Skip to main content
Geburtshilfe und Frauenheilkunde logoLink to Geburtshilfe und Frauenheilkunde
. 2017 Apr 27;77(6):679–685. doi: 10.1055/s-0043-107034

A Standard Mammography Unit – Standard 3D Ultrasound Probe Fusion Prototype: First Results

Fusionsprototyp aus einem Standard-Mammografiegerät und einem Standard-3-D-Ultraschallkopf: erste Ergebnisse

Rüdiger Schulz-Wendtland 1,, Sebastian M Jud 2, Peter A Fasching 2, Arndt Hartmann 3, Marcus Radicke 4, Claudia Rauh 2, Michael Uder 1, Marius Wunderle 2, Paul Gass 2, Hanna Langemann 2, Matthias W Beckmann 2, Julius Emons 2
PMCID: PMC5507113  PMID: 28713173

Abstract

Aim

The combination of different imaging modalities through the use of fusion devices promises significant diagnostic improvement for breast pathology. The aim of this study was to evaluate image quality and clinical feasibility of a prototype fusion device (fusion prototype) constructed from a standard tomosynthesis mammography unit and a standard 3D ultrasound probe using a new method of breast compression.

Materials and Methods

Imaging was performed on 5 mastectomy specimens from patients with confirmed DCIS or invasive carcinoma (BI-RADS 6). For the preclinical fusion prototype an ABVS system ultrasound probe from an Acuson S2000 was integrated into a MAMMOMAT Inspiration (both Siemens Healthcare Ltd) and, with the aid of a newly developed compression plate, digital mammogram and automated 3D ultrasound images were obtained.

Results

The quality of digital mammogram images produced by the fusion prototype was comparable to those produced using conventional compression. The newly developed compression plate did not influence the applied x-ray dose. The method was not more labour intensive or time-consuming than conventional mammography. From the technical perspective, fusion of the two modalities was achievable.

Conclusion

In this study, using only a few mastectomy specimens, the fusion of an automated 3D ultrasound machine with a standard mammography unit delivered images of comparable quality to conventional mammography. The device allows simultaneous ultrasound – the second important imaging modality in complementary breast diagnostics – without increasing examination time or requiring additional staff.

Key words: mammography, breast ultrasound, complementary breast diagnostics

Introduction

Multimodal imaging continues to be standard for the diagnosis of malignant tumours of the breast. There are however various problems, discussion points and challenges regarding the different imaging modalities (mammography/tomosynthesis, ultrasound and MRI) in their individual areas of clinical application. In the screening domain, where mammography is used exclusively 1 , the high diagnosis rate of non-lethal tumours (overdiagnosis) is cited 2 ,  3 . And tumours that are missed on mammogram alone, e.g. due to high mammographic density, are also a problem (underdiagnosis) 4 ,  5 . In the diagnostic domain, where complementary breast imaging with both ultrasound and mammography is standard 6 , spatial mapping requires further optimisation.

Current strategies to optimise diagnostic imaging include improving the quality of the individual modalities, integrating computer-assisted evaluation 7 , focusing on three-dimensional modalities 8 and combining the different modalities (fusion) 9 ,  10 . Since the development of three-dimensional mammography (tomosynthesis) and ultrasound (automated breast ultrasound) interest has especially focused on fusion devices, as the characterisation of breast lesions can be difficult when these modalities are used independently. The error rate on correlation between lesions detected on mammogram compared to hand-held ultrasound is around 10% 11 . The combination of modalities in a single continuous examination of the immobilised breast could help to reduce these problems.

The fusion approach to improve breast diagnostic imaging whereby multiple imaging modalities such as mammography, breast ultrasound, MRI and tomosynthesis are combined – the strengths of the one compensating for the weaknesses of the other – is not new 10 ,  12 ,  13 ,  14 . Combining modalities, however, presents new challenges such as how to perform multiple imaging procedures on the compressed breast in series or simultaneously without changing its position. This is essential for precise localisation of regions of interest (ROI). Combined imaging is currently not yet part of routine clinical practice due to an unfavourable cost-benefit ratio and a lack of technical feasibility 10 .

In contrast to previous studies in which principally analogue images were acquired 12 ,  15 ,  16 this study was based on digital mammography and 3D ultrasound examination.

The aim was to validate a functional fusion prototype using a small number of mastectomy specimens.

Methods

Development of a novel gauze compression device

A compression device for breast immobilisation is an essential requirement for a combination unit required to perform both ultrasound and mammography/tomosynthesis in a single examination session. The mammogram is performed according to radiological standards 17 as stipulated in the mammography screening guidelines 6 ,  18 . X-rays and ultrasound waves should not be impeded and the quality of images not compromised. Breast coverage should be as complete as possible for both the mammogram and ultrasound examination components. A newly developed compression device consisting of an elastic gauze mounted onto a frame provided the required breast compression (up to 100 Newton [N] 19 ) ( Fig. 1 ).

Fig. 1.

Fig. 1

 The ultrasound probe – taken from the ABVS ultrasound machine – moves over the compressed (elastic gauze) breast phantom.

