ADVANCED THREE DIMENSIONAL DIGITAL TOMOSYNTHESIS STUDIES FOR BREAST IMAGING

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

BÁO CÁO
Mơn: Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh I
GVHD: TS Nguyễn Thái Hà

Sinh viên thực hiên: Phùng Tiến Đạt 20130871 (chương 1 3 6 7)
Dương Đình Vũ 20134641 (chương 2 5)
Nguyễn Đức Nhân 20132847 (chương 4)

Hà Nội, tháng 1 năm 2017


University of Patras
Faculty of Medicine
National Technical University of Athens
Faculty of Electrical and Computer Engineering

Interdepartmental Program
of Postgraduate Studies
in Biomedical Engineering

National Technical University of Athens
Faculty of Mechanical Engineering

ADVANCED THREE DIMENSIONAL
DIGITAL TOMOSYNTHESIS
STUDIES FOR BREAST IMAGING

PΗ.D. THESIS

University of Patras
Faculty of Medicine
Department of Medical Physics
265 00, Rio-Patras, GREECE
Prof. Nicolas Pallikarakis

Anthi Malliori
Electrical and Computer Engineer
MSc in Biomedical Engineering
and Medical Imaging

APRIL 2014,1PATRAS


Πανεπιστήμιο Πατρών
Τμήμα Ιατρικής
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Διατμηματικό Πρόγραμμα
Μεταπτυχιακών Σπουδών
στη Βιοϊατρική Τεχνολογία

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΤΡΙΣΙΔΙΑΣΤΑΤΗΣ
ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΤΟΜΟΣΥΝΘΕΣΗΣ ΣΤΗΝ
ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΟΥ ΜΑΣΤΟΥ

ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Πανεπιστήμιο Πατρών
Τμήμα Ιατρικής
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
265 00, Ρίο-Πάτρα,
Καθηγητής Νικόλαος Παλληκαράκης

ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2014, ΠΑΤΡΑ

Ανθή Μαλλιώρη
Ηλεκτρολόγος Μηχανικός
M.Scστη Βιοϊατρική Τεχνολογία
και Ιατρική Απεικόνιση


Three Members Advisory Committee

Professor Nicolas Pallikarakis,

Main Supervisor

Professor Konstantina Nikita,

Member of Advisory Committee

Associate Professor Ivan Buliev,

Member of Advisory Committee

Seven Members Examination Committee

Professor Nicolas Pallikarakis,

Main Supervisor

Professor Konstantina Nikita,

Member of Advisory Committee

Associate Professor Ivan Buliev,

Member of Advisory Committee

Professor Dimitrios Kardamakis,

Member of Examination Committee

Professor Dimitrios Koutsouris,

Member of Examination Committee

Associate Professor Eleni Costaridou,

Member of Examination Committee

Assistant Professor Vasiliki Bravou,

Member of Examination Committee

3


Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή

Καθηγητής Νικόλαος Παλληκαράκης,

Επιβλέπων Καθηγητής

Καθηγήτρια Κωνσταντίνα Νικήτα,

Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής

Αναπλ. Καθηγητής IvanBuliev,

Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής

Επταμελής Εξεταστική Επιτροπή

Καθηγητής Νικόλαος Παλληκαράκης,

Επιβλέπων Καθηγητής

Καθηγήτρια Κωνσταντίνα Νικήτα,

Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής

Αναπλ. Καθηγητής IvanBuliev,

Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής

Καθηγητής Δημήτριος Καρδαμάκης,

Μέλος Εξεταστικής Επιτροπής

Καθηγητής Δημήτριος Κουτσούρης,

Μέλος Εξεταστικής Επιτροπής

Αναπλ. Καθηγήτρια Ελένη Κωσταρίδου,

Μέλος Εξεταστικής Επιτροπής

Επικ. Καθηγήτρια Βασιλική Μπράβου,

Μέλος Εξεταστικής Επιτροπής

4


ACKNOWLEDGEMENTS

I wish to express my sincere gratitude to my supervisor, Professor Nicolas Pallikarakis for
trusting me with the assignment of this project and for the opportunity to work in a team with
great expertise and long research activity in the field of tomosynthesis. I am grateful for his
scientific guidance and support throughout my entire thesis.
I am also grateful to Dr. Kristina Bliznakova for introducing me to this field and for sharing
with me her knowledge and experience. I am deeply thankful for her continuous guidance,
substantial contribution, the extensive exchange of ideas and the close collaboration we had

from the very beginning of this project.
I am would like to express my great appreciation to Prof. Konstantina Nikita and Prof. Ivan
Buliev, members of my advisory committee, for their support and contribution in carrying out
my thesis.
I would like to thank Prof. Robert Speller, Prof. Julie Horrocks, Dr. Juliana Tromba and Dr.
Luigi Rigon for their valuable contribution and advice during the experiments performed at
Elettra Synchrotron facilities in Trieste and the analysis of the results.
I am also grateful to Prof. Hilde Bosmans and Dr. Nick Marshall for sharing knowledge with
me and giving me the chance to carry out experimental work during the time I spent at the
University Hospital in Leuven, Belgium.
I am thankful to Dr. Zhivko Bliznakov and Dr. Zacharias Kamarianakis for their valuable help
and exchange of ideas.
Many thanks to all the members of the Biomedical Technology Unit, being not only
colleagues but also close friends, for the excellent collaboration and nice moments we shared
all these years.
Lastly and most of all I am grateful to my family for their constant and precious support in
every possible way.
The current thesis has been supported by the Research Funding Program: Heracleitus II.
Investing in knowledge society through the European Social Fund.


