Development of a marker-free tomographic imaging system for mammography

Abstract

Breast cancer is the most commonly diagnosed type of cancer and responsible for most cancer deaths in women worldwide. Early signs of breast cancer can be detected with radiographic equipment. Tomography is a three-dimensional imaging technique used in radiography. Tomographic 3D model reconstruction based on projection images relies on knowledge of the radiation source focal point location. A method for focal point location acquisition is using coordinate reference points visible in each projection image. Although a very accurate method, due to high manufacturing costs of the required component and multiple diagnostic and manufacturing drawbacks involved, a technique without use of reference markers is desired.

The aim of this thesis was to describe development of a marker-free technology to calculate the focal point location in a mammographic imaging device. This technology relies on measuring the tomographic angle directly. As a result of the design change, the current components used in the focal spot calculation could be replaced and their functionality realized in other ways. The development of this new technology involved mechanical and sensory changes to the device and design of tomographic angle measurement components. Additionally, a polyurethane geometric calibration phantom was designed. All components were designed with high manufacturing accuracy requirement to reduce the need for separate validation measurements, and the storage of this measurement data, for individual components. Calculating the focal point location with angle measurement relies on several assumptions regarding device geometry that were not relevant with reference markers. The validity of these assumptions was tested by identifying sources of error and measuring their magnitude. The tomographic angle measurement data itself was also validated with an external measurement method utilizing a laser triangulation sensor.

Measurement results indicate that the mechanical and sensory design described in this thesis is sufficiently accurate in tomographic angle measurement. This angle data can be used in focal spot location calculation and therefore, tomographic imaging. Preliminary comparison between tomographic images taken in both technologies suggests that the quality of images taken by the new design is equal to that of the reference markers. The sources of error identified had magnitudes small enough to not affect tomographic image quality. The new design includes components whose production methods promise high enough accuracy that separate validation measurements are unnecessary. The total manufacture cost of the new design is also significantly lowered compared to the marker technology.

Rintasyöpä on yleisimmin naisilla diagnosoitu syöpä ja aiheuttaa eniten syöpäkuolemia maailmanlaajuisesti. Rintasyövän merkkejä voidaan havaita aikaisessa vaiheessa radiografialaitteilla. Tomografia on radiografiassa käytetty kolmiulotteinen kuvaustekniikka. Tomografinen 3D-mallin rekonstruktio projektiokuvien pohjalta nojaa tietoon säteilylähteen fokuspisteen sijainnista. Yksi keino saada tietoonsa tämä sijainti on käyttämällä referenssimerkkejä, jotka näkyvät jokaisessa projektiokuvassa. Vaikka tämä metodi on hyvin tarkka, sen valmistuskustannukset ovat korkeat ja siihen liittyy useita diagnostisia ja valmistusteknisiä haittapuolia. Siksi tekniikka ilman referenssimerkkien käyttöä on toivottavaa.

Tämän työn tarkoituksena oli kuvata referenssimerkkejä käyttämättömän tekniikan kehitys fokuspisteen sijainnin laskemiseksi mammografisessa kuvauslaitteessa. Tämä tekniikka perustuu tomografisen kulman suoraan mittaukseen. Suunnittelumuutoksen tuloksena nykyiset fokuspisteen sijainnin laskemiseen käytetyt komponentit voitaisiin korvata ja niiden toiminnallisuus toteuttaa toisella tavalla. Uuden tekniikan kehitykseen kuului mekaniikan osien sekä sensoreiden muutoksia laitteeseen sekä tomografisen kulmanmittauksen toteuttavien komponenttien suunnittelu. Lisäksi polyuretaanista valmistettu geometriakalibrointifantomi suunniteltiin. Kaikki osat valmistettiin korkealla tarkkuusvaatimuksella, jotta erillistä mittausta ja tämän mittadatan säilöntää ei tarvitsisi tehdä kullekin komponentille erikseen. Säteilylähteen fokuspisteen sijainnin laskeminen uudella tavalla vaatii laitteen geometriaan liittyviä oletuksia, joita ei referenssimerkkien käytössä tarvita. Näiden oletuksien paikkansapitävyys testattiin tunnistamalla niihin liittyviä virhelähteitä ja mittaamalla näiden virheiden suuruutta. Tomografisen kulmanmittaus validoitiin myös käyttäen erillistä mittausmenetelmää, jossa hyödynnetään laserkolmiomittaria.

Mittausten tulosten perusteella työssä kuvatut mekaniikan ja sensoritekniikan muutokset ovat riittävän tarkkoja tomografisen kulman mittaukseen. Tätä mittadataa voidaan käyttää fokuspisteen sijainnin laskentaan ja siten tomografiseen kuvanmuodostukseen. Alustavat vertailut molemmilla tekniikoilla otettujen tomografisten kuvien välillä esittävät, että uudella tekniikalla otetun kuvan laatu on yhtäläinen referenssimerkkien avulla otettuun kuvaan. Tunnistettujen virhelähteiden suuruudet olivat myös riittävän pieniä, etteivät ne vaikuttaneet tomografisen kuvan laatuun. Uudessa tekniikassa käytettyjen komponenttien tuotantomenetelmät lupaavat riittävän korkeaa tarkkuutta, ettei erillismittausta tarvita. Valmistuskustannukset ovat uudessa suunnitelmassa merkittävästi alemmat.