Thiết lập và phương pháp thực nghiệm

6.6 .1Giới thiệu

6.2 THƯ NGHIỆM TẠI ELETTRA SYNCHROTRON FACILTIES: TỐI ƯU HÓA

6.2.2 Thiết lập và phương pháp thực nghiệm

A. Sắp đặt phantom

Phantom được sử dụng cho thí nghiệm này tồn bộ được sản xuất với kích thước 1.5 cm TORMAm và 1cm TORMAX phantom vú dùng cho thực nghiệm. Phantom TORMAX chứa các cấu trúc có độ phân tương phản thấp và cao trong nền đồng nhất. Phantom TORMAM gồm 2 phần: bên phải chứa các sợi tơ, hạt vi mô và các chi tiết có độ tương phản thấp, đặc trưng cho các bệnh lý của vú, nửa bên trái chứa những vật liệu giả lập các mô tuyến vú với các ổ vi vơi hóa. Hai phantom này được đặt cùng với nhau, TORMAX đặt trước TORMAM, tạo ra một phantom với nền không đồng nhất cao và dày khoảng 2.5cm. Hai phần của tấm thử Polymethyl methacrylate (PMMA) được đặt bổ sung ở cả hai bên (hình 6.5), làm tăng bề dày của phantom sắp đặt lên 4cm. Phantom hỗn hợp này, đặt tên là MAMMAX có hình dạng thực tế và kích thước xấp xỉ bộ ngực dày 4.5 cm với 50% mỡ và 50% mô tuyến.

Fig. 6.5. Photograph of the experimental setup at SYRMEP beamline. The designed phantom (MAMMAX) placed on the sample rotator between the X- ray source and the detector.

B. Thu nhận hình ảnh

Thử nghiệm được thực hiện như đã nói ở chương 3, tại beamline SYRMEP, thiết kế riêng cho các nghiên cứu chẩn đoán Xquang y tế tại ELETTRA, Trieste. Chùm tia được dựa trên tinh thể đôi Si (111) đơn sắc hoạt động tại vùng năng lượng giữa 8keV và 35keV, trong khi tia photon được tách và vị trí của nó được giữ cố định. Tại khoảng cách 20m từ nguồn, diện tích của chùm tia X vào là 98 x 2.5mm vng. Với mục đích thu ảnh chiếu hai chiều, phantom và đầu dò được quét dọc với tốc độ quét 2mm/s.

Với việc thu nhận ảnh hai chiều với phantom đa hợp, phần sau được đặt lên trên của bộ phận giữ chuyển động quay đặt trước nguồn đơn sắc tại khoảng cách 16.5 cm từ detector (Hình 6.5). Hình ảnh tại các cung thu nhận khác nhau được thu với các trạng thái phantom quay quanh trục vng góc với chùm tia cố định tại góc mong muốn.

Detector được làm lạnh với nước, mang cặp thiết bị camera (Photonic Science X-ray Hystar, 2048 x 2048 full frame, 16 bit, 56um pixel –obtained after 4 x 4 pixel binning, 28.67 x 28.67 mm field ò view). Detector lạnh được sử dụng để giữ nhiễu điện tử ở mức thấp. Với tác động làm giảm nhiễu, chiếm

đa số bởi ‘nhiễu vùng tối’, tất cả các hình ảnh được sửa bằng phương pháp trừ ảnh trung bình từ năm hình ảnh tối thu ngay sau khi nhận ảnh từ phantom. Hình ảnh sau đó chuyển về dạng phẳng thu tại cùng mức năng lượng. Trong suốt thử nghiệm, mức chiếu xạ được kiểm sốt bởi một buồng ion hóa đặt trước mẫu vật. Giá trị đọc được trong buồng được quy đổi sang luồng photon trên phantom bởi chương trình tính tốn tại SYRMEP (Bovi et al 2007).

