advances)in)digital) mammography) - bem vindo ao sítio … 3/auditorium/2 advances in...

56
Advances in digital mammography Gisella Gennaro Veneto Ins7tute of Oncology (IOV), IRCCS Padua Italy Lisbon Sep 20, 2013

Upload: ngonhi

Post on 23-Jul-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Advances  in  digital  mammography  

Gisella  Gennaro  Veneto  Ins7tute  of  Oncology  (IOV),  IRCCS  

Padua  -­‐  Italy  

Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Outline  

1.  Digital  breast  tomosynthesis  (DBT)  

2.  (Contrast-­‐enhanced)  spectral  mammography  

3.  Quan7ta7ve  breast  density  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Outline  

1.  Digital  breast  tomosynthesis  (DBT)  

2.  (Contrast-­‐enhanced)  spectral  mammography  

3.  Quan7ta7ve  breast  density  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Limita7on  of  standard  mammography  

Breast  is  3D  

X-­‐rays  (invisible)  

TransmiPed  X-­‐ray  image  (invisible)  

DETECTOR  

MAMMOGRAM  (visible)  

Signal  propor7onal  to  X-­‐ray  photon  intensity/number  

Mammography  image  is  2D  

(1/3)  

X-­‐rays  (invisible)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Limita7on  of  standard  mammography  ü  Everything  between  the  beam  entrance  and  the  breast  exit   is  projected  onto  a  

plane  ü  A   mammography   image   is   an   absorp7on   map   produced   by   superimposed  

structures  ü  Breasts  are  different  in  structure  and  produce  very  different  absorp7on  maps  

(2/3)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Limita7on  of  standard  mammography  LESION   DETECTION   IS   BASICALLY   A  PROBLEM  OF  LOCAL  CONTRAST  

(3/3)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

What  tomosynthesis  is  

ü   The  digital  applica7on  of  old  techniques  called  “laminography”  

ü  A   “small   angle   CT”,   where   mul7ple   planes   of   an   anatomical   part   are  reconstructed  ONLY  IN  ONE  SPATIAL  DIRECTION  ,  star7ng  from  a  limited  number   of   low-­‐dose,   projec7on   images,   acquired   within   a   limited  angular  aperture  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

The  idea  is  not  new…  A   Bocage   (1917):   developed   the   «Biotome»,   a   radiographic   technique  which  allowed  «cueng»  the  human  body  in  longitudinal  slices  and,  at  the  end,  to  select  the  level  needed  (Great  War  –  to  determine  the  depth  of  a  metal  foreign  body  in  the  body  of  a  pa7ent).  Never  produced.  

Vallebona  1930  –stra@graphy  Ziedses  Des  Plantes  1931  –  planigraphy  

Fig.  5   Fig.  6  

Chaoul  &  Grossman  1934  –  tomography  

Sans  &  Porcher  1947–  politome  (mul@direc@onal  tomograph)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Digital  detectors  made  it  possible  

RX digital detector

pre-processing post-­‐processing  

print  

display  dose

control

ACQUISITION  DISPLAYING  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

How  tomosynthesis  works  

Radiology  1997,  205:  399-­‐406  

ü  Senographe  DMR  modified  ü  Digital  detector  developed  by  GE  ü  ACR  phantom  ü  4  mastectomy  specimens  

CONCLUSION:  «Digital  mammographic  system  make  breast  tomosynthesis  possible.  Tomosynthesis  may  improve   the   specificity   of   mammography   with   improved   lesion   margin   visibility   and  may   improve  early  breast  cancer  detec@on,  expecially   in  women  with   radiographycally  dense  breasts.»  

Breast  tomosynthesis  feasibility  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Breast  tomosynthesis  «evolu7on»  

Equipment  Med  Phys  2013,  40  

ü  S ame   t e chn i c a l   s p e c i fi c a7on s   a s   t h e  «mammography   plakorm»   on   which   the  tomosynthesis   system  has  been  developed   (same  detector,  same  X-­‐ray  source)  

ü  Different   acquisi7on   protocols   (tube   mo7on,  angular  range,  number  of  projec7ons)  