Contents
ACKNOWLEDGEMENTS...........................................................................................6
Contents......................................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 10
ΠΕΡΙΛΗΨΗ.................................................................................................................12
PUBLICATIONS.........................................................................................................14
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU............................................................................................15
TÓM TẮT CHƯƠNG..............................................................................................15
1.1MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU................................................................................16

1.2ĐẶT VẤN ĐÊ....................................................................................................16
1.3SƠ LƯỢC LUẬN ÁN.........................................................................................17
CHƯƠNG 2: TẠO ẢNH TRONG CHỤP X–QUANG VÚ VÀ CHỤP NHŨ ẢNH 3D
SỐ................................................................................................................................ 19
Tóm tắt nội dung......................................................................................................19
2.1GIẢI PHẪU VÚ VÀ CHỤP NHŨ ẢNH THÔNG THƯỜNG............................19
2.1.1Giải phẫu vú trong trạng thái bình thường...................................................19
2.1.2Chụp X – quang vú (Mammography)...........................................................21
2.1.3Những bất thường về vú...............................................................................25
2.2 CHỤP NHŨ ẢNH 3D SỐ..................................................................................28
2.2.1Nguyên lý của chụp nhũ ảnh 3D..................................................................28
2.2.2Hệ thống và cơng nghệ thu nhận..................................................................31
2.2.3Thuật tốn tái cấu trúc..................................................................................36
2.2.4Nhiễu và lọc.................................................................................................38
2.2.5Các số liệu đánh giá.....................................................................................40
CHƯƠNG III BỨC XẠ SYNCHROTRON VÀ ỨNG DỤNG TRONG TẠO ẢNH
TUYẾN VÚ................................................................................................................. 44
TỔNG QUAN..........................................................................................................44
3.1 BỨC XẠ SYNCHROTRON..............................................................................45
3.1.1Nguyên lý cơ bản.........................................................................................45
3.1.2Synchrotron facilities...................................................................................47
3.2TIA X-QUANG ĐƠN SẮC VÀ ĐA SẮC TRONG TẠO ẢNH SINH HỌC:


ỨNG DỤNG TRONG TẠO ẢNH TUYẾN VÚ......................................................50
CHAPTER 4 BREAST TOMOSYNTHESIS COMPUTER-BASED PLATFORM....55
4.2The Platform.......................................................................................................55
4.2.1Thiết kế của phần mềm tomosynthesis trên máy tính...................................55
4.2.2Giao diện người sử dụng..............................................................................58
4.3Những nền móng cơ bản và sự miêu tả toán học của các thuật toán tái tạo.........59

4.3.1The multiple projection algorithm................................................................59
4.3.2The Backprojection algorithm......................................................................64
4.4INITIAL TESTING USING A SOFTWARE BREAST PHANTOM..................66
4.4.2 Kết quả và kết luận......................................................................................67
4.5INITIAL TESTING USING A HARDWARE ARE BREAST PHANTOM:
APPLICATION OF NON-LINEAR ANISOTROPIC DIFFUSION FILTERING...72
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ MPA THÍCH NGHI VỚI CHỤP NHŨ ẢNH 3D VỚI
ISOCENTRIC MỘT PHẦN QUAY: MỘT PHANTOM CẤU TRÚC NGHIÊN CỨU
TRONG LÂM SÀNG..................................................................................................77
TÓM TẮT CHƯƠNG..............................................................................................77
5.1GIỚI THIỆU.......................................................................................................78
5.2THÍ NGHIỆM.....................................................................................................78
5.2.1Phantom vú và thu nhận hình ảnh....................................................................78
5.2.2Phương pháp tái cấu trúc và đánh giá...........................................................81
5.3 KẾT QUẢ..........................................................................................................82
5.3.1So sánh MPA và BP.....................................................................................82
5.3.2So sánh tomosynthesis đa lát với chụp nhũ ảnh 2D......................................83
5.3.3Đánh giá thuật toán tái tạo như là một hàm của độ dày phantom.................87
5.3.4Ảnh hưởng của kích thước đối tượng...........................................................91
5.4KẾT LUẬN.........................................................................................................93
TỔNG QUAN..........................................................................................................94
6.1 NGHIÊN CỨU GIẢ LẬP TỐI ƯU HÓA CÁC THAM SỐ THU ẢNH SƯ
DỤNG...................................................................................................................... 95
PHANTOM ĐỒNG NHẤT.....................................................................................95
6.6.1Giới thiệu.....................................................................................................95


6.1.2 Phantom và các kịch bản thí nghiệm...........................................................97
6.1.3 Kết quả........................................................................................................99
6.2 THƯ NGHIỆM TẠI ELETTRA SYNCHROTRON FACILTIES: TỐI ƯU HÓA