Kích thước của tất cả các ảnh là 512 pixels ở cả hai hướng. Vùng được ảnh hóa là phần thấp bên trái của phantom MAMMAX. Đặc biết, phần thuộc về TORMAX gồm 6mm chi tiết trịn có độ tương phản thấp và 0.25 và 0.5 mm chi tiết độ tương phản cao bọc trên nền không đồng nhất. Những cấu trúc này được miêu tả trong hình 6.6, được biểu diễn bằng góc chiếu đơn nhận từ hình ảnh phantom TORMAX được thấy trên hình 6.6b. Với mục đích hiển thị, nền được bỏ đi, hình dạng vị trí và chiều của các vùng này với các vùng tối có hệ số suy giảm cao hơn. Phần thuộc về TORMAM chứa các ổ vi vơi hóa được thêm vào các chị tiết có sợi và hạch. Nền khơng đồng nhất làm cho hình ảnh vú được tự nhiên hơn. Hình 6.6c cho thấy hình chiếu của phantom đa hợp MAMMAX, được lấy lại 17keV với chùm tia vng góc với trục trung tâm (được sắp xếp như hình 6.5). Ở hình 6.6d, nền được gộp với với phantom MAMMAX được loại bỏ và hai kiểu cấu trúc nghiên cứu được hiển thị: (a) chi tiết trịn có độ tương phản thấp (khối u 6 mm) thuộc về phantom TORMAX và (b) một số ổ vi vơi hóa từ nhóm A và B thuộc về phantom TORMAM. Kích thước của 4 cấu trúc từ các nhóm này biểu thị với vùng e-1 từ 170 đến 220um. Tất cả các nghiên cứu từ các nhóm là các cấu trúc có độ tương phản cao có kích thước nhỏ. Tuy nhiên sự hiển thị kém của các ổ vi vơi hóa với kích thước nhỏ hơn 200um đã được báo cáo trước đó trong trường hợp của BT, (Timberg et al 2010) các ổ vi vơi hóa được nhóm lại ở kích thước trên và được nghiên cứu riêng biệt. Vơi hóa với kích thước nhỏ hơn 170um chưa được nghiên cứu do chúng quá khó để phân biệt từ các thành phần lạ trên nền.

Fig. 6.6. ROI of (a) projection images from TORMAX phantom alone (b) features of interest in TORMAX that are projected without the homogeneous background, (c) projection image from the MAMMAX phantom (d) features of interest in the MAMMAX phantom with the heterogeneous background removed.

C. Kịch bản thu ảnh

Hình ảnh trên đây từ phantom MAMMAX được lấy từ các thực nghiệm: (a) góc chiếu đơn của ROIs với tia năng lượng 17keV; (b) số góc chiếu giới hạn với các cung 24, 32, 40, 48 và 56 độ ở mức năng lượng 17keV.

Hình ảnh chiếu cho chụp nhũ ảnh ba chiều sử dụng các bước chiếu khơng đổi; ví dụ mỗi 4 độ cho mỗi cung tương ứng. Giá trị này cho phép số phép chiếu hạn chế mỗi cung được chọn để xem xét nghiên cứu giả lập ban đầu, các đánh giá và nỗ lực giảm thời gian thu ảnh tại Synchrotron facilities. Với tất cả các trường hợp, MGD (Mean Glandular Dose) đến phantom vú được đặt là 2.5 mGy theo tiêu chuẩn bảo hiểm châu Âu cho chẩn đoán và sàng lọc nhũ ảnh một bên tiêu chuẩn (Perry et al 2006). Khí kerma (K) đo tại mặt trên của phantom vú được tính tốn cho tất cả các trường hợp của chụp nhũ ảnh ba

chiều nâng cao bằng cách đặt MGD đến phantom vú bằng 2.5 mGy và qua quan hệ giữa MGD và K.