Integration into the mammography unit

The MAMMOMAT Inspiration served as the basic unit. Ultrasound imaging was carried out by a probe from an Acuson S2000 ABVS machine (both Siemens Healthcare Ltd). The ultrasound probe-gauze unit is flanged-mounted to the mammography unit via a horizontal lowerable holder instead of the standard compression plate ( Fig. 2 ). The entire unit can hereby be moved up or down enabling variation of the compression force applied to the breast. The prototype described here is a research tool and is not commercially available.

Fig. 2.

Fig. 2

a  The illustration shows the prototype attached to the Siemens MAMMOMAT Inspiration. The automatic, adjustable ultrasound probe taken from a Siemens S2000 ABVS system is seen mounted on a threaded rod (left in picture) up against the transparent gauze that provides breast compression. b  Schematic representation of the integrated mobile ultrasound probe-gauze unit.

Specimens

The mastectomy specimens were obtained during the iMODE-B study (Imaging and Molecular Detection study Breast). All the patients were fully informed and gave written consent to study inclusion. The study was approved by the medical faculty ethics commission of the Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nürnberg.

Fusion prototype imaging was performed on unfixed abladates in the Erlangen University Hospital radiology institute, department of gynaecological radiology. Thereafter the abladates were passed on to the hospitalʼs pathology institute for evaluation of resection margins and histological analysis.

Imaging procedure

Each mastectomy specimen was x-rayed twice, first using the standard compression plate and then the newly developed compression gauze. For the latter the breast is compressed to the required thickness with up to 100 N by the taut elastic gauze fixed to the underside of the compression frame. This is equivalent to the same pressure applied during conventional mammography 19 . The compression applied by the gauze can be adjusted according to the individual breast shape allowing the pressure to be evenly distributed. A craniocaudal (CC) mammogram is performed with the mammography unit using a standard protocol. During x-ray imaging the ultrasound probe remains outside the field of radiation at the edge of the compression plate. Ultrasound imaging then follows without any repositioning of the already compressed breast. The probe frequency can be adjusted to suit individual circumstances. After completion of the mammogram conventional ultrasound gel is applied to the gauze ahead of the probe. The probe, attached to a threaded rod, then automatically travels out from right to left over the compressed breast. The ultrasound machineʼs (Siemens Acuson S2000 ABVS) standard software is used for 3D image reconstruction. Finally the gauze is replaced by the conventional compression plate and an additional image obtained for comparison. The gauze was replaced after each examination for hygienic reasons.

Quality evaluation

Each pair of images (gauze compression and conventional compression plate) was assessed independently in randomised order by two radiologists who were blinded to patient details. Image pairs were evaluated for quality by internal comparison. In addition they were assessed for the detection of microcalcification, macrocalcification and masses, all of which are regarded as possible correlates of malignant or premalignant lesions 20 . The case series analysis was purely descriptive at the level of the depiction of findings in each specimen. The image pairs are shown in Fig. 3 .

Fig. 3.

Fig. 3

 The illustration shows CC images of an abladate; on the right with conventional compression (mammography unit), on the left with compression gauze.

Results

Combined imaging with mammography and automated ultrasound was successfully performed on all 5 mastectomy specimens.

Patient characteristics

Patient characteristics are listed in Table 1 . Various clinical scenarios were chosen in order to provide as comprehensive an assessment of image quality as possible. Included were: a case of a previously operated breast (patient 1); a case of DCIS (patient 2); a case of breast carcinoma following neoadjuvant chemotherapy (patient 4); and one case each of unifocal (patient 3) and multifocal (patient 5) breast carcinoma.

Table 1  Patient characteristics. Clinical data and the compression force in Newton required for an adequate mammogram are listed for each of the 5 patients.

Patients Age (years) pT Weight of abladate (g) Size of findings (cm) Compression force (N) plate/gauze
1 58 pTis 551 97.6/88.8
2 71 pTis 372.4 8.9 48.2/52.2
3 50 pT1c 249.5 1.6 26.7/32.5
4 50 ypT2 408 2.5 39.7/32.8
5 81 pT2m 767 4.6 19.4/21.9

Evaluation of feasibility

Positioning and compression of the breast, the mammogram and ultrasound examinations were all unproblematic. Compression and mammography were not more time-consuming or labour intensive than conventional mammography. The required pressure for breast compression was achieved without difficulty. The pressure actually needed was significantly below the maximum possible pressure in 4 of the 5 cases ( Table 1 ). Automated ultrasound examination and changing of the compression gauze were also unproblematic.

Evaluation of the compression procedure

Using the gauze was unproblematic, both for breast compression and specimen alignment. The degree of compression necessary for a high quality mammogram was achieved in every case. The actually required compression force for each individual case did not differ significantly between the two methods (see Table 1 ).

Image quality when using compression gauze compared to conventional compression plate

The quality of the two imaging methods was found to be comparable using the above mentioned comparison procedure. On comparison of mastectomy specimen image pairs one radiologist considered them identical in all 5 cases. In 2 cases the second radiologist rated the quality slightly better for the mammograms with conventional compression; the remaining 3 cases received equal ratings. The ability to detect microcalcification, macrocalcification and masses was identical for the two compression methods. Results are summarised in Tables 2 and 3 .

Table 2  Direct comparison of images with compression gauze and compression plate. Each letter represents a rating by one of the radiologists.