CÁC THAM SỐ THU NHẬN SƯ DỤNG PHANTOM ĐỒNG CHẤT................102
6.2.1 Giới thiệu..................................................................................................102
6.2.2 Thiết lập và phương pháp thực nghiệm.....................................................104
6.2.3 Kết quả......................................................................................................109
6.3 ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG KÉP.................................................118
6.3.1 Giới thiệu..................................................................................................118
6.3.2 Vật liệu và phương pháp............................................................................119
6.3.3 Kết quả và kết luận....................................................................................119
6.4 ĐƠN NĂNG VÀ ĐA NĂNG: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................121
6.4.1 Thực nghiệm.............................................................................................121
6.4.2 Kết quả......................................................................................................122
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN...........................................................................................125
TÓM TẮT.............................................................................................................. 125


MỞ ĐẦU

Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu kỹ thuật chụp nhũ ảnh 3D kỹ thuật
số ứng dụng trong việc tái tạo hình ảnh tuyến vú nhằm nâng cao việc phát hiện các
thương tổn vùng vú. Chụp nhũ ảnh 3D – Breast Tomosynthesis (BT) là sự giả lập
không gian ba chiều (pseudo-three-demensional - 3D) từ hình ảnh X-quang, cho phép
tạo hình ảnh cắt lớp từ tập hợp các hình chiếu từ các góc khác nhau được lấy từ cung
tròn giới hạn xung quanh vú với liều lượng tương tự như chụp X-quang vú thường
quy. Nghiên cứu giả lập và thử nghiệm lâm sàng cho thấy BT rất hữu ích cho tạo ảnh
tuyến vú trong nỗ lực tối ưu hóa phát hiện và mơ tả đặc điểm các thương tổn riêng biệt
trong hệ thống tuyến vú dày đặc và rất có tiềm năng để giảm thiểu tỷ lệ chụp lại. Thuật
toán tái tạo và các tham số thu được là tiêu chuẩn cho chất lượng của việc tái tạo lại
các lớp cấu trúc.
Mục tiêu của nghiên cứu này là khám phá cách thức chụp nhũ ảnh 3D trong
việc tạo ảnh tuyến vú và đánh giá chúng với kỹ thuật chụp X-quang vú thơng thường,

cùng với đó là nghiên cứu hiệu quả của thuật toán tái cấu trúc và các tham số thu được
cho chất lượng lớp hình ảnh chụp nhũ ảnh ba chiều. Mục tiêu đặc biệt và sự cách tân
của nghiên cứu là chứng minh tính khả thi của việc kết hợp BT và các bức xạ đơn sắc
trong việc tạo ảnh ba chiều tuyến vú, việc mà gần như chưa từng được nghiên cứu qua.
Một nền tảng tính tốn đã được phát triển dựa trên Matlab dành riêng cho
nghiên cứu này để xây dựng thuật toán tái cấu trúc và lọc cho ứng dụng của BT.
Chúng đã được tham số hóa hồn tồn và có kết cấu modul để đễ dàng thêm những
thuật toán mới. Nghiên cứu giả lập với XRayImaging Simulator và thí nghiệm tại nhà
máy ELETTRA Synchrotron ở Trieste, Italy, được thực hiện sử dụng phần mềm và mơ
hình phức tạp dựa trên hình dạng và kích thước thực tế của vú, làm từ các vật liệu bắt
chước lại các mô vú. Công việc được thực hiện đem ra so sánh với BT và chụp nhũ
ảnh thường quy, chứng tỏ tính khả thi trong việc nghiên cứu kỹ thuật mới với tiềm
năng và ưu điểm của việc sử dụng BT kết hợp cùng các phương thức tăng tốc điện tử
cho việc phát hiện thương tổn tuyến vú ở cả độ tương phản thấp và cao, ví dụ như các


u và các ổ vi vơi hóa.
Sự đánh giá cả về việc giả lập và thực nghiệm chụp cắt lớp chứng minh chất
lượng vượt trội của về tính năng tái cấu trúc sử dụng thích hợp các thuật tốn lọc được
tối ưu hóa. Hơn nữa, chất lượng hình ảnh và đánh giá tiêu chuẩn đo được cải thiện
cùng với việc mở rộng độ dài thu được trên các khối u. Sự hiển thị của các nốt vi vơi
hóa được thấy rõ ràng hơn với các tham số dựa trên độ tương phản cao vốn có. Chụp
nhũ ảnh 3D cho thấy ưu thế trong việc hiển thị các vật có kích thước nhỏ trong mơ
hình ngay cả khi tăng độ dày, đặc biệt trong việc làm nổi bật và định vị các khối u có
độ tương phản thấp ẩn trên nền không đồng nhất và cấu trúc xếp chồng. Các tia đơn
sắc mang lại kết quả tốt hơn trên các mô mềm phân biệt, khi kết hợp với BT có thể dẫn
tới nâng cấp sự rõ ràng của các thành phần, chi tiết hơn và độ tương phản cao hơn.
Chụp nhũ ảnh 3D đơn sắc cung cấp chất lượng ảnh cao hơn ở mức chiếu tia thấp hơn,
so sánh với chụp X-quang vú, các khối u cần quan tâm đến được phát hiện với viền rõ
hơn, điều này rất quan trọng để biểu thị đặc tính của chúng, đặc biệt khi chúng có gai.

Nhìn chung, điều đó chứng tỏ rằng khi giảm liều xạ trị, các tia đơn sắc kết hợp với BT
sẽ mang chất lượng hình ảnh tốt hơn so với chụp X-quang. Phát hiện này đã khuyến
khích việc phát triển hệ thống chụp nhũ ảnh 3D dựa trên các tia đơn sắc.


ΠΕΡΙΛΗΨΗ

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 πό σο 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.