MGD = K . g . c . s

Trong biểu diễn trên, g, c và s là hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào các nhân tố như độ dày của vú, số tuyến và phổ liên tục. Giá trị của chúng được lấy từ Dance et al (2000a, 2009, 2011). Với các thể hiện, trường hợp với 17keV, được tính với 4cm bề dày phantom đa hợp có PMMA tương ứng với vú dày 4.34 cm và vú với hỗn hợp 50% mỡ và 50% mô tuyến. Cho trường hợp riêng biệt, K được tính là 8.7 mGy. Trong trường hợp chụp nhũ ảnh ba chiều, khí kerma tổng cộng vẫn là 8.7mGy và được chia đều giữa mỗi phép chiếu ở mỗi tập thu ảnh (Dance et al 2011).

D. Phương pháp tái cấu trúc

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tái cấu trúc các thể tích sử dụng MPA đơn giản và có lọc. Lọc ưu tiên sự tái cấu trúc cần thiết bù vào việc lấy mẫu quá nhiều xảy ra tại các tần số tia trong miền Furier và giảm các nhiễu có trong hình ảnh thực nghiệm. Ở bộ lọc giữa, một bộ lọc sinc và kết hợp của hai bộ lọc này được ưu tiên sử dụng cho tái cấu trúc MPA. Những thuật toán này biểu thị với FMPA-M, FMPA-SINC và FMPA-MSINC tương ứng. Bộ lọc sinc có đáp ứng thay đổi phụ thuộc vào giá trị tham số α (biểu thức 4.1). Như phương pháp đã trình bày trong chương 4, với giá trị α gần về 0, bộ lọc sinc tiến gần tới bộ lọc ramp tiêu chuẩn và hoạt động như một bộ lọc thông cao đơn giản được sử dụng rộng rãi cho phương pháp tái cấu trúc chiếu lại. Khi α tăng, tần số cao mượt hơn được thu nhận. Chúng tôi thực nghiệm với nhiều giá trị khác nhau của α, cho cả các ổ vi vơi hóa và các khối u độ tương phản thấp để tìm ra giá trị tối ưu nên sử dụng trong từng trường hợp.

E. Đánh giá

Sự thay đổi của một một vài tham số ảnh đặc trưng, ví dụ CNR, C và ASF được xem xét cho năm kịch bản góc chiếu và bốn thuật tốn tái cấu trúc.

Với các khối u, giá trị trung bình của µf được tính tốn qua ROI trong cấu trúc với bán kính 45 pixels (~2.5 mm). Thuộc tính của nền (µbk và σbk)

được xem xét cho diện tích hai lần và diện tích được chọn cho khối u. Nền ROI được xác định bởi biên trên của hình ảnh và đường kính tring và ngồi là 55 và 58 pixels tương ứng tính từ trung tâm khối u.

Cho các ổ vi vơi hóa, ba vùng nền kích thước 100 x 100 được xác định, gần hai nhóm A và B để tính tốn giá trị trung bình của nền (µbk). Giá trị trung bình µf, cho các ổ vi vơi hóa với kích thước trong khoảng 250-500 µm được

tính toán như giá trị trung bình của các pixels trong vùng ô vuông được chọn trong mỗi cấu trúc. Với trường hợp các ổ vi vôi hóa với kích thước 170-220µm, diện tích có chứa mỡi cấu trúc được xác định và giá trị tối đa được lấy ra. Giá trị trung bình sau đó được tính toán từ những giá trị này và sử dụng như µf.

6.2.3 Kết quả

Với mỗi cung, bốn thể tích được tái cấu trúc sử dụng MPA, FMPA-M, FMPA-SINC và FMPA-MSINC. Mặt phẳng nhũ ảnh ba chiều được tái cấu trúc với bề dày 1 mm. Mỗi thể tích được xét riêng biệt để xác định mặt phẳng với các tính năng tái cấu trúc và sau đó biểu diễn với mỗi thuật tốn được tiến hành cho các chi tiết có độ tương phản thấp và cao.

A. Tái cấu trúc với các cấu trúc có độ tương phản thấp i. Tối ưu hóa bộ lọc

Ban đầu, nghiên cứu cải tiến được tiến hành nhằm mục đích tìm giá trị tối ưu cho tham số α của bộ lọc sinc (xem biểu thức 4.1) sử dụng trong sự tái cấu trúc của 6 mm cấu trúc có độ tương phản thấp. Lát cắt nhũ ảnh ba chiều chứa những cấu trúc này, tái cấu trúc với FMPA-SINC cho năm cung thu ảnh và với các giá trị khác nhau của α được thể hiện trên hình 6.7.

