Sayısal Meme Tomosentezi Görüntülemenin Toplam Değişinti Minimizasyonu Kullanarak Sıkıştırılmış Algılama Yöntemleri Temelli Benzetimi, Değerlendirmesi Ve Çalışması

thumbnail.default.alt
Tarih
2014-02-06
Yazarlar
Seyyedi, Saeed
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Tomosentez sistemi X-ışınları kullanılarak 3 boyutlu anatominin görüntülenebilmesi amacı ile geliştirilmiş olup modern bilgisayarlı tomografi cihazlarının öncüsü olmuştur. Görüntülenmesi istenen bir dilimin etrafında eş-odaklı döndürülen X-ışın kaynağı ve algılayıcısı sayesinde bir dilime odaklanmak mümkün oluyordu. Fakat birden fazla dilimin görüntülenmesi için döndürme işleminin değişik odaklar için tekrarlanması gerekmekteydi. Bu işlem hastaların yüksek doza maruz kalmasına sebep olup odak dışında kalan dilimlerin oluşturduğu bulanıklar görüntü kalitesini düşürmekteydi. Bu sorunlar dolayısıyla uzunca zaman üzerinde çalışmalar yapılmayan tomosentez yöntemi, sayısal X-ışın algılayıcı teknolojisinin gelişmesi, bilgisayar hesaplama kapasitesindeki artış ve geri çatma yöntemlerindeki gelişmeler sonucu yeniden kullanılmaya başlanmıştır. Tomosentez yönteminin öncelikli kullanım alanının meme kanserlerinin erken teşhisi olacağı düşünülmektedir. Günümüzde kullanılan mamografi cihazı yoğun fibroglandular dokular tarafından çevrelenmiş kitlelerin tespitinde başarılı olamamaktadır. X-ışın kaynağının değişik açılardan birden fazla görüntünün alması ile memenin değişik derinlikteki dilimlerinin ayrı ayrı görüntülenmesi mümkün olabilmektedir. Böylece normal olmayan kitlelerin başka dokular tarafından örtülmesi engellenmiş olmaktadır. Sayısal meme tomosentezi dar bir açı aralığında dönen X-ışını kaynağı ile elde edilen iki boyutlu projeksiyonlar kullanılarak memenin üç boyutlu görüntülenmesine olanak sağlar. Sayısal meme tomosentezi görüntülemede kaydedilen projeksiyonlardan görüntü geri çatımı için çeşitli görüntü işleme algoritmaları mevcuttur. Filtrelenmiş geri projeksiyon algoritması, projeksiyonlardan görüntü elde etmek için kullanılan geleneksel bir geri çatma tekniğidir. Ancak dar açıdan alınan projeksiyonların geri çatımında verdiği sonuçlar tatmin edici değildir. Yinelemeli görüntü işleme algoritmalarından, cebirsel geri çatma tekniği ya da eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniği sonradan geliştirilmiştir. Cebirsel geri çatma tekniğinde görüntü uzayında verilen zayıflatma değerlerinin ileri izdüşüm formülü ile izdüşüm değerleri hesaplanır. Daha sonra her bir ışın için izdüşüm hatası olarak adlandırılan hesaplanan izdüşümler ile ölçülen izdüşümler arasındaki fark hesaplanır. İzdüşüm hatası geri-izdüşüm yöntemi ile görüntü değerlerine eklenir. Sistemdeki tüm ışınların üzerinden bir kere geçildiği zaman bir yineleme tamamlanmış olur. Yineleme önceden belirlenmiş bir kriter (örneğin izdüşüm hatasının belli bir değerin altına düşmesi gibi) sağlanana kadar devam eder. Yinelemeler sırasında görüntü değerlerinin ışın bazında güncellemesinden dolayı cebirsel geri çatma tekniği yönteminin çok hızlı yakınsadığı bilinmektedir. Fakat yakınsadığı görüntülerin oldukça gürültülü olduğu gözlenmektedir. Eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniğinde görüntü değerlerinin bir açıdan toplanan tüm izdüşümler değerlendirildikten sonra değiştirilmesi düşünülmüştür. Yani izdüşüm hatasının tek bir ışın için değil, detektörün bir açıda topladığı tüm ışınlar için aynı anda hesaplanır. Bu yöntemde her açıda oluşan izdüşüm hataları aynı anda geri izdüşüme tabi tutularak görüntü değerleri güncellenmektedir. Bu yöntemin cebirsel geri çatma tekniği yöntemine göre daha yavaş yakınsamasına