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Mamografia hoje: Aspectos Físicos e
Dosimétricos
Martin Eduardo Poletti
Universidade de São Paulo
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
Departamento de Física e Matemática
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.
O objetivo de qualquer sistema mamográfico deve ser o de obter
mamografias de melhor qualidade com os mais baixos níveis de exposição.
A evolução da mamografia nos últimos 20 anos
1990 2000 2010
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.
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)
Fundamentação - Conceito de Absorção DiferencialUma imagem de raios-X resulta da diferença entre os raios-Xabsorvidos fotoeletricamente no paciente e aqueles transmitidosna direção receptor de imagem. Esta diferencia em interação de raios-Xé chamada de absorção diferencial.
Fundamentação - COEFICIENTES DE INTERAÇÃO
A radiação emitida por uma fonte de raios-X, Io, 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
)( inelselasvn σστµ ++=0 10 20 30 40 50 60
0,01
0,1
1
10
100
1000
Total, µ
Fotoelétrico, τ
Espalhamento Elástico, σelás
Espalhamento Inelástico, σinelás
---- faixa energética mamográfica
µ/ρ
[cm
3/g
r]
Energia (keV)
CONTRIBUIÇÕES DOS VÁRIOS PROCESSOS PARA TECIDO MAMÁRIO
Fonte
Amostra
detector
Colimador Colimador
MEDIDAS DE FÓTONS PRIMÁRIOS: Coeficiente de atenuação
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.
µµµµmedido = µµµµatt)ln( 0
1 II ttmedido =µ
I0It
MEDIDAS DE ATENUAÇÃO: CASO REAL
Detectamos mais fótons que os
primários µ < µatt
Fonte
amostra
detector
CASO REAL: COLIMAÇÃO FINITA E AMOSTRA GROSSA:
Feixe estreito amostra grossa :
Fonte
AmostraFeixe estreito amostra fina :
Fonte
Amostra
detector
detector
Arranjo Experimental
Medidas de Atenuação Medidas Experimentais de Coeficientes de Atenuação de Tecidos Mamários e Espectros de Raios X
Tubo de raios-X com anodo de Mo (Z=42, Kα
= 17,44keV e Kβ = 19,602 keV).
Detector de Si(Li) acoplado a um analisador multicanal.
L= 2,4 m
L= 1 mmmCmm 12.0 ≤≤
Medidas de atenuação
Determinação experimental do coeficiente de
atenuação linear
( )( )( )
−=
EI
EI
xE x
'
'ln
1
0
µ
Resultados
Coeficientes de Atenuação Linear de Tecidos Mamários
Valores médios dos coeficientes de atenuação linear dos tecidos mamários analisados.
Resultados
Coeficientes de Atenuação Linear de Tecidos Mamários
Boxplot
1 2 3 4 5 61
2
3
4
5
6
7
8
Grupos
Coe
fiic
iente
de A
tenu
açã
o L
ine
ar
(cm
-1)
Adiposo
Normais Periféficos
Fibrosos
Carcionoma
Fibroadenoma
Tumor Filodes
E =10 keV
(a)
1 2 3 4 5 60
1
2
Grupos
Coe
fiic
iente
de A
ten
ua
çã
o L
ine
ar
(cm
-1)
Adiposo
Normais Periférico
Fibrosos
Carcionoma
Fibroadenoma
Tumor Filodes
E =17.44 keV
(b)
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.
A intensidade do espectro (ou número de fótons emitidos) é
diretamente proporcional à mAs. A energia efetiva não depende da mAs.
Influência da mAs 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 mAsé (aproximadamente) diretamente proporcional ao quadrado
da kVp.
Influência da kVp 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.
Influência do material do alvo sobre o espectro de RX
Ocorre uma redução na intensidade do espectro principalmente na região de baixa energia. Quanto maior o filtro, maior a energia efetiva do espectro.