PUBLICATIONS

Publications in international peer-reviewed journals:
Malliori A, Bliznakova K, Speller R, Horrocks J, Rigon L, Tromba G, Pallikarakis N, “Image
Quality Evaluation of Breast Tomosynthesis With Synchrotron Radiation”, Med. Phys. 2012,
39(9): 5621-5634.
Malliori A, Bliznakova K, Sechopoulos I, Kamarianakis Z, Fei B Pallikarakis N,“Breast
tomosynthesis with monochromatic beams: A feasibility study using Monte Carlo
simulation”(submitted in Phys Med Bio, Feb 2014 and accepted for publication, April 2014)
Malliori A, Bliznakova K, Bliznakov Z, Cockmartin L, Bosmans H, Pallikarakis N, “Breast
tomosynthesis using the Multiple Projection Algorithm adapted for stationary detectors ”
(submitted in Med Phys, March 2014)

Selected publications in conference proceedings:
Malliori A, Bliznakova K, Daskalaki A, Pallikarakis N., “Graphical User Interface for Breast
Tomosynthesis Reconstructions: An application using Anisotropic Diffusion Filtering”, ,
ΧΙΙΙ Mediterranean Conference on Medical and Biological Engineering and Computing MEDICON 2013, Sevilla, Spain, September 25-28, 2013, IFMBE Proceedings 2014, Vol. 41,
pp. 479-482.

Malliori A, Bliznakova K, Dermitzakis A, Pallikarakis N., “Evaluation of the Effect of
Acquisition Parameters on Image Quality in Digital Breast Tomosynthesis: Simulation
Studies”, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering - WC2012,
Beijing, China, May 26-31, 2012, IFMBE Proceedings 2013, Vol. 39, p. 2211-2214.
Malliori A, Bliznakova K, Pallikarakis N., “Digital Breast Tomosynthesis With
Monochromatic Beam for Low Contrast Features”, Riga Technical University 53 rd
International Scientific Conference. International Symposium on Biomedical Engineering and
Medical Physics, Riga, Latvia, October 10-12, 2012.
Malliori A, Bliznakova K, Pallikarakis N., “Dual Energy Studies with Synchrotron Radiation:
Preliminary Results for Low-Contrast Features”, European Medical Physics and
Bioengineering Conference - EMPEC 2012, Sofia, Bulgaria, October 18-20, 2012.
Malliori A, Bliznakova K, Pallikarakis N., “A Computer-Based Platform for Digital Breast

Tomosynthesis Simulation Studies”, International Conference on Information Technology
Applications in Biomedicine - ITAB, Corfu, Greece, November 2-5, 2010, Proceedings of the
IEEE/EMBS Region 8.


CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU

TÓM TẮT CHƯƠNG

Chương này đưa ra các vấn đề của nghiên cứu, tóm tắt động cơ và phân
tích, mô tả mục tiêu mà luận án đưa ra. Phần này xác định nội dung nghiên cứu
của từng phần trong các chương sau.


1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Sự phát triển của chụp nhũ ảnh 3D – Breast Tomosynesis (BT) trong
suốt thập kỉ qua là kết quả của việc ứng dụng kỹ thuật chụp cắt lớp X-quang
được ứng dụng hàng ngày trong các thử nghiệm lâm sàng. Phương pháp này
cho phép biểu diễn không gian ba chiều (3D) và đóng góp vào việc sàng lọc và
chẩn đoán ung thư vú ở giai đoạn đầu. Tiềm năng của kỹ thuật mới này xác
định các khối u là lành tính ác tính, đặc biệt với các tuyến vú dày đặc, đã được
tóm lược trong bài báo của Baker và Lo (Baker and Lo 2011) và được chứng
minh trong một số thử nghiệm lâm sàng (Haas et al 2013, Skaane et al 2013,
Ciatto et al 2013, Rose et al 2013). Sự thay thế hoàn toàn X-quang vú – hiện
đang là tiêu chuẩn vàng cho sàng lọc và chẩn đoán ung thu vú của chụp nhũ
ảnh ba chiều đặt ra những vấn đề quan trọng như: nên chụp nhũ ảnh 3D một
mặt hay hai mặt, việc đào tạo kỹ thuật, giá thành…Ngày nay, các nghiên cứu
hướng tới việc tối ưu hóa xử lý các hình ảnh thu nhận được cũng giống như các
hình ảnh thu được trước đó, bao gồm cả việc tái cấu trúc, xử lý hình ảnh và

phân tích (Sechopoulous 2013a, Sechopoulos 2013b). Sự tối ưu hóa các hình
ảnh thu được hướng về sự tối ưu của các hình được dị và các tham số liên quan
(khoảng cách, độ rộng cung, số lần chiếu tia), chùm tia (điện áp, độ nhiễm xạ),
các tham số dị tìm và liều. Sự tối hóa của thuật tốn tái tạo bao gồm kỹ thuật
trước và sau khi lọc hình ảnh với từng đặc điểm riêng biệt cũng là bước quan
trọng có thể ảnh hưởng việc phát hiện ung thư vú.