Fig. 6.7. Tomograms that contain low contrast features reconstructed with FMPA- MSINC for five acquisition arcs (24°, 32°, 40°, 48° and 56°) and five values of α (1,8,12,15 and 20). The first row shows the response of the corresponding sinc filter.

Hàng đầu tiên trong hình 6.7 thể hiện bộ lọc sinc tương ứng cho 5 giá trị của α (1, 8, 12, 15 và 20) được sử dụng ưu tiên để tái cấu trúc với MPA để lọc các hình chiếu ban đầu. Tái cấu trúc nhũ ảnh ba chiều với mỗi bộ lọc sinc sử dụng trong FMPA-MSINC được thể hiện ở hàng dưới tương ứng với các đáp ứng bộ lọc cho mỗi cung thu ảnh. Nó cho thấy rằng các cấu trúc độ tương phản thấp được phát hiện tốt hơn, ví dụ như viền của đối tượng này được nổi bật khi giá trị α tăng lên (ví dụ với α=12). Tăng giá trị α cao hơn không lảm cải thiện sự hiển thị của kết quả. Các phần mờ quá mức của hình ảnh ở cột cuối (α=20) trong hình 6.7 dẫn đến

hình ảnh kém chất lượng của đối tượng tái cấu trúc. Cuối cùng, cho tất cả các giá trị α, sự hiển thị của các chi tiết tương phản thấp đươc tốt hơn khi tăng độ dài cung.

Thêm vào đó, để đánh giá trực quan các cấu trúc có độ tương phản thấp sau khi được tái cấu trúc, giá trị CNR được tính tốn và sử dụng tham số α tối ưu. Giá trị CNRs của các cấu trúc có độ tương phản thấp được tính tốn cho 21cấu hình bộ lọc cho hai thuật toán khai thác bộ lọc sinc. Giá tri α sử dụng đầu tiên là 0.1, kết quả là bộ lọc ramp điển hình, sau đó α thay đổi từ 1 đến 20, thay đổi đáp ứng của bộ lọc như đã thấy ở hàng đầu tiên của hình 6.7. Hình 6.8 cho thấy kết quả CNR của chụp nhũ ảnh ba chiều có chứa 6mm cấu trúc có độ tương phản thấp dưới đánh giá (xem hình 6.6d), cho phép chiếu các hình ảnh thu được trong cung thu ảnh 40 độ. CNR tăng thực sự khi α=12. Trên giá trị này, tỷ lệ cải thiện hình ảnh giảm và với α lớn hơn 15, CNR giữ ở mức gần như không thay đổi. Tương tự như với xu hướng của đường cong CNR với α được lấy cho các cấu trúc có độ tương phản thấp trong chụp nhũ ảnh ba chiều được lấy từ bốn khoảng góc khác.

Fig. 6.8. Filter optimization for low contrast feature detection. CNR as a function of α sinc filter parameter for the two algorithms FMPA-SINC and FMPA-MSINC. Data for acquisition arc 40°.

Giá trị tối ưu của α cho 6mm cấu trúc có độ tương phản thấp được tái cấu trúc với FMPA-SINC và FMPA-MSINC được đặt α=12 và được xác định bởi sự kết hợp kết quả từ đánh giá số lượng (hình 6.8) và trực quan của các chi tiết tương phản thấp (hình 6.7). Kết quả được trình bày trong hầu hết các nghiên cứu hiện tại

cho các khối u có độ tương phản thấp có tính đến giá trị này.

i. Đánh giá chất lượng hình ảnh như một hàm của cung thu ảnh

Các lát cắt nhũ ảnh ba chiều với các cấu trúc có độ tương phản thấp, tái cấu trúc sử dụng bốn phiên bản của MPA cho năm cung thu ảnh được biểu diễn ở hình 6.9. Độ tương phản thấp và khó xác định được thấy ở các tường hợp MPA và FMPA-M, trong khi hình ảnh tái cấu trúc với FMPA-MSINC và FMPA-SINC có sự cải thiện rõ rệt.