Os filtros também influenciam sobre o espectro de RX - Atenuadores
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.
Espectrômetro
0 300 600 900 1200 1500 1800 21000
10
20
30
40
50
60
70
80
Pontos Experimentais
Ajuste Linear
En
erg
ia (
ke
V)
Número do Canal
Calibração em energia:
0 20 40 60 80
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Curva Teórica Resultados Experimentais
Eficiê
ncia
Re
lativa
Energia (keV)
Eficiência:
Resultados
Espectros de raios X
5 10 15 20 25 300
20000
40000
60000
80000
100000
CSR = 0,296 mm de Al
Conta
gens
Energia (keV)
Espectro de Mo/Zr
Tensão 25kVp
Espectro de Mo –
Filtração adicional de Zircônio
5 10 15 20 25 300
20000
40000
60000
80000
100000
Co
nta
ge
ns
Energia (keV)
Espectro de Mo
(sem filração adicional)
CSR = 0,237mm de Al
5 10 15 20 25 300
20000
40000
60000
80000
100000
CSR = 0,298 mm de Al
Conta
gens
Energia (keV)
Espectro de Mo/Mo
Tensão 25kVp
Espectro de Mo –
Filtração adicional de Molibdênio
Resultados
Espectros de raios X
Comparação dos espectros com os obtidos para um equipamento clínico
5 10 15 20 25 300.0
0.2
0.4
0.6
Espectro de raios X de um equipamento clínico (Boone et al, 1997)
Espectro medido neste trabalho
Co
nta
gen
s
Energia (keV)
Mo/Mo – 28kVp
SumárioOs 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.
Contraste da imagem (O CONTRASTE NA IMAGEM É DADA PELO µµµµ)
Fonte
Objeto
Filme
CASO IDEAL: SEM ESPALHAMENTO
O PAPEL DO ESPALHAMENTO NA IMAGEM
Fonte
Objeto
FilmeImagem mamográficacom (a) e sem (b) radiação secundária Egan et al (1983)Radiology
a) b)
Parâmetros fundamentais em mamografia
Qualidade da Imagem
Dose Média Glandular
gNarg DKD .=
Dose Absorvida
Kerma no ar na entrada da pelearK Dose Glandular
NormalizadagND
Contraste
Contraste do
Receptor
Contraste
Objeto
Contraste e Dose Mamográfica
DeterminaDeterminaçção do Contraste Objeto e ão do Contraste Objeto e
da Dose Glandular Normalizadada Dose Glandular Normalizada
Métodos Experimentais
Simulação
Monte Carlo
Modelos
Analíticos
Métodos Teóricos
Modelo SemiModelo Semi--AnalAnalíítico para determinatico para determinaçção do ão do
Contraste Objeto e da Dose Glandular Normalizada Contraste Objeto e da Dose Glandular Normalizada
Dose Glandular Normalizada
Energia absorvida na região central da mama
( ) ( )( ) ( )dzkdza
kjBBs eeeNN
.1...
0,1 1µµµ −−−− −×××=
InteraInteraçções primões primááriasrias
Benkjabs ENE ∑ ××= µµ,1,1
Dose Glandular Normalizada
Materiais e Métodos
( ) ( )( ) ( )dzkdza
kjBBs eeeNN
.1...
0,1 1µµµ −−−− −×××= ( ) ( )zesp
jkkjBeNN
'.
,1,,,2 1,µ
φθ φθ −−×=
InteraInteraçções primões primááriasrias InteraInteraçções secundões secundááriasrias
Energia absorvida na região central da mama
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.
Compressão da mama
•Redução de espalhamento;
•Redução da dose de radiação;
•Uniformidade e melhor densidade ótica.
Grade na mamografia
Mamografia
obtida com
grade
Mamografia
obtida sem
grade
(*) Receptor de imagem de sensibilidade média. Mama comprimida de 4,5cm, ânodo e filtro de molibdênio.