1.2 ĐẶT VẤN ĐÊ
Như đã giới thiệu, nghiên cứu BT được thể hiện với các tia đa sắc. Bức
xạ Synchrotron sở hữu các đặc trưng như cường độ sáng cao, góc chuẩn trực
hẹp và khả năng sản sinh ra photon ở năng lượng mong muốn (đơn năng), có
thể mở ra một thời kì mới cho tạo ảnh tuyến vú. Những điều này vẫn đang
trong quá trình nghiên cứu bằng việc sử dụng nguồn X-quang đơn sắc, và việc
khảo sát trong lĩnh vực chụp X-quang vú cho thấy việc sử dụng các tia đơn sắc


có cường độ từ 16keV đến 24keV có thể nâng cao chất lượng hình ảnh so với
chụp X-quang vú thường quy ở liều chụp tương đương (Burattini et al 1994,
Burattini et al 1995, Johnston et al 1996, Arfelli et al 1995, Moeckli et al 2000,
Diekmann et al 2004, Baldelli et al 2005, Dreossi et al 2007).
Mục tiêu của chúng tôi là nghiên cứu và ước lượng tiềm năng của chụp
nhũ ảnh ba chiều sử dụng các bức xạ đơn năng. Trong suốt nghiên cứu này, sự
giả lập và thử nghiệm được tiến hành sử dụng thể đồng nhất đơn giản và phức
tạp hơn là các thể không đồng nhất của các mẫu vật giống như tuyến vú. Giai
đoạn đầu tiên sẽ dành riêng cho việc chuẩn hóa sự kết hợp giữa các thuật toán
tái cấu trúc và các phương pháp lọc của chụp nhũ ảnh ba chiều vào một hệ
thống tính tốn cho BT. Những thuật tốn được điều chỉnh thích hợp cho sự
định hình của BT lâm sàng thường quy, cài đặt và ước lượng sử dụng hình ảnh
trình chiếu đích thực. Sự tái cấu trúc dựa trên các dữ liệu thu được với các tia
đơn sắc ở các nhà máy Synchrotron cũng được trình bày. Giai đoạn thứ hai sẽ

gồm nghiên cứu tối sự ưu hóa cho hình dạng của Synchrotron cho từng phương
pháp lọc và các tham số thu được với các kích cỡ và độ tương phản khác nhau.
Giai đoạn cuối cùng bao gồm sự so sánh kỹ lưỡng giữa chụp nhũ ảnh ba chiều
với các tia đơn sắc và đa sắc cũng như đánh giá khả năng thay thế chụp Xquang vú thường quy.

1.3 SƠ LƯỢC LUẬN ÁN
Chương 2 sẽ trình bày về giải phẫu và hình ảnh của tuyến vú phụ nữ sử
dụng chụp X-quang và kỹ thuật chụp cắt lớp BT. BT sẽ được giới thiệu tóm tắt
về sự cân nhắc trong hiện tại và xu hướng trong tương lai. Nguồn gốc cơ bản
của bức xạ synchrotron sẽ được giới thiệu trong chương 3, đồng thời sẽ liên hệ
đến các thiết bị synchrotron có khả năng cung cấp tia đơn sắc. Các ưu điểm và
nhược điểm khi sử dụng tia đơn sắc so sánh với tia đa sắc ở cùng một liều chụp
và chất lượng hình ảnh cũng như các hình ảnh được sinh ra và độ phức tạp của
hệ thống được chứng minh và trình bày rõ ràng cho cho X-quang vú. Chương
này cũng sẽ khái quát tiềm năng sử dụng các tia đơn năng với BT và làm sao để
kỹ thuật này có thể sử dụng trong lâm sàng. Chương 4 sẽ mơ tả hệ thống tính
tốn được phát triển phục vụ cho việc nghiên cứu BT. Phạm vi của nền tảng
này được liên kết chặt chẽ giữa thuật toán Multiple Projection Algorithm


(MPA) và BackProjection (BP) kết hợp cùng một số bộ lọc. Những thuật tốn
này tương thích với mọi hình ảnh thu được ở mọi dạng hình học, nguồn và kiểu
dị, được biến đổi thích hợp và được giới thiệu chi tiết cho việc tái đánh giá
từng phần chuyển động với đầu dị tĩnh, đây là dạng hình học thường thấy trong
BT.
Chương 5 giới thiệu nghiên cứu đánh giá những thuật tốn này cho các
hình cụ thể của hệ thống lâm sàng Siemens MAMMOMAT Inspiration và hình
chiếu thực sự nhận được với mơ hình vú BR3D-CIRS. Đánh giá này bao gồm
hình ảnh tái cấu trúc nhũ ảnh 3D với MPA và BP so sánh với X-quang vú 2D.
Hình ảnh nghiên cứu bao gồm: Sự ảnh hưởng của độ dày của mô hình, vị trí

