Mamografski sistemi trebaju prikazati sitne detalje dojke, ali ispitivanje kvaliteta slike ne bi trebalo zahtijevati ponovljeno izlaganje pacijentica rendgenskom zračenju. Fizički fantomi omogućavaju procjenu performansi snimanja pomoću modela koji oponaša anatomiju i slabljenje X-zraka. Ova studija istražuje može li se fantom dojke izraditi 3D printanjem na osnovu stvarnog mamograma — i koliko dobijena slika nalikuje kliničkom originalu.
Ključni nalazi
- Fantom dojke izrađen je od smole Grey V4 stereolitografijom (SLA), na osnovu digitalnog mamograma.
- Za cijelu upoređenu površinu slike, SSIM je iznosio 0,9893, PSNR 46,2495, a Pearsonov koeficijent korelacije 0,9598.
- Za izrezane dijelove slike, SSIM se kretao od 0,9947 do 0,9949, a PSNR od 59,4286 do 59,6697.
- Prostorna frekvencija pri MTF = 0,1 iznosila je 3,800 mm⁻¹ za fantom i 3,842 mm⁻¹ za snimak pacijentice.
- Krive spektra snage šuma bile su slične, uz razlike na višim frekvencijama koje se u radu povezuju s razlikama u ekspoziciji detektora.
Zašto izraditi fantom za mamografiju?
Mamografija je važna metoda snimanja za otkrivanje abnormalnosti dojke. Fizički fantomi predstavljaju zamjenu za tkivo dojke pri procjeni mamografskih sistema, kvaliteta slike i vidljivih detalja. Omogućavaju ponavljanje ispitivanja snimanja bez ponovljenog izlaganja pacijentica jonizirajućem zračenju.
Izazov je napraviti model koji ne oponaša samo oblik dojke. On također treba reproducirati način na koji se X-zraci slabe duž slike. To je postignuto tako što je svaka tačka na početnom mamogramu pretvorena u odgovarajuću debljinu smole za printanje. Promjene debljine modela mijenjaju količinu materijala kroz koju prolazi rendgenski snop, što zatim utiče na sliku.
Rad Dr. Adija Pandžića objavljen je 2024. godine u zborniku IFMBE Proceedings 93, u okviru konferencija MEDICON 2023/CMBEBIH 2023.
Od mamograma do modela spremnog za 3D printanje
Ulazni podatak bio je sirovi DICOM mamogram u kraniokaudalnoj projekciji. DICOM je standardni format za medicinske slike i povezane metapodatke. Razvijen je prilagođeni softver u MATLAB-u za pretvaranje dvodimenzionalne slike u trodimenzionalnu mrežu, koja se zatim mogla sačuvati kao STL datoteka za 3D printanje.
Prije izrade fantoma, izmjereno je koliko smola Grey V4 slabi X-zrake. Isprintan je i snimljen stepenasti klin, uzorak koji sadrži dijelove različite debljine. Vrijednosti piksela u sirovom mamografskom snimku povezane su s odgovarajućim debljinama smole, a zatim je prilagođena regresiona kriva. Prijavljeno slaganje modela iznosilo je R² = 0,999.
Vrijednosti piksela izvornog mamograma zatim su pretvorene u debljine smole Grey V4. Ova kalibracija je važna jer tkivo dojke i smola nemaju ista svojstva slabljenja X-zraka. Vrijednosti piksela ne mogu se jednostavno tretirati kao fizička debljina modela bez prethodnog uzimanja u obzir materijala za 3D printanje.
Korigovana je i geometrija snimanja. Rendgenski snop širi se od izvora prema detektoru, pa se njegov put kroz fantom mijenja duž slike. Primijenjena je korekcija perspektive i projekcije za udaljenost od izvora do detektora od 655 mm, a zatim je triangulacijom izrađena STL mreža.
Fantom je izrađen SLA tehnologijom. Kod stereolitografije, ultraljubičasti laser očvršćava tečnu smolu. Korišten je materijal Grey V4, smola kompanije Formlabs. Ovaj rad istražuje SLA tehnologiju, a ne FDM 3D printanje. Nakon izrade, fantom je snimljen, a njegov mamogram upoređen s izvornom slikom pacijentice.
Uslovi snimanja i metode poređenja
Sistem za snimanje bio je digitalni mamografski uređaj Hologic Selenia Dimensions. Klinički snimak pacijentice napravljen je pri naponu cijevi od 29,0 kV i proizvodu struje i vremena od 126,0 mA s, odabranim automatskom kontrolom ekspozicije. Sila kompresije iznosila je 58,4 N. Fantom je snimljen pri 29,0 kV i 120 mA s, odabranim ručno, bez kompresije. Udaljenost od izvora do detektora bila je ista za oba snimanja.
Pri poređenju slika korišteni su PSNR, SSIM i PCC. PSNR povezuje jačinu signala s greškom slike; SSIM procjenjuje strukturnu sličnost; a PCC mjeri linearnu povezanost vrijednosti piksela. Ispitane su također funkcija prijenosa modulacije (MTF), koja opisuje koliko dobro sistem za snimanje čuva detalje pri različitim prostornim frekvencijama, te spektar snage šuma (NPS), koji opisuje raspodjelu šuma po frekvencijama.