Patient 1 2 3 4 5
1 = Gauze image much better; 2 = gauze image somewhat better; 3 = no difference; 4 = compression plate image somewhat better; 5 = compression plate image much better. A: selection radiologist 1, B: selection radiologist 2
1 A B
2 A/B
3 A/B
4 A B
5 A/B

Table 3  Rating of compression methods (compression plate and compression gauze) for ability to detect microcalcification, macrocalcification and mass lesions. Each letter represents a rating by one of the radiologists.

Patient Tumour visible (yes/no) Microcalcification visible (yes/no) Macrocalcification visible (yes/no)
A: selection radiologist 1, B: selection radiologist 2
1: Gauze n. a. A/B
1: Compression plate A/B
2: Gauze A/B A/B A/B
2: Compression plate A/B A/B A/B
3: Gauze A/B A/B
3: Compression plate A/B A/B
4: Gauze A/B A/B A/B
4: Compression plate A/B A/B X/X
5: Gauze A/B A/B
5: Compression plate A/B A/B

Evaluation of ultrasound images

Automated ultrasound of the compressed breast could be performed quickly (approx. 70 sec) through the gauze. When compared to the mammogram ultrasound provided almost complete coverage of the specimen. A narrow band of tissue including the nipple region and skin was not covered by the ultrasound examination due to the compressed breastʼs convex form. Reconstruction of a 3D picture from the individual images was possible. Fig. 4 shows the mammogram (right), the sagittal automated ultrasound image (below) and the 3D reconstruction (left).

Fig. 4.

Fig. 4

 The illustration shows the mammogram of a patient with a cT2 invasive breast carcinoma, right; below, the ROI from the practically simultaneously performed ultrasound examination; left, 3D breast reconstruction of the ROI.

Discussion

This fusion prototype consisting of a mammography unit and a standard 3D ultrasound probe enables the combination of mammography and ultrasound examination by a single machine. Both imaging modalities are performed on the immobilised breast during one examination procedure without the position or form of the breast being changed.

Advantages are that the patient does not have to change position for the two images, both images are performed practically at the same time, and that the breast remains in an identically compressed condition for both images. The problems of position change and biological factors such as cyclical fibrocystic changes are therefore much less significant 21 . This has improved suboptimal correlation of findings between the individual modalities 11 .

As has been shown in other studies with similar forms of compression 13 the compression gauze did not reduce the quality of mastectomy specimen images. This suggests that the image quality of mammograms performed on patients using this method will be just as good, so that appropriate clinical studies can now be planned. This prototype allows automated ultrasound imaging and 3D reconstruction. The extent of breast coverage however does not yet allow detailed assessment of the nipple or subcutaneous regions, a problem also experienced by other study groups 21 . Current research is focusing on optimising ultrasound coverage of the whole breast. Although we did not specifically evaluate the quality of 3D ultrasound in this study, a strong impression was gained that – apart from coverage of the above mentioned regions – there were no qualitative deficits.

This study has shown that the fusion of these two modalities is also possible with digital technology. Although the strength of a study with only five specimens is low, the automatic correlation of lesion localisation between the two modalities appeared to be very accurate.

These findings are still of limited significance, firstly due to the low number of examined specimens and secondly due to a lack of implementation in routine clinical practice. A definitive evaluation of 3D ultrasound image quality is also still lacking.

Nevertheless these results should prompt further study and improvement of this technology. Future studies should assess the feasibility of the method with respect to patient pain perception, duration of examination and image analysability. Ultrasound coverage of the breast through modification of the ultrasound probe and gauze, as well as automated spatial mapping should be further studied and optimised. Lastly, the learning curve associated with this technology also requires study.

Conclusion

The fusion of an automated 3D ultrasound machine with a standard mammography unit delivers mammogram images of comparable quality to conventional mammograms as demonstrated on a few mastectomy specimens. In addition, this prototype allows simultaneous ultrasound – a second imaging modality as part of complementary breast diagnostics – with no significant increase in examination time or personel requirements.

Conflict of Interest/Interessenkonflikt The authors declare that they have no conflict of interest.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

*

Both authors contributed equally to this publication.

*

Autoren trugen zu gleichen Teilen zur Publikation bei.