ü  Different  reconstruc7on  algorithms  ü  Without  an7scaPer  grid  

NOWADAYS,   TOMOSYNTHESIS   HAS   BEEN   CONSIDERED   BY   MANUFACTURERS   MORE  INTERESTING  THAN  OTHER  3D  TECHNIQUES  (like  breast  CT)  BECAUSE  IT  IS  NOT  A  SEPARATE  MODALITY,  BUT  IS  JUST  A  «MODIFIED  MAMMOGRAPHY  SYSTEM».    IT  CAN  BE  SOLD  AS  AN  OPTIONAL  OF  THE  MAMMOGRAPHIC  UNIT  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Tomosynthesis  and  radia7on  dose  

ü  Most  of  the  studies  with  prototype  devices  kept  «wide  margins»  with  radia7on  dose,  by  applying   the   «non-­‐inferiority   principle»   versus   other   well   accepted   technologies,   like  screen-­‐film  mammography.  Dose  reduced  moving  to  commercial  systems.  

ü  It  is  difficult  to  go  in  depth  in  tomosynthesis  dosimetry,  the  clinical  protocol  with  DBT  being  s@ll  under  discussion:  DBT  alone  or  added  to  mammography?  One  or  two  views?…).  USUALLY,  TOTAL  DOSE  WITH  DBT  SHOULD  NOT  EXCEED  THE  TOTAL  DOSE  DELIVERED  FOR  MAMMOGRAPHY.  

ü  The  dose  parameter  used  is  s7ll  the  average/mean  glandular  dose  (AGD  o  MGD)  

Sechopoulos  et  al.  (2007),  Med  Phys  34:221  

Rela7ve  Glandular  Dose  

Thickness  crossed  by  the  perpendicular  beam  

GIVEN   THE   SAME   ENTRANCE   DOSE   (PER  P R O J E C T I O N ) ,   D O S E   A C T U A L L Y  CONTRIBUTING   TO   PRODUCE   THE   IMAGE  CHANGES  WITH  THE  ANGLE  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

DBT  systems  

Image  detector  /  X-­‐ray  source  

Manufacturer   GEH   Hologic   IMS   Philips   Planmed   Siemens  

System   Senographe  Essen7al  

Selenia  Dimensions   GioPo  TOMO   MicroDose   Nuance  

Excel  DBT  Mammomat  Inspira7on  

Detector   FPD  CsI   FPD  a-­‐Se   FPD  a-­‐Se   Photon  coun7ng   FPD  a-­‐Se   FPD  a-­‐Se  

Pixel  size  (μm)   100   70  MG  140  DBT   85   50   85   85  

Anode   Mo  e  Rh   W   W   W   W   Mo  e  W  

Filtra7on   0.03  mm  Mo  0.025  mm  Rh  

0.05  mm  Rh  MG  0.7  mm  Al  DBT  

0.05  mm  Rh  0.05  mm  Ag   0.5  mm  Al   0.06  mm  Rh  

0.075  mm  Ag  0.03  mm  Mo  0.05  mm  Rh  

(1/2)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Tomosynthesis  Manufacturer   GEH   Hologic   IMS   Philips   Planmed   Siemens  

System   Senographe  Essen7al  

Selenia  Dimensions   GioPo  TOMO   MicroDose   Nuance  

Excel  DBT  Mammomat  Inspira7on  

Detector  mo@on   sta7c   rota7ng   sta7c   con7nuous  slit  scan   rota7ng   sta7c  

Tube  mo@on   step-­‐and-­‐shoot   con7nuous     step-­‐and-­‐shoot   con7nuous     con7nuous     con7nuous    

Angular  range  (°)   25   15   40   11   30   50  

N°  of  projec@ons   9   14   13   21   15   25  

Scan  @me(s)   7   4   12   3-­‐10   20   25  

mAs/projec@on   variable*   uniform   variable*   uniform   uniform   uniform  

Reconstruc@on  algorithm   itera7ve   FBP   itera7ve   itera7ve   itera7ve   FBP  

Development  stage**   CE  mark   FDA  approval   CE  mark   prototype   prototype   CE  mark  

     *different  dose  distribuIon  between  central  projecIon  and  angled  projecIons  **  possible  evoluIon  