Fig. 6.9. Tomograms that contain low contrast features reconstructed with simple MPA (first row), FMPA-M(second row), FMPA-SINC (third row) and FMPA- MSINC (fourth row) for five acquisition arcs (24°,32°, 40°, 48° and 56°).

Chất lượng hình ảnh của các cấu trúc độ tương phản thấp tái cấu trúc với bốn thuật tốn có đánh giá ngược lại khoảng góc. Hình 6.10a và 6.10b cho thấy giá trị CNR và C như một hàm của cung thu ảnh cho các tính năng tái cấu trúc với MPA, FMPA-M, FMPE-SINC và FMPA-MSINC. Giá trị CNR và C cao hơn được thấy ở

hai thuật toán lọc MPA được áp dụng bộ lọc sinc. Hơn thế nữa, khi CNR và C tăng cùng với độ dài cung cho hai thuật toán tái cấu trúc này. Sự cải thiện cũng thể hiện trực quan trên hình ảnh ở hai hàng dưới của hình 6.9. Mặt khác, giá trị CNR và C gần như không đổi với MPA và FMPA-M khi độ dài cung được mở rộng.

Fig. 6.10. Quantitative assessment of the 6 mm low-contrast feature on reconstructed tomograms: (a) CNR and (b) C for all four reconstruction algorithms and (c) ASF for all five acquisition sets reconstructed with FMPA-MSINC.

Cuối cùng, đường cong ASF cho năm tập thu ảnh sử dụng FMPA-MSINC được mơ tả trong hình 6.10c. Như mong đợi, tăng cung thu ảnh làm cải thiện kết

quả độ phân giải trục z và các cấu trúc có độ tương phản thấp được trơng thấy rõ ràng hơn.

B. Tái cấu trúc các cấu trúc độ tương phản cao có kích thước nho i. Tối ưu bộ lọc

Tương tự như với trường hợp các cấu trúc có độ tương phản thấp, thuật toán FMPA-SINC và FMPA-MSINC được tối ưu để tái cấu trúc các ổ vi vơi hóa với chất lượng hình ảnh tối ưu. Chụp nhũ ảnh ba chiều, có chứa hai nhóm vi vơi hóa (A và B) được tái cấu trúc với FMPA-MSINC với các giá trị α khác nhau sử dụng phép chiếu ảnh ở 24 độ được thể hiện ở hình 6.11. Tương tự, hình ảnh thu được ở tất cả các cung thu ảnh.

Fig. 6.11. Regions of interest from tomograms that contain two groups (A and B) of μCs reconstructed with FMPA-MSINC for five values of a (0.1, 1, 2, 4, and 8) for an arc of 24°. The first row shows the response of the corresponding sinc filter.

Cho các ổ vi vơi hóa, giá trị α thấp (ví dụ α<1) kết quả hình ảnh với các cấu trúc có viền sắc dựa trên việc khử nền tần số thấp. Khi α tăng, các bóng mờ xung quanh các ổ vi vơi hóa trở nên rõ hơn, trong khi với các giá trị lớn hơn (ví dụ α>4) các cấu trúc này bị mờ đi.

kích thước trong khoảng 0.170-0.222 mm và 0.250-0.500 mm được thể hiện tương ứng trong hình 6.12a và 6.12b. Những đường cong này cho thấy giá trị CNR tối ưu cho α trong khoảng 1 đến 3. Trong vùng này, bộ lọc có đáp ứng tần số thấp kém và giảm ảnh hưởng nền kết cấu có chứa chủ yếu tần số thấp. Với α cao hơn, giá trị CNR có độ suy giảm tăng lên dần cho thấy chất lượng hình ảnh bị mất đi.