數(shù)字乳腺斷層攝影的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

李美然(綜述),蔣 濤(審校)

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽(yáng)醫(yī)院放射科,北京 100020)

乳腺X線檢查目前被公認(rèn)為是乳腺癌的首選檢查方式，特別對(duì)早期乳腺癌的診斷更具優(yōu)勢(shì)。近年來，乳腺X線攝影在降低輻射劑量、增加影像分辨率、讀片方式等方面有了很多改進(jìn)。然而，屏/膠乳腺X線攝影以及數(shù)字化乳腺X線攝影成像仍然局限于三維結(jié)構(gòu)信息被投照在二維平面圖像上，使解剖結(jié)構(gòu)與腫瘤組織重疊，形成“結(jié)構(gòu)噪聲”，影響乳腺癌檢出率。隨著影像設(shè)備的不斷更新，2005年在San Antonio舉行的第28屆乳癌研討會(huì)上，來自麻省總醫(yī)院的Dr.Rafferty介紹了Tomosynthesis乳腺攝影技術(shù)；2006年數(shù)字化乳腺斷層合成技術(shù)，又稱數(shù)字乳腺斷層攝影(digital breast tomosynthesis，DBT)被用于乳腺X線檢查[1-2]，使乳腺癌病變X線影像征象顯示的清晰度有了明顯提高。Dr.Rafferty在研討會(huì)上表示，Tomosynthesis乳腺攝影可以增加16%的乳癌檢測(cè)率，而且使原來假陽(yáng)性率降低85%，大大地提高了乳腺癌早期檢出和診斷概率[3]。

1 數(shù)字乳腺斷層合成技術(shù)的原理與發(fā)展

DBT是一項(xiàng)基于平板探測(cè)器技術(shù)的高級(jí)應(yīng)用，是在傳統(tǒng)體層攝影的幾何原理基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)字影像處理技術(shù)開發(fā)的新型體層成像技術(shù)。1971年，Miller等發(fā)展了這種斷層X線攝影技術(shù)，在獲取不同投影角度的單次投影像之后，利用這些投影像的不同位移，重構(gòu)任意深度的斷層像。1972年CT機(jī)問世，Grant創(chuàng)造了“tomosynthesis”一詞，意思是可以回顧性重建任意位置的層面圖像。Tomosynthesis的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在投影角度受限的條件下工作，但是因?yàn)槠浞悄繕?biāo)斷層的影像疊加在目標(biāo)斷層影像上，成像較為模糊[4]。Golsher利用幾何重建法、重復(fù)重建法、反復(fù)最小二乘方法提高了tomosynthesis的清晰度[4]。他還研究了利用投影信息直接進(jìn)行三維重建的方法，并指出在投影角度受限的條件下，用重復(fù)重建法直接進(jìn)行三維重建優(yōu)于一系列的二維重建[4]。而Tomosynthesis在乳腺檢查領(lǐng)域的應(yīng)用則是在20世紀(jì)70年代末得到公認(rèn)。20世紀(jì)90年代，讀取巨大數(shù)據(jù)量的傳感器出現(xiàn)。21世紀(jì)初，通用電氣的杰夫瑞埃伯哈德(Jeffrey Eberhard)領(lǐng)導(dǎo)埃伯哈德(Eberhard)研究小組與麻省總醫(yī)院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，采用水星計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Mercury Systems)公司的NVIDIA?圖形技術(shù)成功解決了DBT計(jì)算能力的障礙[3]。Mercury將優(yōu)化最大相似度與期望值最大化算法映射到了一個(gè)基于NVIDIA Quadro專業(yè)圖形處理器技術(shù)的GPU。Mercury的工程師使一個(gè)Quadro圖形卡能夠在300 s處理一個(gè)DBT掃描任務(wù)，隨后的改進(jìn)措施使處理時(shí)間減少50%。隨后麻省總醫(yī)院制訂了一個(gè)DBT設(shè)備規(guī)范，GE按照這個(gè)規(guī)范生產(chǎn)的DBT設(shè)備成了世界上同類型設(shè)備中第一個(gè)能夠使用三維乳腺X線攝影術(shù)對(duì)整個(gè)乳腺進(jìn)行評(píng)價(jià)的儀器[3]。近年，日本曾根等對(duì)這種方法的X線探測(cè)器進(jìn)行了數(shù)字化，開發(fā)了實(shí)用優(yōu)良的Digital Tomosynthesis系統(tǒng)[4]。