(2/2)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

DBT  systems  

DBT:  angle  and  number  of  projec7ons  

Manufacturer   GEH   Hologic   IMS   Philips   Planmed   Siemens  

System   Senographe  Essen7al  

Selenia  Dimensions   GioPo  TOMO   MicroDose   Nuance  

Excel  DBT  Mammomat  Inspira7on  

Angular  aperture  (°)   25   15   40   11   30   50  

N°  of  projec7ons   9   14   13   21   15   25  

by  Siemens  G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

ü  Wide  differences  in  angular  aperture  across  manufacturers  ü  The  number  of  projec7ons  is  limited  by  the  overall  radia7on  dose  (and  by  the  

angle  itself)  ü  Small  angles  show  advantages  to  depict  small  objects  (ex.  microcalcs)  ü  Wide  angles  show  advantages  to  depict  «large»  objects  (ex.  masses)  

DBT:  projec7ons  vs.  tomographic  planes  

proj #2 proj #3 proj #4 proj #5

proj #6 proj #7 proj #8 proj #9 proj #10

proj #11 proj #12 proj #13 proj #14 proj #15

© V

enet

o In

stitu

te o

f Onc

olog

y, P

adua

, Ita

ly

proj #1

RECONSTRUCTION  ALGORITHM  

IN-­‐FOCUS  PLANE  

IN-­‐FOCUS  PLANE  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

ü  DBT   «slices»   have   no   thickness,   they   are  planes  

ü  The  value  reported  as  «slice  thickness»  (typ.  0.5-­‐1.0  mm)  is  the  sampling  interval  

ü  Breast  volume  reconstruc7on  possible  only  in  the  direc7on  of  breast  compression  

Med. Phys. 2004, 3:2636-2647

“DIRECT”  ALGORITHM  •   back-­‐projec7on  (BP)      •   filtered  back-­‐projec7on  (FBP)    

ITERATIVE  ALGORITHMS  •   Algebraic  methods:          -­‐  Algebraic  Reconstruc7on  Technique  (ART)            -­‐  Simultaneous  Algebraic  Reconstruc7on  Technique  (SART)          -­‐  Simultaneous  Itera7ve  Reconstruc7on  Technique  (SIRT)  

•   Sta7s7cal  methods:        -­‐  Maximum  Likelihood  (ML)  

TOMOSYNTHESIS   ACQUISITION   GEOMETRY   IS   LIMITED   FOR   THE   FOLLOWING  RECONSTRUCTION:  •  LIMITED  NUMBER  OF  PROJECTIONS  •  LOW  DOE  PROJECTIONS  •  LIMITED  ANGULAR  RANGE    

Reconstruc7on  algorithms  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

FBP   SART  

DBT:  strengths  

ü  TOMOSYNTHESIS   IS   VERY   EFFECTIVE   IN   DEPICTION   OF   ARCHITECTURAL   DISTORSIONS  AND  SPICULATED  MASSES  

ü  FALSE  POSITIVES  FROM  SCARS  /  PREVIOUS  BIOPSIES  …  

ü  VERY  GOOD  FOR  MASSES  ü  ALLOWS   SEPARATION   OF   MASSES   IN-­‐FOCUS   IN   DIFFERENT  

PLANES  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

© Veneto Institute of Oncology, Padua, Italy

DBT:  poten7al  weaknesses  ü  MICROCALCIFICATIONS   ARE   DISTRIBUTED   IN   DIFFERENT   PLANES   AND   CAN   LOOSE  

CLUSTER  APPARENCE  ü  THEY  LOOK  LIKE  «BRIGHTER»  THAN  IN  STANDARD  MAMMOGRAPHY,  AND  THIS  MIGHT  

INDUCE   THE   READERS   TO   UNDERESTIMATE   THE   PROBABILITY   OF   MALIGNANCY,  CALCIFICATION  DENSITY  BEING  USUALLY  ASSOCIATED  TO  BENIGN  LESIONS  

G  Gennaro  et  al  (20113),  Eur  Radiol  DOI  10.1007/s00330-­‐013-­‐2831-­‐0    

«Clarity»  

ML  Spangler  et  al  (2011),  AJR  196:320-­‐324  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Slab  computa7on  •   Slabs  :          -­‐  combine  informa7on  spread  on  several  consecu7ve  slices  (microcalcs)  

   -­‐  overlap  (half  thickness):  reduce  risk  of  lesions  spread  on  two  consecu7ve  slabs      -­‐  reduced  dataset  (12  images  as  an  average  to  scroll  the  en7re  volume)  