References/Literatur

  • 1.Welch H G. Screening mammography–a long run for a short slide. N Engl J Med. 2010;363:1276–1278. doi: 10.1056/NEJMe1008369. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 2.Puliti D, Duffy S W, Miccinesi G. Overdiagnosis in mammographic screening for breast cancer in Europe: a literature review. J Med Screen. 2012;19 01:42–56. doi: 10.1258/jms.2012.012082. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 3.Jørgensen K J, Keen J D, Gøtzsche P C. Is mammographic screening justifiable considering its substantial overdiagnosis rate and minor effect on mortality? Radiology. 2011;260:621–627. doi: 10.1148/radiol.11110210. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 4.Boyd N F, Huszti E, Melnichouk O. Mammographic features associated with interval breast cancers in screening programs. Breast Cancer Res. 2014;16:417. doi: 10.1186/s13058-014-0417-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 5.Weigel S, Heindel W, Heidrich J. Digital mammography screening: sensitivity of the programme dependent on breast density. Eur Radiol. 2016 doi: 10.1007/s00330-016-4636-4. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 6.Leitlinienprogramm Onkologie Interdisziplinäre S3-Leitlinie für die Diagnostik, Therapie und Nachsorge des Mammakarzinoms Langversion 3.0. Update, 2012Online:http://www.awmf.org/uploads/tx_szleitlinien/032-045OL_l_S3__Brustkrebs_Mammakarzinom_Diagnostik_Therapie_Nachsorge_2012-07.pdflast access: 02.02.2017
  • 7.Dromain C, Boyer B, Ferré R. Computed-aided diagnosis (CAD) in the detection of breast cancer. Eur J Radiol. 2013;82:417–423. doi: 10.1016/j.ejrad.2012.03.005. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 8.Ciatto S, Houssami N, Bernardi D. Integration of 3D digital mammography with tomosynthesis for population breast-cancer screening (STORM): a prospective comparison study. Lancet Oncol. 2013;14:583–589. doi: 10.1016/S1470-2045(13)70134-7. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 9.Hopp T, Baltzer P, Dietzel M. 2D/3D image fusion of X-ray mammograms with breast MRI: visualizing dynamic contrast enhancement in mammograms. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2012;7:339–348. doi: 10.1007/s11548-011-0623-z. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 10.Schulz-Wendtland R, Wittenberg T, Michel T. [Future of mammography-based imaging] Radiologe. 2014;54:217–223. doi: 10.1007/s00117-013-2578-2. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 11.Conway W F, Hayes C W, Brewer W H. Occult breast masses: use of a mammographic localizing grid for US evaluation. Radiology. 1991;181:143–146. doi: 10.1148/radiology.181.1.1653441. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 12.Richter K, Prihoda H, Heywang-Köbrunner S H. Description and first clinical use of a new system for combined mammography and automated clinical amplitude velocity reconstructive imaging breast sonography. Invest Radiol. 1997;32:19–28. doi: 10.1097/00004424-199701000-00004. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 13.Booi R C, Krücker J F, Goodsitt M M. Evaluating thin compression paddles for mammographically compatible ultrasound. Ultrasound Med Biol. 2007;33:472–482. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2006.09.005. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 14.Schulz-Wendtland R, Bani M, Lux M P. Pilot study on the detection of simulated lesions using a 2D and 3D digital full-field mammography system with a newly developed high resolution detector based on two shifts of a-Se. Geburtsh Frauenheilk. 2012;72:408–411. doi: 10.1055/s-0031-1298158. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 15.Schütze B, Marx C, Fleck M. Diagnostic evaluation of sonographically visualized breast lesions by using a new clinical amplitude/velocity reference imaging technique (CARI sonography) Invest Radiol. 1998;33:341–347. doi: 10.1097/00004424-199806000-00005. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 16.Li B, Thibault J B, Hall A L. Combining X-ray and ultrasound imaging for enhanced mammography. 2010.
  • 17.Schulz-Wendtland R, Fuchsjäger M, Wacker T. Digital mammography: an update. Eur J Radiol. 2009;72:258–265. doi: 10.1016/j.ejrad.2009.05.052. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 18.Mühlhauser I. Screening auf Brustkrebs/Mammografie-Screening. DZO. 2013;45:80–85. [Google Scholar]
  • 19.Poulos A, McLean D, Rickard M. Breast compression in mammography: how much is enough? Australas Radiol. 2003;47:121–126. doi: 10.1046/j.0004-8461.2003.01139.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 20.Morgan M P, Cooke M M, McCarthy G M. Microcalcifications associated with breast cancer: an epiphenomenon or biologically significant feature of selected tumors? J Mammary Gland Biol Neoplasia. 2005;10:181–187. doi: 10.1007/s10911-005-5400-6. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 21.Kapur A, Carson P L, Eberhard J. Combination of digital mammography with semi-automated 3D breast ultrasound. Technol Cancer Res Treat. 2004;3:325–334. doi: 10.1177/153303460400300402. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
Geburtshilfe Frauenheilkd. 2017 Apr 27;77(6):679–685.

Fusionsprototyp aus einem Standard-Mammografiegerät und einem Standard-3-D-Ultraschallkopf: erste Ergebnisse

Zusammenfassung

Ziel Die Kombination verschiedener bildgebender Verfahren in Fusionsmaschinen verspricht, eine deutliche Verbesserung der Brustdiagnostik mit sich zu bringen. Hier wollen wir die Bildqualität und die klinische Anwendbarkeit eines Fusionsprototypen aus einem Standard-Mammografie/Tomosynthese-Gerät und einem Standard-3-D-Ultraschallkopf unter Zuhilfenahme einer neuen Methode der Brustkomprimierung evaluieren.

Material und Methoden Für die Untersuchung an 5 Mastektomiepräparaten von Patientinnen mit histologisch gesichertem DCIS oder invasivem Mammakarzinom (BI-RADS 6) wurde an einem präklinischen Fusionsprototyp ein Ultraschallkopf eines ABVS-Systems aus einem Acuson S2000 in einen MAMMOMAT Inspiration (beide Siemens Healthcare GmbH) unter Zuhilfenahme einer neu entwickelten Kompressionsplatte integriert und digitale Mammografien und 3-D-Bilder per automatisiertem Ultraschall aufgenommen.

