Development and Application of an Energy Dispersive X-ray System for Determining the Linear Attenuation Coefficient and Scattering Profile of Breast Diseases

As propriedades de espalhamento de raios X e atenuação de tecidos mamários normais (adiposo e fibroglandular), neoplásicos (benigno e maligno) e vários materiais tecido-equivalente (nylon, poliacetato, polimetilmetacrilato (PMMA), água, músculo-equivalente, osso-equivalente e adiposo-equivalente) foram determinados usando um sistema de raios X dispersivo em energia (SRXDE). O SRXDE consistiu de um tubo de raios X com anodo de tungstênio operando a 60kVp, um goniômetro e dois detectores: um detector de telureto de cádmio (CdTe), posicionado a 7 graus com relação ao feixe incidente usado para detectar a distribuição em energia dos fótons espalhados (numa faixa de momento transferido de 0,5nm-1 - 3,5nm-1) e um detector de silício (Silicon Drift Detector, SDD), posicionado a zero graus e usado para detectar a distribuição em energia do feixe transmitido (com amostra) ou do feixe incidente (sem amostra). A distribuição espectral foi processada para se obter o perfil de espalhamento e o coeficiente de atenuação linear de 100 amostras de tecidos mamários (59 normal, 30 maligno e 11 benigno). Este sistema foi, também, aplicado ao estudo de regiões de transição entre tecidos com diferentes composições. Os resultados encontrados neste trabalho mostram que os tecidos mamários podem ser caracterizados através de suas propriedades de atenuação e espalhamento. Perfis de espalhamento neoplásico apresentam formato do pico principal significativamente diferente na faixa de momento transferido de 0,8nm-1 - 2,0nm-1, aos tecidos normais. Especificamente, o tecido adiposo apresentou um perfil de espalhamento muito diferente (pico principal em 1,12nm-1 e LMA de 0,33nm-1) quando comparado com tecidos neoplásico maligno e benigno e normal fibroglandular (pico principal em torno de 1,54nm-1 e LMA em torno de 0,73nm-1). O coeficiente de atenuação linear observado para os tecidos maligno, benigno e fibroglandular são muito similares e mostraram diferenças menores que 8% para energias entre 10 e 35keV. Entretanto, o tecido adiposo apresentou diferenças significativas com relação aos outros tecidos em toda faixa de energia (diferenças de até 40% foram observadas). Os resultados obtidos da varredura espacial das amostras heterogêneas mostram que o sistema desenvolvido permite o estudo de regiões de transição entre tecidos com diferentes composições. Finalmente, nossos resultados foram comparados com dados experimentais previamente publicados na literatura, mostrando boa concordância dentro das incertezas estatísticas.The X-ray scattering and attenuation properties for normal (adipose and glandular) and neoplastic (benign and malignant) breast tissues and several tissue-equivalent materials (nylon, polyacetate, polymethylmethacrylate (PMMA), water, muscle-equivalent, bone-equivalent and adipose-equivalent) were determined using an energy dispersive X-ray system (EDXS). The EDXS consisted of a tungsten anode X-ray tube operating at 60kVp, a goniometer, and two detectors: a Cadmium Telluride (CdTe) detector, positioned at 7 degrees with relation to the incident beam used for detecting the energy distribution of scattered photons (over the momentum transfer range of 0,5nm-1- 3,5nm-1) and a Silicon Drift Detector (SSD), positioned at zero degree used for detecting the energy distribution of the transmitted beam (with the sample) or the incident beam (without the sample). The spectra distributions were processed to obtaine the scattering profile and the linear attenuation coefficient of 100 samples of breast tissues (59 normal, 30 malignant and 11 benign). This system was also applied to the study of the transition regions between tissues with different composition. The results found in this work show that breast tissues may be characterized through their attenuation and scattering properties. Neoplastic scattering profiles presented format and the main peak position significantly different in the range of momentum transfer from 0,8nm-1- 2,0nm-1, to normal tissues. Specifically, adipose tissue presented a very different scattering profile (main peak at 1,12nm-1and FWHM of 0,33nm-1) when compared with malignant, benign and also normal glandular tissues (main peak around 1,54nm-1and FWHM about of 0,73nm-1). The linear attenuation coefficient observed for malignant, benign and normal glandular tissues were quite similar and showed differences smaller than 8% for energies between 10 and 35keV. However, adipose tissue presented significant differences from the others tissues type in all energy range (differences up to 40% were observed). The results of the spatial scan of heterogeneous samples show that the developed system allows the study of transition regions between tissues with different composition. Finally, our results were compared with previous experimental data showing a good agreement within the experimental uncertaintie