Courtesy  of  Sylvain  Bernard,  GEH  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

thickness

overlap

z

MX  

DBT:  slab  MX  MLO  

© Veneto Institute of O

ncology, Padua, Italy

Clinical  results  

ü Many  published  results  have  been  obtained  by  prototype  devices  

ü  (SOME  «PREFERENCE»  STUDIES)  ü MOSTLY  RETROSPECTIVE  STUDIES  ü  FIRST  RESULTS  FROM  PROSPECTIVE  STUDIES  

CARE   NECESSARY   TO   COMPARE   CLINICAL   STUDIES   WITH   DIFFERENT  DESIGNS  (IS  WRONG  TO  CONSIDER  ONLY  CONCLUSIONS)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

ü  Images   obtained   with   the   two   compared   modali7es,   separately   evaluated,  taking   all   the   ac7ons   to   limit   possible   biases   reduc7on;   usually,   readers   are  asked  to  localize  features  and  rate  them  according  to  given  scales.    

 ü  Typical  scales:  probability  of  malignancy  or  BI-­‐RADS  score  (5-­‐7  steps)                ü  Truth   is  established   from  histology   (in  case  of   surgery  or  biopsy)  and/or   long-­‐

term  follow-­‐up  (at  least  1  y)  

ü  Radiologists   ra7ngs   are   compared   with   the   truth,   and   differences   between  clinical  performance  variables  (Se,  Sp,  PPV,  PNV,  ROC,  AUC,  FROC,  etc)  for  each  modality  analyzed  

FN / TN FP / TP

1   2   3   4A   4B   4C   5  

BI-RADS scale

Clinical  performance  studies  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

(1/2)  

1°  author/journal   Popula@on   Readers   Comparison   Results  Andersson  et  al  /  Eur  Radiol  2008   36  cases  (40  K)   2   DBTMLO  vs.  MX   Cancer  visibility  superior  with  

DBT  

Gur  et  al  /  AJR  2009   125cases  (35  K)   8   DBT  +  MX  vs.  MX   30%  reduc7on  recall  rate  

Spangler  et  al  /  AJR  2012   100  cases  (20  K)   5   DBT  vs.  MX   Calcs:  slightly  bePer  detec7on  with  DBT  

Teerstra  et  al  /  Eur  Radiol  2010    

513  cases  (112  K)   1   DBT  vs.  MX    

ü Same  Se:  92.9%  ü Sp:  MX  =    86.1%;  DBT  =  84.4%  

Gennaro  et  al  /  Eur  Radiol  2010   376  cases  (63  K)   6   DBTMLO  vs.  MX   AUC:  DBT  non-­‐inferiority  

Gur  et  al  /  AJR  2011   125  cases  (35  K)   8   DBT  +  MX  vs.  MX   DBT  +  MX  superior  in  lesion  detec7on  

Wallis  et  al  /  Radiology  2012   130  cases  (40  K)   10   DBTMLO  vs.  MX  DBT  vs.  MX  

ü DBT  non-­‐inferiority  ü DBT  superiority  

Svahn  et  al  /  BJR  2012   185  cases  (95  K)   5   DBTMLO  vs.  MX   DBT  bePer  performance  (JAFROC)  

Rafferty  et  al  /  Radiology  2012   312  cases  (48  K)  312  cases  (51  K)  

12  15  

DBT  +  MX  vs.  MX   DBT+MX  >  accuracy  (AUC)  DBT+MX  <  recall  rate  

Zuley  et  al  /  Radiology  2012   217  cases  (72  K)    

8   DBT+MX  vs.  MX  +  extra  views  

Superiority  DBT+MX  

Gennaro  et  al  /  Eur  Radiol  2013   469  cases  (68  K)    

6   DBTMLO  +  MXCC  vs.  MX  per-­‐breast  

DBTMLO  +  MXCC  non-­‐inferiority  Superiority  for  Sp  benign  

Gennaro  et  al  /  Eur  Radiol  2013   463  cases  (77  K)    

6   DBTMLO  +  MXCC  vs.  MX  per-­‐lesion  

Superiority  lesion  detec7on  and  characteriza7on  

Clinical  performance  studies  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

(2/2)  

Prospec7ve  trials  Oslo  trial  

•  17,960  women  •  2-­‐view  DBT  +  2-­‐view  MX  vs.  2-­‐view  MX    

Malmo  trial  

ü  higher  detec@on  rate  (27%  increase)  ü  lower  recall  rate  (15%)  ü  Higher  detec@on  invasive  cancers  (40%)  

•  15,000women  •  1-­‐view  DBT  +  2-­‐view  MX  vs.  2-­‐view  MX    

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

•  7292women  •  2-­‐view  DBT  +  2-­‐view  MX  vs.  2-­‐view  MX    

ü  higher  detec@on  rate  ü  lower  recall  rate  

•  7000  women  •  2-­‐view  DBT  vs.  2-­‐view  MX  in  screening  recalled  cases    

STORM  trial  (Italy)   Lancet  Oncol  2013:14  

TOMMY  trial  (UK)  

ü  Clinical  trial  are  7me  consuming  and  complex,  and  it  is  forbidden  to  change  the  study  design  while  it  is  going  on.  