Ergebnisse Die durch den Fusionsprototyp aufgenommenen digitalen Mammografien sind von vergleichbarer Qualität wie unter herkömmlicher Kompression entstandene Aufnahmen. Die neu entwickelte Kompressionsplatte hat keinen Einfluss auf die applizierte Röntgendosis. Der personelle und zeitliche Aufwand für die Mammografie unterscheidet sich nicht zur herkömmlichen Mammografie. Die Fusion aus Mammografie und Ultraschall lässt sich technisch umsetzen.

Schlussfolgerung Die Fusion eines automatisierten 3-D-Ultraschallgeräts mit einem Standard-Mammografiegerät liefert an unseren wenigen Mastektomiepräparaten Mammografieaufnahmen von vergleichbarer Qualität. Darüber hinaus ermöglicht das Gerät den simultanen Ultraschall als 2. Bildmodalität der komplementären Mammadiagnostik ohne einen signifikanten Zeit- und zusätzlichen Untersucheraufwand.

Einleitung

Die multimodale Bildgebung stellt nach wie vor den Standard in der Diagnostik maligner Tumoren der Brust dar. In den Bereichen, in denen die verschiedenen bildgebenden Methoden (Mammografie/Tomosynthese, Ultraschall und MRT) Verwendung finden, werden jedoch unterschiedliche Probleme diskutiert und Anforderungen an die Bildgebung gestellt. Im Screening, in dem nur die Mammografie als einzelne Methode 1 eingesetzt wird, wird die hohe Rate an Tumoren aufgeführt, die diagnostiziert werden und an denen die Patientin wahrscheinlich nicht versterben wird (Überdiagnose) 2 ,  3 . Des Weiteren werden aber auch die Tumoren diskutiert, die z. B. bei einer hohen mammografischen Dichte durch die Mammografie alleine nicht entdeckt werden (Unterdiagnose) 4 ,  5 . Im diagnostischen Bereich, in dem die komplementäre Mammadiagnostik mit Ultraschall und Mammografie Standard ist 6 , kann die räumliche Zuordnung weiter optimiert werden.

Aktuelle Strategien zur Optimierung der bildgebenden Diagnostik sind die Verbesserung der diagnostischen Güte der Einzelmethoden, die Integration einer computergestützten Auswertung 7 , die Fokussierung auf 3-dimensionale Untersuchungsmethoden 8 und die Fusion verschiedener Methoden 9 ,  10 . Seit der Etablierung von 3-dimensionalen Methoden in der Röntgenbildgebung (Tomosynthese) und im Ultraschall (automatisierter Brustultraschall) sind insbesondere Fusionsmaschinen im Blickpunkt des Interesses, da eine Zuordnung von Läsionen in unabhängig durchgeführten Untersuchungen (Mammografie und Ultraschall) schwierig sein kann. Die Fehlerrate bei der Korrelation zwischen in der Mammografie und von handgehaltenem Ultraschall detektierten Läsionen liegt bei bis zu 10% 11 . Somit kann die Kombination verschiedener Methoden in einem ununterbrochenen Untersuchungsverfahren bei fixierter Brust helfen, diese Probleme zu verringern.

Der Ansatz, die Mammadiagnostik durch die Fusion mehrerer Bildmodalitäten wie Mammografie, Mamma-Ultraschall, Mamma-MRT und Tomosynthese zu optimieren, indem die Schwächen der einen durch die Stärken der anderen Methode kompensiert werden, ist nicht neu 10 ,  12 ,  13 ,  14 . Gleichzeitig treten durch die Kombination Herausforderungen auf wie die Durchführung mehrerer bildgebender Verfahren in Serie oder simultan ohne Lageveränderung der komprimierten Brust. Dies ist von Bedeutung für eine präzise Lokalisation von Regions of Interest (ROI). Aufgrund einer bisher ungünstigen Kosten-Nutzen-Effizienz und der noch nicht vorhandenen technischen Umsetzbarkeit ist die kombinierte Bildgebung derzeit noch nicht Teil der klinischen Routine 10 .

Im Unterschied zu vorangegangenen Arbeiten 12 ,  15 ,  16 , in denen überwiegend analoge Aufnahmen erstellt wurden, handelt es sich in dieser Arbeit um digitale Mammografien und 3-D-Ultraschalluntersuchungen.

Ziel dieser Arbeit ist es, einen funktionsfähigen Prototypen mittels einer kleinen Anzahl von Mastektomiepräparaten zu validieren.

Methoden

Entwicklung der Kompressionsgaze

Die Basis einer kombinierten Maschine, die Ultraschall und Mammografie/Tomosynthese in einer Untersuchung durchführen kann, ist eine Kompressionsvorrichtung zur Fixierung der Brust. Die Durchführung der Mammografie erfolgt analog radiologischer Standards 17 , wie in der Leitlinie zum Mammografie-Screening gefordert 6 ,  18 . Diese darf sowohl für Röntgenstrahlen als auch für Ultraschallwellen kein Hindernis darstellen und die Qualität der Untersuchung nicht beeinträchtigen. Zudem muss eine möglichst umfangreiche Abdeckung der gesamten Brust – sowohl bei der mammografischen als auch der sonografischen Aufnahme gewährleistet sein. Für die notwendige Kompression der Brust (bis zu 100 Newton [N] 19 ) dient eine neu entwickelte Kompressionsvorrichtung, bestehend aus einer elastischen Gaze, die in einen Rahmen gespannt ist ( Abb. 1 ).

