Introducción
La mamografía digital FFDM es una técnica de imágenes ampliamente utilizada para el screening, detección precoz del cáncer de mama y seguimiento de enfermedades. La tecnología más moderna es la tomosíntesis digital de mama (cuasi 3 D) y se creó para aumentar la sensibilidad y la especificidad de la mamografía convencional [1, 2, 3]. En el mercado existen diferentes maniquíes o maniquíes para la realización de controles de calidad de las imágenes mamográficas. En los últimos años se diseñaron maniquíes antropomórficos de mama para: la realización de tareas específicas de investigación, entrenamiento de médicos y técnicos, control de software de procesamiento de imágenes, calibración de equipos, desarrollo de nuevos métodos de imágenes, mejoras en los controles de compresión/contraste - resolución y optimización de prácticas de adquisición de imágenes [4, 5, 6, 7, 8]. Los mismos debían tener similar: absorción a los rayos X, densidad, dureza e imagen mamográfica, para asegurar reproducir lo mejor posible a una mama real. Revisando la literatura, los maniquíes fueron hechos con diferentes materiales tal como alcohol polivinílico (PVAL), cloruro polivinil (PVC), geles de siliconas, TPU (poliuretano termoplástico), PLA (ácido poliláctico), ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), resinas epoxy con polímeros, entre otros materiales y algunos moldes fueron realizados con impresoras 3D [9, 10, 11]. Diferentes propiedades mecánicas de los materiales fueron estudiadas incluyendo: elasticidad, vioelasticidad, coeficiente de atenuación y densidades [10, 11, 12, 13, 14]. En los países latinoamericanos es muy difícil comprar fantomas debido a su alto costo, por eso se realizan desarrollos propios, específicamente a cada necesidad. Un inconveniente que aparece en el mercado argentino es que no hay tantos materiales disponibles (siliconas, geles y otros) y además de que los costos de estos son elevados.
El presente trabajo es una continuación de otro [15, 16] en el que el objetivo fue diseñar maniquíes de mama que sean compresibles, económicos, reproducibles y fáciles de construir. En estos desarrollos se van cambiando los materiales y porcentajes hasta obtener muestras que cumplan con las condiciones de atenuación en rayos X y densidad requeridas.
Metodología
Caracterización de las energías de rayos x con ánodo y filtro molibdeno-molibdeno
Las mediciones de atenuación de rayos X se realizarán en energías de Molibdeno-Molibdeno (Mo-Mo), para comenzar, porque en el Laboratorio Secundario de Dosimetría de la Comisión de Energía Atómica se dispone de un equipo Ital Structure con tal característica. Para la caracterización de las energías de los rayos X se calcularon las capas hemirreductoras (CHRs) en 22, 25, 28, 30, 32 y 35 kVp en 7 mA. Una cámara de ionización Radcal 6M se colocó a 60 cm del foco centrada en el haz. Láminas de Aluminio de pureza 99.9 % con espesores de 0.2, 0.25, 0.3, 0.4 y 0.5 mm se interpusieron al haz, a una distancia de 30 cm respecto al foco.
La cámara de ionización se unió a un electrómetro Keithley y se utilizó un cronómetro digital para medir el tiempo de colección de las cargas. La configuración de mediciones se muestra en la Figura 1.
Se realizaron 3 mediciones de carga acumulada para cada espesor de las láminas, obteniéndose valores promedios con su dispersión. Se graficaron las cargas colectadas por unidad de tiempo en función de los espesores de las láminas y los puntos experimentales fueron ajustados por una función exponencial, considerando solo el haz primario. Para ello se utilizó la ecuación:
Donde:
son las cargas acumuladas por unidad de tiempo |
|
x |
es el espesor de las láminas (en mm) |
A y B |
son los coeficientes de ajuste |
Se calculó la CHR a partir de los valores de los valores de "A" que corresponden a los coeficientes de atenuación lineal (µ). Se utilizó la siguiente ecuación [10]:
Los valores de CHR obtenidos en este trabajo se compararon con los de bibliografía [17, 18].
También se graficaron dichos valores en función del voltaje y los puntos experimentales fueron ajustados por una función del tipo cuadrática ecuación 3 [19]:
Por último, utilizando los valores de los coeficientes de atenuación másico se realizó una interpolación en la curva de Energía vs dicho coeficiente, obtenida de bibliografía [17, 18] y se obtuvieron los correspondientes valores de energía efectiva.