ü  This   is   the   major   reason   why   trial   designs   are   «conserva7ve»   (in   par7cular,  prospec7ve  studies).  

ü  Radiologists  are  not  «trauma7zed»  from  DBT  evalua7on,  images  being  very  similar  to  mammography   images;   however,   it   might   be   necessary   some   7me   to   learn   (for  example  to  properly  interpret  some  DBT  features)  

ü  While   DBT   is   allowed   to   be   used   together   with   mammography,   some   risks   of  «misuse»  exist.  

Will  tomosynthesis  replace  mammography  ?  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

ü  Which   protocol   ?   DBT   alone?   How   many   projec7ons   (CC/MLO/both)?  DBT  combined  with  mammography?  Which  combina7on  ?  

ü  How  evalua7ng  DBT  ?  Plane-­‐by-­‐plane  ?  Cine-­‐loop  ?  Headache?  ü  Review  7me:  is  it  «compa7ble»  with  the  screening  workflow  in  real  

life    ?  ü  Is  DBT  sufficient  for  dense  breasts  or  do  we  s7ll  need  ultrasound  ?  ü  Cost-­‐effec7veness  MX+DBT  vs.  MX+US  ü  Layout   to   compare   possible   combined   protocols   with   prior  

examina7ons.  ü  Image  storage  (1-­‐3  GB  vs.  200  MB  per  pa7ent)  and  retrieving  from  

PACS.  

Open  ques7ons  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

1.  DBT   is   a   quasi-­‐3D   technique   which   reconstructs   breast  volume   star7ng   from   a   limited   number   of   low-­‐dose  projec7on  within  a  small  angle.  Differences  across  systems.  

2.  Strong   with   masses   and   architectural   distorsions,   s7ll  ques7ons  on  detec7on  of  microcalcs  (CAD?)  

3.  Several   retrospec7ve   studies,   different   in   designs   and  popula7ons:   combina7on  of  DBT  with  MX   improves  clinical  performance  (different  combined  protocols).  

4.  Screening  perspec7ve  studies:  significant   increase   in  cancer  detec7on  rate  and  decrease  in  recall  rate.  

5.  Some  ques7ons  s7ll  open  

Take  home  messages  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Outline  

1.  Digital  breast  tomosynthesis  (DBT)  

2.  (Contrast-­‐enhanced)  spectral  mammography  

3.  Quan7ta7ve  breast  density  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Limita7on  of  standard  mammography  

Breast  is  3D  

X-­‐rays  (invisible)  

TransmiPed  X-­‐ray  image  (invisible)  

DETECTOR  

MAMMOGRAM  (visible)  

Signal  propor7onal  to  X-­‐ray  photon  intensity/number  

Mammography  image  is  2D  

X-­‐rays  (invisible)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Subtrac7on  techniques  in  mammography  

DIGITAL  RADIOGRAPHY  

ENERGY  DEPTH  

TIME   SPACE  

ü  TO  ENHANCE  CONTRAST  OF  FINDINGS  

ü  TO  INCREASE  LESION  CONSPICUITY  

temporal  subtracIon  (angiography,  breast)  

3D  techniques  (CT,  tomosynthesis)  

phase  contrast  

Combina9on  of  two  images/sets  of  images  obtained  with  different  spectra  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Figure   2.   Temporal   contrast-­‐enhanced   mammography  images.   (a)   shows   a   craniocaudal   digi7zed   screen-­‐film  mammogram   obtained   in   a   pa7ent   with   infiltra7ng  ductal   carcinoma.   (b)   shows   a   craniocaudal   contrast-­‐enhanced   digital   subtrac7on   image   obtained   1   minute  a�er  the  start  of  contrast  medium  injec7on  and  shows  a  small   nodule  with   rim  enhancement  of   the   en7re  mass  (arrow).   (c)   shows   subtrac7on   image   obtained   10  minutes   a�er   start   of   contrast   medium   injec7on   and  shows   washout   of   contrast   medium.   Note   that   only   a  single  breast  can  be  obtained  in  one  view  and  that  in  this  specific  case,  the  breast  needed  to  be  compressed  for  10  minutes.   Images   used   with   permission   (Jong   et   al.,  Radiology  2003;  228:  pages  842-­‐850).  