rağmen daha az gürültülü görüntüler oluşturduğu belirlenmiştir. Tomosentez görüntülemede en önemli problem olan odak dışı bulanıklığın nedeni doz miktarındaki sınırlamadan ve görüntüleme sisteminin yapısından kaynaklanan yeterli sayıda izdüşüm alınamamasıdır. Tomosentez görüntülemede geri-çatma eksik belirtili bir problem olduğu için sistemin sonsuz sayıda çözümü vardır. Bu noktada sıkıştırılmış algılama yöntemi görüntü üzerinde bazı kabullerde bulunarak olası çözümlerden kısıtlarına en uygun olanı seçmeye çalışır. Bu çalışmada gerçeklenen ve geliştirilen yöntemlerin kıyaslanmasında kullanılmak üzere sayısal meme görüntülemesinde odak dışı dilim bulanıklığı ve gerçek memelerde ki fibro-glandular doku benzetimlerini göz önünde bulunduracak şekilde üç boyutlu bir meme fantomu tasarlandı. Çalışmada ışın izleme algoritması olarak Siddon yöntemi kullanılmıştır. İz düşümlerden imgenin geri çatılmasında karşılaşılan problemlerden biri de x-ışını kaynağından çıkan ışının detektöre ulaşıncaya kadar nesne içerisinde hangi voksellerden geçtiğinin tespit edilmesidir. Bilgisayarlı Tomografi, MRI ve PET cihazlarında da aynı durum söz konusudur. Radyolojik yol boyunca doku içinden ışının geçtiği her bir vokselin tespiti basit değil, ayrıca zaman alıcı bir işlemdir. Bu iş için önerilen en iyi yöntemlerden biri de Siddon tarafından geliştirilmiştir. Bu yöntem nesnenin voksellerden teşekkül değil de, birbirine dik eşit aralıklı düzlemlerin kesişimi olan birim hacimlerden oluştuğu kabulüne dayanmaktadır. Bu çalışmada üç boyutlu geri çatma yöntemlerinden cebirsel geri çatma tekniği ve eş zamanlı cebirsel geri çatma tekniği gerçeklenmiştir. Ayrıca bu yöntemler sıkıştırılmış algılama tabanlı üç boyutlu toplam değişinti minimizasyonu ile birlikte gerçeklenerek farklı kriterler ve senaryolar göz önünde bulundurularak karşılaştırılmıştır. Farklı yöntemlerin başarımları, kök ortalama kare hatası, kontrast gürültü oranı ve ortalama yapısal benzerlik değerleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca ilgilendiğimiz dilimin geri çatılan görüntüsü de farklı yöntemlerin öznel karşılaştırılmasında kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiği zaman sıkıştırılmış algılama tabanlı yöntemlerin yinelemeli cebirsel yöntemlere üstünlük sağladığı görülmüştür. Bu çalışmada gerçeklenen cebirsel yöntemlerin yakınsama eğrileri bir birine yakındır. Toplam değişintiyi minimize edecek şekilde geliştirilen sıkıştırılmış algılama tabanlı yöntemler daha hızlı yakınsayarak odak dışı dilim bulanıklığını azaltmada daha başarılı olmuşlardır. Geliştirilen ve gerçeklenen farklı yinelemeli ve sıkıştırılmış algılama tabanlı görüntü işleme yöntemlerini üç boyutlu sayısal tomosentez veri setleri ve fantom modelleri üzerinde uygulanmasına olanak verebilmektedir. C++ programlama dili kullanılarak nesne tabanlı üç boyutlu sayısal meme tomosentez görüntüleme sistemi geliştirildi. Simülatör, kullanıcı dostu bir ara-yüz ile istenen fantom modeli ya da gerçek veri setlerinde kullanılacak yöntemin seçilmesi ve çalıştırılmasına olanak vermektedir. Simülatör, X-ışın kaynağı, detektör, nesne sınıflarını ve kullanıcıdan verileri almak, kaydetmek, çıkış görüntülerini göstermek için arayüz sınıflarını içermektedir. Simulasyon, konfigürasyon, izdüşüm ve geriçatma olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Ayrıca bu çalışmada, sayısal meme tomosentezi parametrelerinin geri çatılan görüntü kalitesi üzerine etkileri de incelenmiştir. Farklı tarama açı aralıkları ve farklı projeksiyon sayıları için yinelenen simülasyon sonuçları karşılaştırılarak değişen parametrelerin etkileri araştırılmıştır.