Resultados
Contraste Objeto de uma Microcalcificação (100µm)
2 3 4 5 6 7 80.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0.26
Co
ntr
aste
Ob
jeto
Espessura da Mama
Mama Adiposa
Mama Média
Mama Glandular
24 26 28 30 32 34 360.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
Combinação anodo filtro
Mo/Mo
Mo/Rh
Rh/Rh
Co
ntr
aste
Ob
jeto
Potencial do Tubo (kVp)
Dependência com as Dependência com as
CaracterCaracteríísticas do Feixe Incidentesticas do Feixe IncidenteDependência com as Dependência com as
CaracterCaracteríísticas da Mamasticas da Mama
Mo/Mo – 28 kVp Mama Média – 6cm
Resultados
Contraste Objeto
25 26 27 28 29 300.10
0.12
0.14
0.16
0.18
Mama Adiposa
Mama Média
Mama Glandular
Co
ntr
aste
Ob
jeto
Tensão no Tubo (kV)
Espectro de MoMo – Mama de 5 cm
Comparação com a Literatura (Dance et al., 1992)
Resultados
Contraste Objeto – Limites de Detecção
0 2 4 6 8 100.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
6%
Espessura da mama
2 cm
4 cm
6 cm
8 cm
Co
ntr
aste
Obje
to
Espessura do nódulo (mm)
2%
Limites de DetecLimites de Detecçção ão
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
SCGD ××=∆ 4343,0
SumárioOs 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.
Resultados
Dose Glandular Normalizada
2 3 4 5 6 7 80.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Glandularidade:
0% Glandular
50% Glandular
100% Glandular
Dg
N (
mG
y.m
Gy
-1)
Espessura da Mama (cm)
MoMo – 28 kVp – CSR=0.35mm de Al
Dependência com as Dependência com as
CaracterCaracteríísticas do Feixe Incidentesticas do Feixe IncidenteDependência com as Dependência com as
CaracterCaracteríísticas da Mamasticas da Mama
CSR=0.38mm de Al
26 28 30 32 34 360.230
0.235
0.240
0.245
0.250
0.255
0.260
0.265
0.270
Dg
N (
mG
y.m
Gy
-1)
Combinação anodo/filtro
Mo/Mo
Mo/Rh
Rh/Rh
Tensão no tubo (kV)
Mama Média de 5cm
Resultados
Dose Glandular Normalizada
2 3 4 5 6 7 80.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
DgN(m
Gy.m
Gy
-1)
Espessura da mama (cm)
CSR(mm de Al)
0.25
0.30
0.35
Comparação com a Literatura (Dance, 2000)
SumárioOs 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.
0 .00
0 .05
0 .10
0 .15
0 .20
0 .25
0 .30
0 .35
0 2 4 6 80 .00
0 .05
0 .10
0 .15
0 .20
0 .25
0 .30
( b )
( a )
Ad ipo se B rea s t t is su e
C IR S 70 % a dip . / 30 % g lan d.
R M I
Lu c ited
σ/d
Ωto
t (cm
-1sr-1
)
Gla nd ul ar B rea s t t issu e
C IR S 30 % a dip . / 70 % g lan d.
R MI
W a te r
dσ/d
Ωto
t (cm
-1sr-1
)
x (n m-1
)
Outros materiais – Propriedades de espalhamento
Scattering profiles
SumárioOs 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.
Experimental SetExperimental Set--upup
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.
XRD1: XXRD1: X--ray diffraction beamlineray diffraction beamline
National Synchrotron Light Laboratory, BrazilNational Synchrotron Light Laboratory, Brazil
Resultado do Diagnóstico Sensibilidade
(%)
Especificidade
(%)
κκκκ
Negativo = TN
Positivo = FA ou C
86,9 88,2 0,74
Negativo = FA
Positivo = C
100,0 71,4 0,76
Análise estatística dos perfis
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