Temporal  subtrac7on  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Lobbes  et  al.,  Clin  Radiol  68:935  (2013)  

Dual-­‐energy  techniques  ü  TWO   IMAGES   ARE   OBTAINED   USING   TWO   DIFFERENT   SPECTRA,   WELL  

SEPARATED   IN   ENERGY,   USUALLY   INDICATED   WITH   «LOW   ENERGY»   AND  «HIGH   ENERGY».   FOR   THIS   REASON,   DUAL   ENERGY   IMAGING   IS   OFTEN  REPORTED  AS  «SPECTRAL  IMAGING».  

ü  HYBRID  IMAGES  (ARE  PRODUCED  BY  NON-­‐LINEAR  COMBINATION  OF  THE  LOW-­‐  AND  THE  HIGH-­‐ENERGY  IMAGES  

DUAL  ENERGY  TECHNIQUES  ARE  USED:  •  IN  COMPUTED  TOMOGRAPHY  (DECT)  •  IN  DIGITAL  RADIOGRAPHY  (chest,  musculoskeletal,  etc)  •  TO  DIFFERENTIATE  MATERIALS  LIKE  IN  DENSITOMETRY  (DEXA,  dual-­‐energy  x-­‐ray  

absorp7on)  •  IN  DIGITAL  MAMMOGRAPHY  

CONTRAST  MEDIA  ARE  USED  IN  DUAL  ENERGY  MAMMOGRAPHY  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Contrast-­‐enhanced  spectral  mammography  

∼ 20s

ü  Mo  or  Rh  target  ü  Mo  or  Rh  filter  ü  26-­‐31  kVp  

ü  Mo  target  ü  0.3  mm  Cu  +  0.3  mm  Al  ü  45-­‐49  kVp  

Iodine  injec@on  

LOW-­‐ENERGY  (below  iodine  k-­‐edge)  

HIGH-­‐ENERGY  (above  iodine  k-­‐edge)  

RADIATION  DOSE:  Low+High  energy  images:  ~20%  extra  dose  than  a  standard  mammogram  

DUAL-­‐ENERGY    SUBTRACTION  IMAGE  

Iodinated  CM:  same  dose  as  used  in  CT  (1.5  ml/kg)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Dromain  et  al.,  Eur  J  Radiol  69:34  (2009)  

(1/3)  

Lobbes  et  al.,  Clin  Radiol  68:935  (2013)  

ArvaniIs  et  al.,  PMB  54:6041  (2009)  

TWO  SPECTRA,  SEPARATED  IN  ENERGY  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Iodine  k-­‐edge  

Contrast-­‐enhanced  spectral  mammography  

(2/3)  

Low-­‐energy  image:  equivalent  to  standard  mammogram  

Subtracted  image  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Contrast-­‐enhanced  spectral  mammography  

(3/3)  

Spectral  mammography  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Clinical  results  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

110  cases  (148  lesions)  6  readers  CESM+MX+US  vs.  MX+US  

52  pa7ents    Known  cancer  Pre-­‐surgical  CESM  vs.  MRI  

1.  Subtrac7on   techniques   can   be   applied   to   mammography,  either   temporal   or   dual-­‐energy   subtrac7on.   DE   currently  preferred.  

2.  With  contrast  media  (typ.  Iodine)  3.  Promising  as  «problem  solver»  for  cases  referred  to  breast  

MRI.  Faster  and  easier  than  MRI.  