DBT使用時(shí)的壓迫方式與傳統(tǒng)乳腺攝影相同，X線管球在有限的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)10°～20°，每旋轉(zhuǎn)1°低劑量曝光一次，得到一系列數(shù)字影像，這些圖像分別從位于一條弧線上的不同位置拍攝。整個(gè)掃描過程共曝光10～20次，只需5 s甚至更短時(shí)間，而患者所受輻射劑量并不會(huì)增加(圖1)。

圖1 DBT掃描示意圖

當(dāng)管球垂直投照兩個(gè)病灶時(shí)，兩個(gè)病灶會(huì)相互重疊，給診斷帶來干擾；當(dāng)管球以其他角度攝影時(shí)，由于探測(cè)器位置不同，改變病灶的投影位置，使兩個(gè)病灶相互區(qū)分顯示(圖2)。

圖2 DBT成像示意圖

通過先對(duì)各個(gè)投影圖像進(jìn)行高通和低通濾波，然后再疊加獲得斷層圖像。具體方法是先對(duì)每個(gè)離散投影數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，

Itomo=21nI0-2μnd-μtD

(1)

使合成圖像的信息與所觀察結(jié)構(gòu)及其上下重疊組織的衰減系數(shù)成線形關(guān)系。然后對(duì)每個(gè)投影像進(jìn)行傅立葉變換，然后乘以二維直線型權(quán)函數(shù)。

F(ωa,ωb)=〔1+cos(πωa)〕〔1+cos(πωb)〕

(2)

再將離散投影圖像位移疊加獲得平均值，

T(x′,y)=1n∑nk-1T(x′,y)δ〔x′-shiftk(z)〕

(3)

即獲得數(shù)字和成體層圖像。最后通過計(jì)算機(jī)最大相似度與期望值最大化算法估算乳腺組織的位置[5-6]。將整個(gè)乳腺重建為間隔1×10-3m的圖像，這樣醫(yī)師就更容易發(fā)現(xiàn)因組織重疊而隱藏于正常組織腺體中的微小病灶。DBT合成圖像的質(zhì)量主要受投影圖像質(zhì)量和重建方法的影響。投影圖像質(zhì)量可以通過提高探測(cè)器的性能來改善,重點(diǎn)是平板探測(cè)器的應(yīng)用。而重建算法的使用是為了去除層外結(jié)構(gòu)的模糊噪聲。針對(duì)不同物體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)應(yīng)選擇合適的降噪方法,這方面仍有待進(jìn)一步研究。隨著計(jì)算機(jī)處理功能的提高以及數(shù)字平板探測(cè)器的研制成功，研究人員又激發(fā)了對(duì)數(shù)字合成體層成像的興趣，主要涉及重建算法、降噪方法等[7]。1994年，日本的平野圭藏等提出了一種新的斷層重建方法——頻域反卷積影像法，而后溫俊海等[4]提出的空間域圖像移位消去法對(duì)頻域反卷積影像法運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、零頻率丟失進(jìn)行了優(yōu)化。但其對(duì)噪聲的影響比較敏感，仍是今后需要加以研究的方向。位移與疊加是數(shù)字合成體層成像應(yīng)用最普遍的重建方法。抑制模糊的最簡(jiǎn)單的方法是對(duì)合成圖像進(jìn)行頻率濾波。