Abb. 1.

Abb. 1

 Der aus dem ABVS-Ultraschallgerät entnommene Ultraschallkopf fährt über ein mithilfe der Gaze komprimiertes Brustphantom.

Integration in die Mammografiemaschine

Als Basis dient ein MAMMOMAT Inspiration. Die Ultraschallaufnahme der Brust erfolgt durch den Schallkopf eines Acuson S2000 ABVS-Geräts (beide Siemens Healthcare GmbH). Die Schallkopf-Gaze-Einheit ist über die horizontal absenkbare Aufnahme anstelle einer Standard-Kompressionsplatte an das Mammografiegerät angeflanscht ( Abb. 2 ). Dadurch lässt sich die gesamte Einheit nach oben und unten bewegen und so der Kompressionsdruck auf die Brust variieren. Bei dem hier beschriebenen Prototypen handelt es sich um ein Forschungsgerät, das nicht im Handel erwerbbar ist.

Abb. 2.

Abb. 2

a  Die Abbildung zeigt den an den Siemens MAMMOMAT Inspiration eingesteckten Prototyp. Der automatisch verschiebbare Ultraschallkopf, entnommen aus einem Siemens S2000 ABVS System, ist auf einer Gewindestange gelagert links im Bild zu sehen und liegt der für die Kompression notwendigen transparenten Gaze auf. b  Schematische Darstellung der in das Mammografiegerät integrierten mobilen Schallkopf-Gaze-Einheit.

Präparate

Alle Mastektomiepräparate wurden im Rahmen der iMODE-B-Studie (Imaging and molecular Detection Study Breast) gewonnen. Alle Patientinnen wurden über die Maßnahmen aufgeklärt und gaben ihr schriftliches Einverständnis. Die Studie wurde von der Ethik-Kommission der medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg genehmigt.

Die Aufnahmen durch den Fusionsprototypen wurden an unfixierten Abladaten in der Abteilung für Gynäkologische Radiologie des radiologischen Instituts des Universitätsklinikums Erlangen durchgeführt. Nachfolgend wurden die Abladate in das Institut für Pathologie des Universitätsklinikums Erlangen zur Ränderbeurteilung und histologischen Begutachtung weitergegeben.

Aufnahmeprozess

Alle Mastektomiepräparate wurden 2-mal geröntgt, zuerst mittels einer Standard-Kompressionsplatte und dann mit der neuen Kompressionsgaze. Die Brust wird durch die starr-elastische Gaze, welche an der Unterseite des Kompressionsrahmens befestigt ist, auf die notwendige Dicke mit bis zu 100 N komprimiert. Dies entspricht dem gleichen Druck wie bei einer herkömmlichen Mammografie 19 . Die Kompression durch die Gaze kann individuell auf die Brustform angepasst werden. Diese Form der Kompression ermöglicht eine homogene Verteilung des ausgeübten Druckes. Die Mammografieaufnahme erfolgt nach einem Standardprotokoll mit dem Mammografiegerät als kraniokaudale Aufnahme. Während der Röntgenuntersuchung befindet sich die Ultraschallsonde außerhalb des Strahlenfelds am Rand der Kompressionsplatte. Die Ultraschallaufnahme erfolgt ohne vorherige Repositionierung der Brust im komprimierten Zustand. Die Frequenz des Schallkopfs kann individuell an die benötigten Gegebenheiten angepasst werden. Zur Ultraschalluntersuchung wird nach Durchführung der Mammografie ein konventionelles Ultraschallgel vor den Schallkopf auf die Gaze gegeben. Der an einer Gewindestange gelagerte Schallkopf fährt anschließend automatisch von rechts nach links über die komprimierte Brust. Die Rekonstruktion der Ultraschallbilder erfolgt anschließend mithilfe der Standardsoftware des Ultraschallgeräts (Siemens Acuson S2000 ABVS). Anschließend wird die Gaze durch die konventionelle Kompressionsplatte ersetzt und es wird eine Vergleichsaufnahme angefertigt. Aufgrund hygienischer Maßgaben wird die Gaze nach jeder Messung gewechselt.

Beurteilung der Qualität

Jedes Bildpaar (Aufnahme mit Kompressionsgaze und Aufnahme mit Kompressionsplatte) wurde verblindet und in randomisierter Reihenfolge 2 Radiologen unabhängig voneinander vorgelegt. Es erfolgte eine Beurteilung der Bildqualität mittels Vergleich zwischen den beiden Bildern. Zudem erfolgte eine Auswertung bez. der Detektierbarkeit von Mikrokalk, Makrokalk und Herdbefunden, die teilweise als Korrelat maligner und prämaligner Läsionen gelten 20 . Die Auswertung der Fallserie ist rein deskriptiv auf der Ebene der Darstellung aller Befunde für jedes Präparat. Die Bildpaare sind in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3.