Take  home  messages  

Outline  

1.  Digital  breast  tomosynthesis  (DBT)  

2.  (Contrast-­‐enhanced)  spectral  mammography  

3.  Quan7ta7ve  breast  density  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

What  breast  density  is  

PC  Johns,  MJ  Yaffe,  «X-­‐ray  characterizaIon  of  normal  and  neoplasIc  breast  Issue»,  Phys  Med  Biol  1987,  32:675-­‐695  

fat  

fibroglandular  7ssue  

Fat  has  lower  aPenua7on  coefficient  than  fibroglandular  7ssue,  which  means  it  is  more  transparent  to  X-­‐rays.  Usually,   in  mammography   images,   fat   is   dark,   while   fibroglandular   7ssue   is   brighter.   The   denser   the  breast,  the  larger  the  bright  parts  in  the  image.  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Why  «measuring  breast  density  ?  

fat  

fibroglandular  7ssue  

1   To  «officially  state»  poten7al  difficults  in  diagnosis  (radiologists   are   well   aware   about   differences   in   lesion   detectability   depending   on  breast  paPern/density)  

2   To  «quan7fy»  a  risk  factor    

«…substan7al   literature   shows   that   more  extensive   density   is   associated   with   an  increased   risk   of   breast   cancer.  Women   with  dense  7ssue  in  75%  or  more  of  the  breast  have  a  risk  of  breast  cancer  4-­‐6  7mes  as  great  as  the  risk   among   women   with   liPle   or   no   dense  7ssue.»  

ALL   PUBLISHED   PAPERS   ON   BREAST   DENSITY,   QUOTE   THE  SENTENCE   «WOMEN   WITH   DENSE   BREASTS   HAVE   A   CANCER  RISK   INCREASED   BY   4-­‐6   TIMES   COMPARED   TO  WOMEN  WITH  FATTY  BREASTS»  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

fat  

fibroglandular  7ssue  

Breast  density  and  risk  factors  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Nature  2012,  vol  490  

Human-­‐based  evalua7on  of  breast  density  

Wolfe’s  Classifica@on  (1976)  

N1  (N=normal)  

the  breast  consists  mainly  of  fat,  lower  risk  for  breast  cancer  

P1  (P=prominent  ducts)  

 this  paPern  includes  fat  as  well  as  linear  densi7es  (enlarged  ducts)  occupying  no  more  than  25%  of  the  breast  

P2   linear  densi7es  (from  enlarged  ducts)  occupying  more  than  25%  of  the  breast.  They  are  prominently  in  the  upper  outer  quadrant  but  may  be  distributed  throughout  the  breast    

Dy  (Dy=dysplasia)  

dense,  radiopaque  breast,  highest  risk  for  breast  cancer  

Categoria   Boyd  (1980)   Tabar  (1997)   ACR  BIRADS  

1   A:  0%   I  :  balanced  propor7on  of  all  components  of  breast  7ssue  with  a  slight  predominance  of  fibrous  7ssue  

Type  1:  extremely  fat  

2   B:  1-­‐10%   II  :  predominance  of  fat  7ssue   Type  2:  minimal  density  

3   C:  11-­‐25%   III  :  predominance  of  fat  7ssue  with  retroareolar  residual  fibrous  7ssue  

Type  3:  heterogeneous  density  

4   D:  26-­‐50%   IV  :  predominantly  nodular  densi7es   Type  4:  extremely  dense  

5   E:  51-­‐75%   V  :  predominantly  fibrous  7ssue   /  

6   F:  >75%   /   /  

ü  4-­‐6  categories  ü  Defined  by  «descrip@ons»  ü  Auempt   to   quan@fy   «at   a  

glance»   the   «black   and  white»  percentages  in  the  image  

*  

*   FILM   MAMMOGRAMS   IN   THE   70s-­‐80s   LOOKED   MUCH   DIFFERENT   THAN   THE   CURRENT   IMAGES   IN   TERMS   OF  CONTRAST    

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

BIRADS  classifica7on  of  breast  density  

ALMOST  ENTIRELY  FATTY  

SCATTERED  FIBROGLANDULAR  

HETEROGENEOUSLY  DENSE  

>  75%  <  25%   25-­‐50%   50-­‐75%  

EXTREMELY  DENSE  

ü  Categorical  scales  (descrip7ve)  can  be  subjec7vely  interpreted  ü  Some  breast  paPerns  are  border  line  between  two  adjacent  categories  (1/2,  2/3,  3/4)  

ü  APempt  (unsuccessful)  to  «quan7fy»  the  percentage  of  glandular  component  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Padua,  IOV  Ø  2103  cases,  6  radiologists  Ø  Moderate  agreement  (k=0.56)  

