagnóstico Sensibilidade (%) Especificidade (%) κ Negativo = TN Positivo = FA ou C Negativo = FA Positivo = C 86,9 88,2 0,74 100,0 71,4 0,76

65 Imagens por espalhamento

66 Imagens por espalhamento 17.5keV, mama 4cm, kerma=10mgy

67 Imagens por espalhamento 35keV, mama 4cm, kerma=10mgy

68 Obrigado pela atenção! FIM