Za MTF je analiziran profil preko mikrokalcifikacije i prilagođen Gausovoj funkciji linijskog raspršenja. Za NPS je korišteno 100 relativno homogenih područja interesa, svako veličine 50 × 50 piksela. Ta područja nisu obuhvatala mikrokalcifikacije niti tkivo velike gustoće.
Šta su pokazali rezultati procjene kvaliteta slike?
Dvije najveće mikrokalcifikacije jasno su se vidjele na slici fantoma, uz kontrast sličan onom na izvornom kliničkom snimku. U fizičkom modelu odgovarale su višim stubićima koji su se izdizali iznad nižih stubića u pozadini. To pokazuje da je postupak prenio važne detalje slike, iako reprodukcija vrlo sitnih struktura zavisi od rezolucije 3D printera.
Za cijelu površinu slike, rezultati su bili PSNR 46,2495, SSIM 0,9893 i PCC 0,9598. SSIM za tri izrezana područja iznosio je 0,9948, 0,9947 i 0,9949. Njihove vrijednosti PSNR-a kretale su se od 59,4286 do 59,6697. Ova mjerenja ukazuju na veliku sličnost u procijenjenim područjima; ona ne dokazuju da model predstavlja sva svojstva tkiva ili sve kliničke slučajeve.
Što se tiče oštrine, puna širina na polovini maksimuma funkcije linijskog raspršenja iznosila je 1,330 mm za fantom i 1,315 mm za snimak pacijentice. Prostorna frekvencija pri MTF = 0,1 iznosila je 3,800 mm⁻¹ za fantom i 3,842 mm⁻¹ za snimak pacijentice. Vrijednosti su bliske, uz neznatno veću izmjerenu rezoluciju kliničkog snimka.
Krive NPS-a bile su slične po općem obliku i lokalnim maksimumima. Razlike na višim frekvencijama u radu se povezuju s različitom ekspozicijom detektora, jer su pacijentica i fantom snimljeni pri različitim postavkama ekspozicije. Navodi se da bi se razlika mogla korigovati uvođenjem faktora skaliranja.
Značaj postupka za inženjere i istraživače
Ova metoda objedinjuje obradu medicinskih slika, karakterizaciju materijala, geometrijsku korekciju i aditivnu proizvodnju. Za inženjere je važno to što model zavisi od kalibracije konkretne smole: vrijednosti piksela pretvaraju se u debljine čiji je cilj da proizvedu odgovarajuće slabljenje X-zraka, umjesto da se direktno pretvaraju u nekalibrirani oblik.
Studentima ovaj projekat pokazuje kako se STL model može izraditi iz podataka koji nisu prvobitno nastali kao CAD geometrija. Istraživačima SSIM i PSNR daju kvantitativne provjere sličnosti slika, dok MTF i NPS pružaju dodatne informacije o oštrini i šumu koje jedan rezultat sličnosti ne može obuhvatiti.
U radu se također navodi mogućnost izrade fantoma prilagođenih pojedinačnim pacijenticama i proizvodnje po cijeni koja predstavlja samo dio cijene sličnih komercijalno dostupnih fantoma. To su predložene praktične prednosti ovog pristupa; rad ne donosi poređenje troškova.
Ograničenja i zaključak
Rezultati se odnose na fantom, materijal i SLA postupak ispitane u ovoj studiji. Pacijentica i fantom nisu snimljeni pod potpuno jednakim uslovima ekspozicije: njihove postavke mA s su se razlikovale, a fantom nije bio komprimiran. U radu se također ističe da ograničenja rezolucije dostupnih SLA 3D printera zahtijevaju kompromis pri reprodukciji veoma sitnih objekata. Zbog toga SSIM blizu 0,99 opisuje poređenje ovih slika; ne treba ga tumačiti kao dokaz da fantom u svaku svrhu u potpunosti može zamijeniti dojku.
Studija pokazuje da se kalibriranom smolom Grey V4 i SLA 3D printanjem može izraditi fantom za mamografiju čija je slika veoma slična odabranom kliničkom mamogramu. Korištenje mjera iz prostornih i frekvencijskih domena omogućilo je širu procjenu od samog poređenja piksela. Ovaj rad pruža praktičnu osnovu za ponovljive antropomorfne modele koji mogu podržati procjenu mamografskih sistema i daljnja istraživanja.
| Autori rada | Elma Huseljić, Senad Odžak, Adnan Beganović, Almasa Odžak, Adi Pandžić, Merim Jusufbegović |
|---|---|
| Objavljeno u | MEDICON 2023/CMBEBIH 2023, IFMBE Proceedings 93, 2024, pp. 221–231 |
| Datum objave | 24. januar 2024. |
| DOI | 10.1007/978-3-031-49062-0_24 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Šta je fantom za mamografiju?
To je fizički model osmišljen da oponaša anatomiju dojke i slabljenje X-zraka na snimku. Može se koristiti za procjenu sistema za snimanje bez ponovljenog izlaganja pacijentica.
Koja tehnologija 3D printanja i koji materijal su korišteni?
Fantom je izrađen SLA stereolitografijom pomoću smole Grey V4 kompanije Formlabs. Slabljenje X-zraka u smoli kalibrirano je pomoću odprintanog stepenastog klina.
Koliki SSIM je postigao mamogram fantoma?
SSIM je iznosio 0,9893 za cijelu upoređenu površinu slike. Za tri izrezana područja vrijednosti su se kretale od 0,9947 do 0,9949.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