Caracterización de las muestras
Los materiales utilizados en este trabajo fueron: gel, silicona (Eurochem Starsil Flex Silicona Platino 00-30 y Smooth On Inc. Dragon Skin FX Pro), cuarzo en polvo (mesh 250), microesferas de vidrio (mesh 140 a 270), aceite de silicona Thinner y Wacker (100 y 1000 cps), TPU y PLA. Estos materiales fueron seleccionados por sugerencias de expertos en polímeros y por análisis propio.
Las muestras con aceite de silicona fueron confeccionadas calentándolas a temperatura de 80 grados y usando dispersión obtenida con un agitador magnético, velocidad media. Esto se realizó por 15 minutos hasta que desaparecieron las burbujas. Las siliconas y aceites de siliconas fueron desgasificados con una bomba de vacío. El enfriado en estos casos fue rápido colocando las muestras en un recipiente con agua a 5 °C, aproximadamente.
Las muestras con silicona fueron tratadas de acuerdo con especificaciones de los fabricantes y expertos consultados, también desgasificándolas. Para todos los materiales, se realizaron muestras cilíndricas de 9 cm de radio y altura 5 mm, 7 mm y 11 mm.
Se obtuvieron los coeficientes de atenuación y los valores de las CHRs siguiendo las condiciones y pasos mencionados previamente. Los valores de las CHRs obtenidos para 15 keV fueron comparados con los de la Tabla 1 [20, 21, 22] que corresponden a los valores deseados.
Energía / keV | Adiposo | Glandular | Maligno | Benigno |
---|---|---|---|---|
8 | 1.24 | 0.70 | 0.632 | 0.674 |
11 | 3.14 | 1.81 | 1.59 | 1.64 |
15 | 7.17 | 4.30 | 3.98 | 4.23 |
20 | 13.59 | 8.69 | 8.10 | 8.45 |
30 | 24.76 | 18.53 | 17.16 | 17.82 |
Densidad/g.cm3 | 0.9301 | 1.0401 | 1.0442 | 1.0422 |
Para conocer las imágenes mamográficas, se realizaron muestras cilíndricas simulando tejido adiposo, glandular y maligno, de espesor 40 mm y diámetro 35 mm. Posteriormente fueron ubicadas en el tablero de un mamógrafo analógico Philips, Mo - Mo, perteneciente al Hospital Carrillo. La adquisición de la imagen se realizó con técnica manual con 27 kV con 80 mAs. En la Figura 2 se observa el equipo de rayos X, las muestras sobre el tablero y las imágenes obtenidas.
Resultados y discusion
Caracterización de las energías de rayos x
En la Figura 3a se graficaron los valores de carga acumulada por unidad de tiempo en función de los espesores de aluminio y sus correspondientes ajustes, como se mencionó previamente. En tanto que en la Figura 3b se observan los valores de la CHR en función del voltaje, con su ajuste.
Del ajuste efectuado con una función cuadrática se obtuvieron R2 igual a 0.999, A=-1.060E-4±1.495E-5, B=0.014 ± 5.148E-4 y C=-4.019E-4 ± 0.004.
En tanto que, del ajuste por una función exponencial, en la Tabla 2 se muestran los valores de los coeficientes y del R2 para 25, 28, 30 y 35 kV.
En la Tabla 3 se observan los valores de las capas hemirreductoras y sus correspondientes valores de energía efectiva.
25 kV | 28 kV | 30 kV | 35 kV | |
---|---|---|---|---|
A | 2.07131 | 2.41417 | 2.60279 | 2.99135 |
B | -2.33124 | 2.14554 | 2.04655 | -1.86595 |
R2 | 0.99992 | 0.99996 | 0.99998 | 0.99999 |
Las incertidumbres en los coeficientes fueron inferiores al 2%.
Estos valores se compararon con los de la TRS 457 [10] y estuvieron dentro de los 0.02 mm, tal como es lo recomendado.
Caracterización de las muestras
En la Figura 4 se observan las muestras utilizadas para medir atenuación. En las Tablas 4 y 5 se muestran los valores de las CHRs en función de la energía para las muestras mencionadas previamente.
ENERGÍA / KEV | PLA | GEL + WACKER +MICROESFERAS | GEL + THINNER +MICROESFERAS | GEL + THINNER + CUARZO |
---|---|---|---|---|
13.95 | 3.56 | 5.67 | 5.81 | 5.83 |
14.61 | 4.04 | 6.39 | 6.57 | 6.55 |
15.03 | 4.43 | 6.93 | 7.03 | 7.16 |
15.28 | 4.65 | 7.23 | 7.43 | 7.49 |
15.52 | 4.82 | 7.50 | 7.72 | 7.76 |
15.77 | 4.66 | 7.77 | 7.90 | 8.03 |
Las incertidumbres fueron inferiores al 2%.