Breast cancer is one of the most commonly diagnosed types of cancer among the women in the world. It is proved that diagnosis of this type of cancer in its early stages makes the treatment simpler and more likely to be effective. Different imaging modalities have been used to diagnose this type of cancer in its earlier stages to increase the chance of treatment. Traditionally breast mammography imaging modality was in use to diagnose the breast cancer cells. Mammography imaging modality provides two-dimensional images from the three-dimensional breast from a single angle of view at each time. This modality suffers from the tissue overlapping problem occurs during the imaging process which causes false-negative results due to the existence of fibroglandular tissues with higher absorption value in the upper layers of the breast. Digital breast tomosynthesis mammography (DBT) is a promising new modality for breast cancer detection. In DBT, projection-view images are acquired at a limited number of angles over a limited angular range and the imaged volume is reconstructed from the two-dimensional projections, thus providing three-dimensional structural information of the breast tissue. DBT system consists of three main parts which are X-ray tube, detector and breast. The X-ray tube rotates in an angular range and exposures X-rays between certain intervals yields in acquiring a set of two-dimensional projection images that are used in the task of reconstruction. DBT system simulation includes two main parts: ray-tracing and reconstruction parts. Several ray-tracing methods have been used to simulate the projection task of the DBT system. In this study we get use from Siddon’s ray-tracing algorithm. Siddon’s algorithm gives a set of radiological pathes inclding the information of intersected voxels with the length of intersections and projection values. Various reconstruction algorithms are available for DBT imaging. Filtered back projection (FBP) algorithm has traditionally been used to reconstruct images from projections. But, It is well-known that traditional FBP method produces significant artifacts when applied to limited-angle data. Despite of the high computational cost and long reconstruction time of the iterative reconstruction methods, they are supposed to be an appropriate category of reconstruction techniques for limited angle modalities because of the useful image reconstruction from sparse and noisy data. Therefore Iterative reconstruction algorithms such as algebraic reconstruction technique (ART) and simultaneous algebraic reconstruction technique (SART) have been in use for DBT system. The newly developed compressive sampling/compressed sensing (CS) algorithm has shown the potential to accurately reconstruct images from highly undersampled data. Compressed sensing based techniques are numerically implemented using ART and total variation (TV) minimization method. In order to make a comparison among the methods mentioned above, we designed a standard three-dimensional phantom that mimics the overlapping tissue problem of the breast imaging. The results of simulating using the designed phantom in our study, show an impressive improvement in the quality of reconstructed images with CS methods comparing to iterative techniques without TV minimization. We have also developed an object-oriented simulator for three-dimensional DBT imaging modality using C++ programming language. The simulator is designed in three main parts which are configuration part to insert the details of the DBT system manually or automatically from an XML file, projection part to edit the phantom model and to run the ray tracing algorithms and displaying the projection images and finally the reconstruction part which gives the possiblity of defining an initial phantom to start running a set of three-dimensional image reconstruction methods and displaying of the results of the reconstruction task. The simulator is capable of running the iterative and CS base methods using TV minimization technique. It is also possible to design a desired three-dimensional phantom with a set of arbitrary details and smaller objects into it to mimic the characteristics of the real volumes. A user friendly graphical user interface helps users to easily insert the data, select and run the desired methods on the designed phantom models and real data sets. In the next Chapter of this study, we investigate the effect of different acquisition parameters such as total angular range and the number of projection views on the quality of reconstructed image in DBT system. The motivation of this study is the lack of existence of any gold standard for DBT systems. Unlike the previous studies, we focus on the parameters of the available DBT systems in the market to find out the best composition of the acquisition parameters for DBT system. We choose five different sets of acquisition parameters and make a comparison among them to find the best set of parameters in terms of root mean square error (RMSE) to exhibit the convergence of each method and mean of structural similarity index (MSSIM) in order to show the visual quality of the reconstructed images using the standard phantom developed for this study.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014
Anahtar kelimeler
sayısal meme tomosentez, geri çatma, sıkıştırılmış algılama, toplam değişinti, digital breast tomosynthesis imaging, algebraic reconstruction techniques, compressed sensing, total variation
Alıntı