của bản chứa vật thể nghiên cứu trong mơ hình vú và mối liên hệ giữa kích
thước và chất lượng của kỹ thuật tái cấu trúc.
Chương 6 dành riêng cho BT đơn sắc. Chất lượng của việc sử dụng BT
với bức xạ đơn sắc đã được nghiên cứu kỹ càng cho việc dị tìm thương tổn
tuyến vú ở cả độ tương phản thấp và cao. Việc khảo sát bao gồm giả lập và thử
nghiệm thực tế cho việc tối ưu hóa các tham số thu được và các phương pháp
lọc sử dụng các trình diễn tốn học cơ bản của tuyến vú phụ nữ, được xây dựng
kết hợp giữa các hình khối cơ bản và cá mơ hình tuyến vú phức tạp. Giả lập
hình ảnh được định hình sử dụng phần mềm XRAYImagingSimulator, trong
khi sự tái cấu trúc được biểu diễn trên nền tảng BT. Thử nghiệm được thực hiện
tại máy synchrotron ELETTRA ở Trieste. Phần thứ hai của thử nghiệm, bao
gồm sự thu nhận các hình ảnh trình chiếu với mẫu vật để khảo sát tiềm năng
của việc sử dụng tia đơn sắc so với tia đa sắc ở chất lượng hình ảnh và sự rõ
ràng của các thành phần. Khảo sát này bao gồm hình ảnh 2D của tia đơn sắc và
đa sắc, được kế thừa sang BT; một luận chứng về tính khả thi của nghiên cứu
thể hiện ở việc so sánh chất lượng của BT sử dụng tia đơn sắc vượt qua các tia
đa sắc ở cùng 1 điều kiện.Nghiên cứu giả lập tiếp theo được thực hiện: (a) giả
lập BT đa năng lương, (b) giả lập BT đơn sắc và (c) giả lập X-quang vú với mơ
hình đơn giản (đồng nhất) và phức tạp (khơng đồng nhất).
Chương 7 sẽ trình bày kết quả và kết luận của luận án, đưa ra hướng
nghiên cứu của lĩnh vực này trong tương lai.


CHƯƠNG 2:
TẠO ẢNH TRONG CHỤP X–QUANG VÚ VÀ
CHỤP NHŨ ẢNH 3D SỐ

Tóm tắt nội dung
Chương 2 khái quát về giải phẫu và sự tạo ảnh tuyến vú ở phụ nữ bằng X –
quang thường quy và đặc biệt là với công nghệ chụp nhũ ảnh 3D (BT). Một

đánh giá tổng quan sẽ trình bày phác thảo về những sự cân nhắc trong hiện tại
và xu hướng trong tương lai có liên quan đến (a) các hệ thống X – quang và sự
thu nhận hình học đã được đề xuất và sử dụng, (b) Máy X quang dùng để chụp
nhũ ảnh 3D (BT) hiện đang sử dụng trong thực hành lâm sàng, (c) các thông số
thu thập, phổ và sự cố phơi nhiễm, (d) thuật toán được sử dụng để tái cấu trúc
vùng được quét, (e) công nghệ lọc và phương pháp giảm nhiễu, (f) và các số
liệu đánh giá.

2.1 GIẢI PHẪU VÚ VÀ CHỤP NHŨ ẢNH THÔNG
THƯỜNG
2.1.1

Giải phẫu vú trong trạng thái bình

thường
Vú là một cơ quan có cấu trúc phản ánh chức năng đặc biệt của nó, cụ thể là tạo
ra sữa cho con bú. Về mặt giải phẫu học, ngực ở người trưởng thành nằm trên
cơ ngực lớn và thường kéo dài từ xương sườn thứ hai đến thứ sáu. Một phần
của tuyến được gọi là "đuôi nách" (axillary tail) kéo dài về phía nách dọc
đường biên ngang của cơ ngực lớn. Điều này rất quan trọng bởi vì một khối
ung thư có thể phát triển ở đó, mặc dù nó có vẻ như khơng phải là một phần của
vú. Mô tả và sơ đồ giải phẫu học đại thể (gross anatomy) tuyến vú của một
người đang cho con bú dựa vào việc mổ xẻ tỉ mỉ tuyến vú tử thi của một người


đang cho con bú (Hình. 2.1) của Sir Astley Cooper năm 1840 (Cooper 1840),
và đã thay đổi rất ít trong những thập kỷ gần đây trên cơ sở các phương pháp
tạo ảnh hiện đại.

Hình 2.1: Lên màu của họa sĩ về các thùy của vú, các đường dẫn được tiêm sáp

màu trước khi giải phẫu tuyến vú tử thi của một người đang cho con bú (sao
chép lại của Cooper 1840).
Tuyến vú, như mô tả trong Ca phẫu thuật của Grey (Bannister et al 1995), gồm
các tuyến nội tiết (secretory) và mô mỡ (fatty) với sự phân bố khác nhau giữa
các cá nhân, được hỗ trợ bởi một khung lỏng lẻo của các sợi, gọi là dây chằng
Cooper. Sự đa dạng tuyến vú phụ thuộc vào các thông số như độ tuổi, nhưng
không được ghi nhận giữa tuyến vú của cùng một người phụ nữ.
Các mô tuyến, bao gồm nhiều thùy (15 đến 20) được tạo nên từ các tiểu thùy
(Hình 2.2). Các tiểu thùy bao gồm các cụm nang (clusters of alveoli) chứa tế
bào nang sữa (lactocytes) (các tế bào biểu mô nội tiết tuyến vú) nơi tổng hợp
sữa (Tobon và Salazar 1975). Các nang được kết nối bở các ống dẫn nhỏ, các
ống dẫn nhỏ gộp lại thành các ống dẫn lớn và cuối cùng trở thành ống dẫn sữa.
Vì vậy, mỗi ống dẫn sữa có cấu trúc cây giống như ống dẫn lưu của mỗi thùy.
Sau đó, mỗi ống dẫn sữa đơn mở rộng thành một khoang dẫn sữa sau đó thu
hẹp lại và kết thúc ở núm vú. Hình 2.2, cũng mơ tả các dây chằng Cooper và
các mô mỡ mà nằm giữa các thùy và trong không gian giữa các thùy và da (chất
béo dưới da).