2 臨床研究現(xiàn)狀

在針對(duì)DBT系統(tǒng)獲取乳腺攝影及斷層影像的放射劑量學(xué)特征的研究中，比較全視野乳腺攝影(full-field digital mam-mography,FFDM)和DBT兩種模式下，不同大小及腺體含量的乳腺的平均腺體劑量(mammary gland dose,MGD)。利用Selenia Dimensions系統(tǒng)拍攝一幅單純頭尾位影像，壓縮厚度0.05 m、含有50%腺體成分的乳腺，在FFDM模式下的MGD為(0.309～5.26)×10-3Gy，在DBT模式下為(0.657～3.52)×10-3Gy。DBT采集的MGD比FFDM高8%(分別為1.3×10-3和1.2×10-3Gy)。壓縮厚度0.06 m、含有14.3%腺體成分的乳腺，DBT采集的MGD比FFDM高83%(分別為2.12×10-3和1.16×10-3Gy)。將二維影像行三維影像融合，壓縮厚度0.05 m、含有50%腺體含量的乳腺的MGD為2.5×10-3Gy，低于雙體位乳腺篩查攝影質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值[8]。對(duì)乳腺X線攝影或超聲檢查發(fā)現(xiàn)有一側(cè)乳腺為可疑或可能惡性病變的200例女性進(jìn)行DBT、FFDM方面的研究，當(dāng)用相同的劑量獲取她們兩側(cè)乳腺內(nèi)外側(cè)斜位的斷層合成影像和標(biāo)準(zhǔn)屏/片乳腺攝影頭尾位和內(nèi)外側(cè)斜位的影像后，根據(jù)美國(guó)放射學(xué)會(huì)的乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(BI-RADS)對(duì)影像進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行受試者工作特征曲線分析。結(jié)果顯示所有惡性者DBT和FFDM的受試者工作特征曲線下面積(0.851和0.836，P=0.645)的臨床表現(xiàn)與其他所有病例并無(wú)明顯差異。也就是說,與標(biāo)準(zhǔn)屏/片系統(tǒng)的乳腺X線攝影總劑量相同的一個(gè)體位的斷層合成并不比兩個(gè)體位攝影的數(shù)字乳腺X線攝影臨床表現(xiàn)差[9]。

數(shù)字乳腺斷層技術(shù)的使用必將導(dǎo)致采集圖像大量增加，增加了診斷醫(yī)師的工作量。如果計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與DBT結(jié)合，必將提高乳腺疾病診斷的工作效率。一些研究人員已經(jīng)開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)的DBT，該系統(tǒng)的開發(fā)基于豐富的DBT數(shù)據(jù)，并有研究報(bào)道，其乳腺疾病診斷的靈敏度為90%[10-11]。

3 在乳腺癌診斷方面的價(jià)值

乳腺斷層合成是對(duì)目前數(shù)字化乳腺攝影進(jìn)行的細(xì)微調(diào)整和改善。它具有二維數(shù)字化乳腺攝影和乳腺斷層合成雙重功能。因此，乳腺斷層合成具有數(shù)字化乳腺攝影的所有優(yōu)勢(shì)。如可重現(xiàn)性、圖像噪聲偽影少、數(shù)字圖像處理等。

隨著乳腺斷層合成技術(shù)的使用，患者所接受的總輻射劑量與二維數(shù)字乳腺攝影相當(dāng)甚至更低[12-13]。其對(duì)微小鈣化灶有很高的特異性，還可以提供容積信息，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行腫瘤手術(shù)的三維定位。

DBT的每個(gè)投影的曝光量是相同的，增加了量噪，提高了觀察物的曝光量，降低了信噪比[14]。相對(duì)于傳統(tǒng)的乳腺X線檢查，乳腺斷層合成也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：重建的斷層圖像可以提高乳腺內(nèi)病變組織的清晰度，同時(shí)增加病變組織與周邊腺體組織的對(duì)比度，有利于更好地區(qū)分病變組織的邊緣，對(duì)乳腺組織內(nèi)微小病灶和鈣化灶的檢測(cè)能力大大地提高，而微小鈣化灶常常是早期乳腺癌的唯一表現(xiàn)[5-6,15]。

在一項(xiàng)關(guān)于異常軟組織DBT的準(zhǔn)確性、精確度的研究中，對(duì)屏/膠X線常規(guī)篩查后被召回的738例婦女先進(jìn)行FFDM(頭尾位和內(nèi)外側(cè)斜位)，然后再行DBT(內(nèi)外側(cè)斜位)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 惡性病變組織的FFDM vs DBT[16] (%)

結(jié)果顯示,DBT較FFDM能更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)病變。另外，DBT還發(fā)現(xiàn)了6個(gè)屏/膠乳房X線檢查和FFDM漏診的癌癥患者，精度也較屏/膠乳腺X線檢查和FFDM顯著提高。

在大多數(shù)的腫塊病例中，尤其是致密型的乳腺，腫塊的邊緣與腫塊周邊的擴(kuò)張導(dǎo)管可以更加清楚地顯示[5]。因此，乳腺斷層篩查可以降低召回率、活檢率。

數(shù)字化乳腺攝影壓迫乳腺組織的目的是實(shí)現(xiàn)固定，盡量減少乳腺厚度和輻射劑量。但是，許多患者因?yàn)閼峙绿弁幢苊膺M(jìn)行乳腺X線檢查。而乳腺斷層合成不需要壓迫乳腺組織使其完全平行于探測(cè)器，因此乳腺斷層合成的壓迫程度比二維數(shù)字化乳腺攝影壓迫程度要低[17]。