Abb. 3

 Die Abbildung zeigt die CC-Aufnahme eines Abladats. Rechts mittels konventioneller Kompression durch das Mammografiegerät. Links mittels Kompressionsgaze.

Ergebnisse

Die kombinierte Messung aus Mammografie und automatisierter Ultraschalluntersuchung konnte erfolgreich an allen 5 Mastektomiepräparaten durchgeführt werden.

Patientencharakteristika

Die Patientencharakteristika sind in Tab. 1 dargestellt. Für eine möglichst umfangreiche Einschätzung der Bildqualität der Präparate wurden verschiedene klinische Fälle ausgewählt. Dabei handelt es sich um eine Patientin mit bereits voroperierter Brust (Patientin 1), eine Patientin mit DCIS (Patientin 2), eine Patientin mit Mammakarzinom nach neoadjuvanter Chemotherapie (Patientin 4) sowie jeweils eine Patientin mit unizentrischem (Patientin 3) und eine Patientin mit multizentrischem Mammakarzinom (Patientin 5).

Tab. 1  Patientencharakteristika. Neben den klinischen Daten der 5 Patientinnen ist die für eine suffiziente Mammografieaufnahme aufzubringende Kompressionskraft in Newton dargestellt.

Patientin Alter (Jahre) pT Abladat Gewicht (g) Befundgröße (cm) Kompressionsdruck (N) Platte/Gaze
1 58 pTis 551 97,6/88,8
2 71 pTis 372,4 8,9 48,2/52,2
3 50 pT1c 249,5 1,6 26,7/32,5
4 50 ypT2 408 2,5 39,7/32,8
5 81 pT2m 767 4,6 19,4/21,9

Beurteilung der Durchführbarkeit

Die Lagerung und Kompression der Brust, die Mammografie und die Ultraschallaufnahmen ließen sich komplikationslos durchführen. Der zeitliche und der Untersucheraufwand für die Kompression und die Mammografieaufnahme unterscheiden sich nicht von einer konventionellen Mammografie. Der für die Kompression erforderliche Druck konnte problemlos aufgebaut werden. Die tatsächlich benötigten Werte liegen bei 4 von 5 Messungen deutlich unter dem möglichen Maximalwert ( Tab. 1 ). Die automatisierte Ultraschalluntersuchung und der Wechsel der Kompressionsgaze verliefen problemlos.

Beurteilung des Kompressionsvorgangs

Die Verwendung der Gaze stellte weder bei der Kompression noch bei der Ausrichtung des Präparats ein Problem dar. Die für eine qualitativ hochwertige Mammografieaufnahme notwendige Kompression konnte bei jeder Messung erreicht werden. Die Höhe des aufzubringenden Kompressionsdrucks unterschied sich zwischen den beiden Methoden nicht relevant. Dies ist in Tab. 1 dargestellt.

Qualitative Vergleichbarkeit der Aufnahmen bei Verwendung der Kompressionsgaze und der konventionellen Kompressionsplatte

In dem oben beschriebenen Vergleichsprozess zeigte sich, dass die beiden Aufnahmemethoden bez. der Qualität vergleichbar waren. Die Aufnahmen der Mastektomiepräparate wurden im direkten Vergleich durch einen der Radiologen in allen 5 Fällen als identisch angesehen. In 2 Fällen bewertete der 2. Radiologe die Qualität der durch konventionelle Kompression entstandenen Mammografie geringfügig besser, in den übrigen 3 Fällen bewertete er die Qualität als gleichartig. Ebenso war die Detektion von Mikrokalk, Makrokalk und Herdbefunden in beiden Kompressionstechniken identisch. Die Ergebnisse sind in Tab. 2 und 3 zusammengefasst.

Tab. 2  Bewertung der beiden Aufnahmen mit Kompressionsgaze und Kompressionsplatte im direkten Vergleich. Jede Markierung entspricht der Bewertung eines Radiologen.

Patientin 1 2 3 4 5
1 = Bild mit Gaze deutlich besser; 2 = Bild mit Gaze etwas besser; 3 = kein Unterschied; 4 = Bild mit Kompressionsplatte etwas besser; 5 = Bild mit Kompressionsplatte deutlich besser. A: Auswahl Befunder 1, B: Auswahl Befunder 2
1 A B
2 A/B
3 A/B
4 A B
5 A/B

Tab. 3  Bewertung der Detektierbarkeit von Mikrokalk, Makrokalk und Herdbefunden in beiden Kompressionstechniken (Kompressionsplatte und Kompressionsgaze). Jede Markierung entspricht der Bewertung eines Radiologen.