ENERGÍA/KEV | TPU | GEL + SILICONA + THINNER + MICROESFERAS | STARSIL 0030 | DS FX PRO |
---|---|---|---|---|
13.95 | 4.17 | 3.24 | 1.20 | 1.37 |
14.61 | 4.74 | 3.58 | 1.39 | 1.54 |
15.03 | 5.22 | 3.97 | 1.53 | 1.78 |
15.28 | 5.43 | 4.16 | 1.61 | 1.78 |
15.52 | 5.66 | 4.28 | 1.68 | 1.84 |
15.77 | 5.83 | 4.49 | 1.77 | 1.94 |
En la Figura 5 se muestra, a modo de ejemplo, un gráfico de la carga acumulada por unidad de tiempo en función de diferentes espesores para las muestras de gel + Thinner + cuarzo. En la Tabla 6 se observan los valores de los coeficientes de ajuste de la función exponencial, y el R2, para algunos voltajes.
25 kV | 28 kV | 30 kV | 35 kV | |
---|---|---|---|---|
A | 2.108 | 2.433 | 2.618 | 3.011 |
B | 0.106 | 0.097 | 0.093 | 0.086 |
R2 | 0.999 | 0.999 | 0.999 | 0.999 |
Con incertidumbres en los coeficientes inferiores al 2%.En la Figura 6 se muestra, a modo de ejemplo, un gráfico de la carga acumulada por unidad de tiempo en función de diferentes espesores para las muestras de gel + silicona + Thinner + microesferas.
En la Tabla 7 se observan los valores de los coeficientes de ajuste de la función exponencial, y el R2, para algunos voltajes.
25 kV | 28 kV | 30 kV | 35 kV | |
---|---|---|---|---|
A | 2.09619 | 2.42577 | 2.61262 | 2.99953 |
B | 0.1934 | 0.1746 | 0.16656 | -0.15432 |
R2 | 0.999 | 0.99961 | 0.99883 | 0.99921 |
Respecto a la caracterización del equipo de rayos X, los valores de las CHRs coinciden con los valores de TRS 457(IAEA; 2007) dentro de 0.02 mm.
En cuanto a las muestras estudiadas en este trabajo, las siliconas se descartaron de usarlas solas, debido a su alta absorción de los rayos X. El PLA tiene un valor adecuado de atenuación para simular tejido adiposo y el TPU también se descarta. Sin embargo, se podrían usar para construir moldes de mamas.
Respecto a los cálculos de los coeficientes de atenuación, se puede observar que los valores de los R2 y de los errores fueron satisfactorios. Reduciendo la incertidumbre en el cálculo de las CHRs.
El diseño de las muestras tenía que lidiar con sacar las burbujas de aire y aceite, además de obtener una correcta difusión de la silicona y de las microesferas. Esta parte se podría seguir mejorando si se adquiere un equipo que calienta, hace vacío y dispersa, simultáneamente. Además de conseguir el mismo gel en diferentes batches, lo cual fue muy difícil.
Con referencia a la compra de los geles/microesferas, el costo es bajo pero la desventaja es que podría haber diferencias entre los lotes comprados, por lo que se sugiere comprar gran cantidad para evitar la pérdida de tiempo en volver a caracterizar dichos materiales. En un futuro, se podrían comprar materiales de laboratorios Merck, lo que aseguraría su calidad y repetibilidad.
El próximo trabajo consiste en medir densidad, calcular módulo de Young y continuar con otras muestras, sobre todo en la reproducción de tejido glandular y maligno. Hacer mediciones de densidad de las muestras realizadas en este trabajo con diferentes metodologías que implican utilizar tomografía computada y finalmente obtener imágenes mamográficas. Finalmente se podrán diseñar maniquíes con forma, tamaño y detalles como la investigación lo requiera.
Conclusiones
Se presentó un desarrollo qué permite decir en qué línea de trabajo se debe continuar, o sea con qué materiales se debe seguir y cuales se deben descartar. Las principales conclusiones obtenidas en este trabajo fueron:
Para la construcción de moldes se utilizará TPU y PLA. No son adecuados para hacer los maniquíes, debido a su atenuación en rayos X de baja energía.
Las muestras mostraron ser compresibles.
Las combinaciones de gel + Thinner + cuarzo y gel + silicona + Thinner + microesferas mostraron valores de atenuación comparables a la del tejido adiposo.
La combinación de gel + Thinner + + silicona + microesferas mostró valores de atenuación superiores a la del tejido glandular y maligno