Kappa  value   Agreement  

<  0.2   Poor  

0.21  –  0.40   Fair  

0.41  –  0.60   Moderate  

0.61  –  0.80   Strong  

>  0.80   Near  complete  

0

200

400

600

800

1000

Obs 6

Obs 5

Obs 4

Obs 3

Obs 2

Obs 1 BIRADS 1 BIRADS 2 BIRADS 3 BIRADS 4

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Inter-­‐reader  variability  

Breast  density  can  be  quan7fied  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Methods  based  on  area  

JW  Bing  et  al.  (1998),  Analysis  of  mammographic  density  and  breast  cancer  risk  from  digiIzed  mammograms,  Radiographics  18:1587  

L-­‐JW   Lu   et   al.   (2007),   CompuIng   mammographic   density   from   a  mulIple   regression   model   constructed   with   image   acquisiIon  parameters   from  a   full-­‐field   digital  mammographic   unit,   Phys  Med  Biol  52:4905  

ü  Algorithms:  segmenta7on/texture/fractals,  automa7c  or  semi-­‐automa7c  ü  PD  =  «dense»  area/breast  area  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

The  myth  of  the  50/50  breast  

Med  Phys  2009,  vol  36  

MEAN  BREAST  DENSITY:  13.7  %  -­‐  25.6  %  80%  WOMEN:  <  27%  GLANDULAR  95%  WOMEN:  <  45  %  GLANDULAR  

«(based  on  the  results  obtained  in  our  study),  THE  “50-­‐50”  BREAST  IS  NOT  A  REPRESENTATIVE  MODEL  OF  THE  BREAST  COMPOSITION»  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Volumetric  methods  

Ø  VBD  is  the  ra7o  between  the  fibroglandular  volume  and  the  breast  volume  

Ø  From  a  physical  model  of  the  mammography  system  (X-­‐ray  source,  detector,   scaPering,  beam  hardening),  aPenua7on  is  calculated  pixel-­‐by-­‐pixel  

Ø  For  each  pixel,   thicknesses  of  glandular  7ssue  and  fat    are  computed  

Ø  For  processing  images  required  Ø  Volpara   (Matakina),   Quantra   (Hologic),   Cumulus   V  

(University  of  Toronto)  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

VBD:  results  

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800

1000 1200 1400

VBD (%)

per-image

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

VBD (%) ü  The  scale  is  clearly  not  [0-­‐100%]  ü  Breast  density  is  below  50%  (min  1.47%  -­‐  max  47.2%)  ü  Breast  density  is  below  30%  in  97.9%  of  cases  ü  Mean:12.4%  ü  Median:  10.5%  

8433  immagini  

PADUA,  IOV  •  Volpara  1.4.3  •  Images  from    GE  DS,  GE  Essen@al,  IMS  Giouo  Image  3DL  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

VB

D (%

)

breast thickness (mm)

VBD:  results  PADUA,  IOV  •  Volpara  1.4.3  •  Images  from    GE  DS,  GE  Essen@al,  IMS  Giouo  Image  3DL  

20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

mea

n V

BD

per

-pat

ient

(%)

Age (y)

Thicker  breasts  can  be  less  dense   Breast  density  tends  to  decreasewith  pa7ent  age  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

What  is  going  on  ?...  

Enacted  law  

Introduced  Bill  

Working  on  Bill  

No  ac@on  

Insurance  coverage  law  

HEALTH  JOURNAL  August  6,  2012,  7:05  p.m.  ET  The  Latest  Mammogram  Controversy:  Density    Many  Women  Aren't  Told  Their  Breast  Type  May  Cloud  Cancer  Screening;  More  States  Consider  No@fica@on  

Wall  Street  Journal  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

hPp://areyoudenseadvocacy.org/dense/  

1.  Breast   density   is   associated   to   mammography   sensi7vity  (lesion  detec7on)  and  to  addi7onal  cancer  risk.  

2.  Can  be  evaluated  by  human  readers  (subjec7vity)  3.  Can  be  quan7fied  by  digital  mammography  (percentage  of  

glandular  components,  either  area  or  volume  based).  4.  In  the  U.S.  quan7fica7on  of  breast  density  is  becoming  

mandatory  by  law.  5.  APempt  to  define  a  threshold  to  have  addi7onal  imaging  

(for  example  US)  in  screening.  

Take  home  messages  

G.  Gennaro  –  Lisbon  -­‐  Sep  20,  2013  

Thank  you  !  

[email protected]