Patientin Tumor sichtbar (ja/nein) Mikrokalk sichtbar (ja/nein) Makrokalk sichtbar (ja/nein)
A: Auswahl Befunder 1, B: Auswahl Befunder 2
1: Gaze n. a. A/B
1: Kompressionsplatte A/B
2: Gaze A/B A/B A/B
2: Kompressionsplatte A/B A/B A/B
3: Gaze A/B A/B
3: Kompressionsplatte A/B A/B
4: Gaze A/B A/B A/B
4: Kompressionsplatte A/B A/B X/X
5: Gaze A/B A/B
5: Kompressionsplatte A/B A/B

Beurteilung der Ultraschallaufnahmen

Die automatisierte Ultraschallaufnahme ließ sich an der komprimierten Brust durch die Gaze hindurch in kurzer Zeit (ca. 70 s) durchführen. Im Vergleich der Mammografie- mit der Ultraschallaufnahme zeigte sich eine weitgehend komplette Abdeckung des gesamten Präparats. Im Bereich der Mamille und der Haut wurde ein schmaler Streifen durch den Ultraschall aufgrund der konvexen Form der komprimierten Brust nicht mit abgedeckt. Die Rekonstruktion der einzelnen Aufnahmen zu einem 3-D-Bild ist möglich. Abb. 4 zeigt rechts die Mammografie, unten das sagittale Schnittbild des automatisierten Ultraschalls und links das rekonstruierte 3-D-Bild.

Abb. 4.

Abb. 4

 Die Abbildung zeigt links die Mammografieaufnahme einer Patientin mit einem cT2 eines invasiven Mammakarzinoms. Unten ist die ROI dargestellt in der quasi simultan entstandenen Ultraschalluntersuchung. Links ROI in der 3-D-rekonstruierten Brust.

Diskussion

Durch den Fusionsprototypen aus Mammografiegerät und Standard-3-D-Ultraschallkopf besteht die Möglichkeit, die Mammografie- und Ultraschalluntersuchung in einem Gerät zu vereinen, sodass beide Bildmodalitäten in einem Untersuchungsvorgang bei fixierter Brust aufgezeichnet werden können, ohne dass die Form und Lage der Brust verändert werden muss.

Ein Vorteil ist, dass kein Positionswechsel der Patientin zwischen beiden Aufnahmen erfolgen muss, die Aufnahmen am selben Tag zur selben Zeit durchgeführt werden und sich die Brust in einem identisch komprimierten Zustand befindet. Dadurch treten Probleme wie Lageveränderungen und biologische Faktoren wie fibrozystische Veränderungen im Laufe des weiblichen Zyklus in den Hintergrund 21 . Auf Grundlage dessen könnte die fehlerhafte Korrelation von Befunden über die einzelnen Modalitäten hinweg verbessert werden 11 .

Die Qualität der Mastektomieaufnahmen wird durch die Kompression mittels einer Gaze nicht beeinträchtigt, wie auch in anderen Arbeiten mit ähnlichen Formen der Kompression gezeigt 13 . Dies lässt vermuten, dass die Aufnahmequalität bei Mammografien an Patientinnen ebenfalls nicht beeinträchtigt wird, sodass entsprechende klinische Studien geplant werden können. Die automatisierte Ultraschallaufnahme und 3-D-Rekonstruktion ist in diesem Prototypen möglich. Die Abdeckung der Brust erlaubt noch keine genaue Beurteilung der Mamillenregion und der subkutan gelegenen Anteile. Diese Schwierigkeit zeigte sich auch in vorangegangenen Arbeiten 21 . Gegenstand der aktuellen Forschung ist es, die sonografische Abdeckung des Brustkörpers zu optimieren. Obwohl die Qualität des 3-D-Ultraschalls in dieser Arbeit nicht explizit ausgewertet wurde, ergab sich der starke Eindruck, dass diese – bis auf die Abdeckung der genannten Bereiche – keine qualitativen Einbußen hatte.

Durch diese Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die Fusion beider Methoden auch in der digitalen Technik möglich ist. Auch wenn die Aussagekraft bei 5 Präparaten gering ist, so hatte man den Eindruck, dass die automatische Korrelation von Lokalisationen und Läsionen zwischen den beiden Modalitäten sehr exakt war.

Diese Ergebnisse sind aktuell noch von begrenzter Aussagekraft, zum einen aufgrund der geringen Zahl gemessener Präparate und zum anderen aufgrund des fehlenden Einsatzes in der klinischen Routine. Ebenso fehlt noch eine abschließende Beurteilung der Qualität der 3-D-Ultraschall-Aufnahmen.

Dennoch veranlassen diese Ergebnisse dazu, diese Technik weiter zu untersuchen und zu verbessern. Die Machbarkeit bei Patientinnen in Bezug auf Schmerzempfinden, Zeitdauer und Auswertbarkeit soll der Inhalt von weiteren Studien sein. Ebenso soll die Abdeckung der Brust durch den Ultraschall durch Modifikationen an Schallkopf und Gaze verbessert werden sowie die automatische räumliche Zuordnung untersucht und optimiert werden. Auch sollte die Lernkurve bei dieser Technik analysiert werden.

Schlussfolgerung

Die Fusion eines automatisierten 3-D-Ultraschallgeräts mit einem Standard-Mammografiegerät liefert an unseren wenigen Mastektomiepräparaten Mammografieaufnahmen von vergleichbarer Qualität. Darüber hinaus ermöglicht das Gerät den simultanen Ultraschall als 2. Bildmodalität der komplementären Mammadiagnostik ohne einen signifikanten Zeit- und zusätzlichen Untersucheraufwand.


Articles from Geburtshilfe und Frauenheilkunde are provided here courtesy of Thieme Medical Publishers

RESOURCES