Hình 2.2. Ảnh cắt lát dọc của tuyến vú (hình ảnh từ Netter F.H Atlas of Human
Anatomy 4th Ed. Saunders, Netter 2006).
Nguồn cung cấp máu cho vú chủ yếu từ động mạch trong vú (60%) chạy bên
dưới mơ vú chính và các nhánh thuộc tuyến vú của động mạch ngực bên (30%)
phần mà nhỏ hơn, từ động mạch liên sườn sau và nhánh ngực của động mạch
vùng vai ngực (thoracoacromial artery) (Cunningham 1977, Bannister et al
1995).
Các hạch bạch huyết bị rút ra khỏi vú bằng hai con đường chính. Phần lớn các
mạch bạch huyết chảy đến các hạch nách, trong khi dòng chảy còn lại đến các
hạch bạch huyết vú nằm sâu trong tuyến vú. Kiến thức về huyết lưu hệ bạch
huyết này là cần thiết bởi vì trong trường hợp ung thư vú di căn, các hạch bạch

thường bị ảnh hưởng đầu tiên.

2.1.2

Chụp X – quang vú (Mammography)

Chụp X – quang vú là quá trình chụp ảnh tuyến vú ở phụ nữ dùng tia X năng
lượng thấp (thường xung quanh mức 30 kVp) nhằm phát hiện và chẩn đoán ung
thư vú ở giai đoạn đầu. Việc này chỉ có thể thực hiện với thiết bị X – quang
được thiết kế đặc biệt cho chụp vú. Trong suốt quá trình thực hiện, tuyến vú


được giữ cố định bởi tấm nén, để tránh ảnh bị mờ, nhằm làm giảm độ dày của
các mô tuyến vú mà tia X phải đâm xuyên qua và do đó giảm lượng bức xạ tán
xạ. Hình ảnh X quang vú là kết quả của sự tương tác giữa các mô tuyến vú và
các photon tia X. Các photon tia X sau khi đâm xuyên qua các mô tuyến vú, tới
các đầu dò sau khi đi qua một lưới chống tia tán xạ (Hình 2.3) hệ thống lưới lọc
này giúp giảm tia bức xạ tán xạ khi đi qua các vùng mô tuyến lớn và dày đặc.
Khi các thành phần tốt bị kiểm tra, một lỗ khí khơng chỉ dẫn tới sự phóng đại
(khi sử dụng ống với tiêu điểm siêu nhỏ) và cải thiện độ phân giải mà còn giảm
tia tán xạ. Mặc dù lưới lọc (grid) hay lỗ khí (air gap) làm tăng liều trung bình
đối với bệnh nhân, lợi ích từ việc tăng sự rõ nét của ảnh vượt qua sự ảnh hưởng
của tăng liều, đặc biệt trong các trường hợp khó khăn.

Hình 2.3. Một hệ thống X quang vú chuyên dụng sử dụng ống tia X với mục
bia molypden và một bộ lọc molypden; một thiết bị nén; một mạng lưới năng
lượng photon thấp; và một khay chứa phim chứa phim được phủ nhũ tương một
mặt.
Các màn hình tăng cường sử dụng cho chụp nhũ ảnh được thiết kế để sản xuất
có độ mờ rất thấp và khả năng quan sát tốt đối với các cấu trúc nhỏ và các đối

tượng. Để phát hiện những thay đổi nhỏ (trong suy giảm và kích thước) của mơ
tuyến vú, cần thiết phải có một sự kết hợp màn phim để có thể phát hiện sự


khác biệt rất nhỏ ở liều thấp. Chụp X quang vú định kỳ là cách để phát hiện
sớm ung thư vú, dẫn đến giảm tỷ lệ tử vong và tỷ lệ mắc bệnh (Paci 2012, Paap
et al 2010).
Ở giai đoạn đầu, ung thư vú rất khó phát hiện vì tế bào ung thư xuất hiện gần

giống với tế bào tuyến vú thông thường. Việc sử dụng tia X năng lượng thấp
giúp tăng cường độ tương phản cũng như các hệ số suy giảm của các mô mềm
và sự khác biệt giữa chúng (điều này rất quan trọng) là tốt nhất khi sử dụng các
photo năng lượng thấp. Các hiệu ứng quang điện chính và các hệ số suy giảm
tuyến tính của mơ bình thường và bệnh lý khác nhau bởi một yếu tố:
Với Znorm , Zpath và ρnorm , ρpath là số hiệu nguyên tử của các nguyên tử chịu tác
động và mật độ tương ứng.
Tương tự như vậy, mặc dù tương phản là một vấn đề ít gặp trong chụp ảnh
xương, cho những điểm vơi hóa rất nhỏ, việc tăng khả năng quan sát do KVP
thấp, có thể làm tăng khả năng phát hiện chúng (Wolbarst 1993).
Trong tất cả các phương pháp tạo ảnh bằng X quang ln có một sự cân bằng
giữa việc giữ chất lượng ảnh và liều tác động lên bệnh nhân. Trong chụp X
quang vú, đặc biệt là để phát hiện ung thư ở giai đoạn sớm khi mà các phương
pháp điều trị có hiệu quả hơn, độ nhạy tương phản cao, chi tiết cụ thể và nhiễu
thấp là điều cần thiết. Các đặc điểm trên cùng với tia X có khả năng đâm xuyên
thấp, đòi hỏi phải chiếu tia X tương đối lâu để thu được ảnh có thể quan sát
được.
Liều cho mỗi bệnh nhân được xác định thông qua 3 yếu tố: (i) các thông số đặc
trưng của thiết bị được sử dụng, (ii) các yếu tố kỹ thuật được lựa chọn cho q
trình kiểm tra, (iii) kích thước và độ dày tuyến vú của bệnh nhân. Chùm tia X
của mỗi máy X quang vú được hiệu chỉnh để cung cấp một liều cụ thể và xác