雖然目前所觀察到的乳腺斷層合成技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)性的缺點(diǎn)，但是它有一些潛在的不利因素：①定位，因?yàn)樘綔y(cè)器的規(guī)格較大，需要專門的培訓(xùn)技師。②可能因?yàn)槠毓鈺r(shí)間稍長(zhǎng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影；③一些微小鈣化點(diǎn)沒有實(shí)質(zhì)性的意義，但大的鈣化點(diǎn)可能被夸大而造成誤診；④大量的重建圖像使顯示圖像的時(shí)間延長(zhǎng)；⑤乳腺斷層合成圖像與二維乳腺X線平片相比，沒能更好地顯示病變部位損傷程度；⑥與二維乳腺X線檢查相比，乳腺斷層合成圖像的密度投影與正常組織結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)位置上的偏移，二維數(shù)字乳腺X線檢查比乳腺斷層合成圖像更加清晰地顯示出正常腺體組織和乳管的密度投影。由于以上這些不利因素，乳腺斷層合成攝影還需要專業(yè)的放射技術(shù)培訓(xùn)[5]。

4 展 望

隨著人們生活水平和健康意識(shí)的不斷提高，早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療，降低乳腺癌的病死率勢(shì)在必行。DBT較FFDM在提高乳腺癌檢出率和降低誤診率方面有很大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)早期乳腺癌的篩查也具有很大潛質(zhì)。數(shù)字乳腺斷層成像已成為未來乳腺X線機(jī)的發(fā)展方向。

乳腺斷層合成發(fā)展的初步階段還有一些問題有待解決。例如，圖像采集時(shí)管球旋轉(zhuǎn)的最佳角度范圍、曝光時(shí)間、每幅采集圖像的間隔、采集幀數(shù)、重建方法、數(shù)字合成參數(shù)、降噪方法、圖像顯示方法的改進(jìn)等，這些參數(shù)都還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，關(guān)于DBT圖像觀察是需要兩個(gè)方位觀察(頭尾位和內(nèi)外側(cè)斜位)還是僅一個(gè)內(nèi)外側(cè)斜位也尚在討論之中[11，18]。這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用與臨床是僅用于已診斷乳腺異常的乳腺癌高危人群，還是用于一般的乳腺篩查？為降低召回率，提高活檢率，增加乳腺癌檢出率的臨床療效方法，必須進(jìn)一步研究。

近年報(bào)道的對(duì)比強(qiáng)化DBT(contrast-enhanced digital breast tomosynthesis,CE-DBT)檢查，可以提供病灶的血供信息[19]，其形態(tài)顯示更清楚。與MRI檢查相比，CE-DBT同樣需要靜脈注射造影，由于MRI檢查時(shí)間長(zhǎng)，患者容易移動(dòng)差生偽影，導(dǎo)致重復(fù)采集影響診斷。CE-DBT對(duì)腺體進(jìn)行壓迫限制移動(dòng)，避免偽影產(chǎn)生，但是過度壓迫會(huì)阻礙血液循環(huán)，影響乳房增強(qiáng)效果。

盡管有許多問題有待解決，但是乳腺斷層合成技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)比增強(qiáng)三維成像[19]、腫瘤體積估計(jì)、多病灶中心手術(shù)規(guī)劃的評(píng)估。通過三維重建技術(shù)可更好地了解整個(gè)病變的三維圖像數(shù)據(jù)，減少診斷乳腺X線攝影所需的圖像數(shù)量，從而減少患者輻射劑量[6]。如果乳腺斷層合成技術(shù)可提供足夠的信息和較低的檢查成本，它將比磁共振成像技術(shù)更普遍地應(yīng)用于臨床。

綜上所述，乳腺斷層合成攝影可獲得三維圖像，可以更好地區(qū)分重疊組織，盡量避免因組織重疊而造成的漏診、誤診，提高假陽(yáng)性檢出率和良惡性的鑒別診斷能力，特別是對(duì)早期觸及不到的乳腺癌診斷具有重要意義。雖然DBT作為診斷乳腺疾病的新技術(shù)仍存在一定的局限性，但通過大量的實(shí)驗(yàn)和研究經(jīng)驗(yàn)的積累，將在乳腺癌的臨床診斷、治療中發(fā)揮巨大的作用。

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