định được đối với tuyến vú tham chiếu (có kích thước trung bình) khi chụp ảnh
với một bộ thơng số kỹ thuật. Nhân tố chính ảnh hưởng đến liều là độ nhạy của
cảm biến (sự kết hợp màn phim, các đặc tính của cảm biến) và việc cài đặt cấp
độ của hệ thống điều khiển chiếu tia tự động (AEC) tạo ra phim với mật độ cụ
thể. Liên quan đến kỹ thuật này, việc chọn thông số kV (dao động từ 24 kV đến


32 kV) và chất liệu làm anot cũng như bộ lọc cũng là nhân tố chính ảnh hưởng
tới liều. Trong trường hợp kV quá cáo dẫn đến độ tương phản và khả năng quan
sát của ảnh bị giảm. Thông số kV thấp sẽ làm tăng độ tương phản nhưng lại làm
giảm sự đâm xuyên cần thiết qua những vùng mô tuyến vú lớn và dày, những
vùng mà yêu cầu kV cao. Khi kV được giảm trong một cuộc kiểm tra cụ thể,
mAs phải được tăng lên tạo ra một mật độ quang học (optical density) tổng thể
chấp nhận được. Việc đồng thời giảm kV và tăng mAs làm tăng liều trên bệnh
nhân. Liều thường tăng với những tuyến vú lớn và dày, để đảm bảo mật độ
quang vì cần nhiều hơn lượng tia X xuyên qua và tới được cảm biến.
Thông số được dùng để đo lường liều trong chụp X quang vú là mean
glandular dose (MGD). Đây là dựa trên giả thuyết đó là tồn bộ mơ tuyến trong
vú và không phải mỡ hay chất béo nhảy cảm nhất với ảnh hưởng của sự chiếu
xạ. GMD được định nghĩa là liều trung bình cho mơ tuyến. Nó được coi là một
lượng hợp lý khi so sánh nguy cơ tương đối từ các quá trình chụp nhũ ảnh khác
nhau.
Để đảm bảo chất lượng hình ảnh cần thiết với liều thấp nhất có thể, chụp nhũ
ảnh nên được thực hiện bởi kỹ thuật viên trình độ cao với khả năng để đánh giá
tuyến vú từng bệnh nhân và sau đó chọn kV tối ưu và các thông số khác.
Sự xuất hiện hình ảnh X quang vú khác nhau tùy thuộc vào sự phân bố tương
đối của chất béo và mô tuyến, với việc đầu tiên là X quang sáng và xuất hiện
vùng tối trong khi sau này được mô tả như là X quang dày đặc và xuất hiện
vùng sáng hơn trong tạo ảnh tuyến vú. Những thay đổi có liên quan với nguy
cơ ung thư vú (Boyd et al 1998, Li et al 2005, Boyd et al 2010), một vài dạng

khác nhau của ảnh X quang vú được mô tả ở hình 2.4.


Hình 2.4. Ví dụ về sự thay đổi mật độ trong X quang vú (A) 0%, (B) <10%, (C)
<25%, (D) <50% (E) <75% và (F) >75% (ảnh được sửa đổi theo Boyd et al
2010).
Kỹ thuật ảnh số đang dần thay thế trong chụp X quang thông thường và tất
nhiên cả đối với X quang vú. Thơng tin được nhanh chóng hiển thị sẵn sàng
trên màn hình cho việc chẩn đốn. Nó có thể chuyển đổi điện tử thành các hạt
khác và ảnh có thể được in trên phim nếu cần thiết. Chụp nhũ ảnh màng phim
(SFM) là kỹ thuật tiêu chuẩn để phát hiện ung thư trong nhiều năm, nhưng
ngày nay thủ tục phổ biến nhất là chụp theo 2 phương (two-view) (mediolateral oblique và cranio-caudal) sử dụng công nghệ chụp nhũ ảnh số full-field (
Full-Field Digital Mammography – FFDM).
Công nghệ FFDM có vơ số lợi ích tiềm năng so với công nghệ SFM trong chụp
nhũ ảnh. Công nghệ kỹ thuật số sẽ thực các ứng dụng tiên tiến, bao gồm hỗ trợ
phát hiện bằng máy tính (CAD) (Bassett 2000, Chan et al 2005, Costaridou et
al 2008, Elter and Horsch 2009, Karahaliou et al 2012). Nghiên cứu Phantom
và các thực nghiệm lâm sàng cho thấy khả năng phát hiện bất thường trong
chụp X quang vú của FFDM là bằng hoặc cao hơn hẳn so với SFM (Skaane
2009).
2.1.3

Những bất thường về vú

Kết quả của chụp X quang vú cần được mô tả, đánh giá và phân loại một cách