新型乳腺X射線與彩超三維成像有機(jī)集成與圖像融合系統(tǒng)研究

深圳圣諾醫(yī)療設(shè)備股份有限公司 （廣東 深圳 518055）

內(nèi)容提要： 乳腺X射線是早期發(fā)現(xiàn)乳腺鈣化、癌變的金標(biāo)準(zhǔn)，而彩超則對于發(fā)現(xiàn)乳腺組織的結(jié)構(gòu)性病變和腺體血流狀況有獨(dú)到優(yōu)勢，將三維數(shù)字乳腺X射線與三維立體彩超成像有機(jī)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，能夠很好地解決單一技術(shù)的缺陷，得到融合了X射線和彩超成像信息的三維乳腺圖像，從而大大提高診斷的準(zhǔn)確性和檢查效率，是臨床診斷乳腺癌的最有效辦法。

新型乳腺X射線與彩超三維成像有機(jī)集成與圖像融合系統(tǒng)是指將三維數(shù)字乳腺X射線成像技術(shù)與三維數(shù)字彩超成像技術(shù)進(jìn)行融合，在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對乳腺三維數(shù)字X射線圖像和三維彩超圖像的采集，并將采集到的X射線和彩超乳腺三維圖像通過系統(tǒng)工作站軟件進(jìn)行融合成像，結(jié)合X射線和彩超兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服X射線成像難以看到病變組織的完整影像結(jié)構(gòu)，超聲無法看到細(xì)小的鈣化等病變細(xì)節(jié)等單一技術(shù)的缺陷，得到融合了X射線和彩超成像信息的三維乳腺圖像，大大提高診斷的準(zhǔn)確性和檢查效率，滿足早期診斷乳腺增生、結(jié)節(jié)、鈣化、癌變等女性乳腺常見疾病的臨床需要。

1.技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外對三維數(shù)字乳腺X射線成像系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。2011年，美國Hologic公司和德國Siemens公司分別在其全數(shù)字乳腺X光機(jī)（FFDM）的基礎(chǔ)上，推出了可提供乳腺3D影像的X射線乳腺攝影設(shè)備（Breast Tomosynthesis），用于乳腺癌的篩查和診斷，該系統(tǒng)除了具有二維數(shù)字乳腺系統(tǒng)直接產(chǎn)生數(shù)字化圖像，計(jì)算機(jī)輔助診斷手段豐富等優(yōu)點(diǎn)外，還可以獲得更加清晰真實(shí)立體的乳腺影像，可以一目了然地看到乳腺組織和病灶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而大大改進(jìn)了現(xiàn)有二維的診斷方法，成為乳腺影像領(lǐng)域繼全數(shù)字乳腺X射線機(jī)之后又一劃時(shí)代的進(jìn)步。

三維立體彩超診斷系統(tǒng)是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界一種先進(jìn)、便捷、準(zhǔn)確的一種體外無痛檢查診斷技術(shù)。三維立體彩超技術(shù)已逐漸成為國際上超聲發(fā)展的主流方向。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國外已出現(xiàn)將三維數(shù)字乳腺X射線與三維立體彩超成像結(jié)合在一起進(jìn)行乳腺疾病診斷的研究，認(rèn)為這兩種檢查方式的結(jié)合將能夠很好地解決單一技術(shù)的缺陷，從而大大提高診斷的準(zhǔn)確性和檢查效率，但迄今為止尚未有成熟產(chǎn)品問世。

目前在高端數(shù)字乳腺成像領(lǐng)域，我國企業(yè)整體實(shí)力偏弱，還尚未有企業(yè)進(jìn)行三維數(shù)字乳腺X射線成像技術(shù)與三維數(shù)字彩超成像技術(shù)融合研究。

本文提出新型乳腺X射線與彩超三維成像有機(jī)集成與圖像融合系統(tǒng)，為創(chuàng)新型的高端成像設(shè)備，系統(tǒng)的軟硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)有機(jī)集成了X射線成像與彩超成像功能，實(shí)現(xiàn)對乳腺三維圖像信息的實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)的圖像工作站軟件算法則對X射線圖像和彩超圖像進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對X射線圖像數(shù)據(jù)的高效融合。該項(xiàng)研究結(jié)合X射線和彩超兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從而得到融合了X射線和彩超成像信息的三維乳腺圖像，使得臨床醫(yī)生可以更準(zhǔn)確更方便地診斷乳腺疾病。

2.重點(diǎn)解決的技術(shù)關(guān)鍵問題

本系統(tǒng)研究的主要技術(shù)問題有：①乳腺X射線成像層析采集與3D成像重建研究；②乳腺等中心快速旋轉(zhuǎn)定位動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)研究；③乳腺柔性最優(yōu)壓迫技術(shù)研究；④3D乳腺超聲成像系統(tǒng)研究；⑤X射線乳腺圖像與超聲圖像的融合方法研究。

3.系統(tǒng)方案

3.1 3D數(shù)字乳腺成像系統(tǒng)原理

在對受檢者乳房進(jìn)行壓迫定位后，C-臂機(jī)頭以受檢者乳房為中心左右一定角度（一般約±25°）范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在每旋轉(zhuǎn)一個(gè)比較小的角度（一般約2°）后，在計(jì)算機(jī)控制下，產(chǎn)生范圍為22～35kV的高頻可調(diào)高壓電場，陰極熱電極發(fā)射電子束高速轟擊高速旋轉(zhuǎn)的鎢靶，電子束急劇減速產(chǎn)生攜帶相對較低能量的軟X射線，并通過特制的發(fā)射焦點(diǎn)穿過濾線器窗口，在透過乳腺軟組織后，因人體乳房組織、病變組織具有不同的密度值，軟X射線經(jīng)過衰減將乳房的二維圖像投影于數(shù)字成像探測器上，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綀D像工作站軟件上進(jìn)行處理，從而得到掃描圖像數(shù)據(jù)，繼而C-臂機(jī)頭旋轉(zhuǎn)到下一角度繼續(xù)對受檢乳房進(jìn)行曝光拍照，從而得到多個(gè)動(dòng)態(tài)掃描圖像數(shù)據(jù)。工作站軟件在收集到所有動(dòng)態(tài)掃描圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行3D成像重建處理，最終得到3D乳腺影像。原理框圖見圖1。

圖1.3D數(shù)字乳腺成像系統(tǒng)原理框圖

3D數(shù)字乳腺X射線成像系統(tǒng)主要由X射線光源系統(tǒng)、曝光控制系統(tǒng)、乳腺定位控制系統(tǒng)、X射線成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、3D圖像重建系統(tǒng)等構(gòu)成。①光源系統(tǒng)由X射線球管、高壓電源、燈絲電路等組成。②曝光控制系統(tǒng)由準(zhǔn)直器、濾光片（濾線柵）、射線測量反饋單元、X射線信息接收采集裝置等組成。③乳腺定位控制系統(tǒng)由C-臂升降旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制單元、乳腺壓迫單元等組成。④成像數(shù)據(jù)采集重建系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加處理軟件等組成。3D數(shù)字乳腺X射線成像系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖2。

圖2.3D數(shù)字乳腺X射線成像系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖3.超聲成像系統(tǒng)框圖

表1.高壓發(fā)生器

表2.球管

表3.機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2 3D彩超成像技術(shù)原理

當(dāng)超聲探頭獲得激勵(lì)脈沖后，發(fā)射超聲波，聲波在人體組織中傳播，遇到不同的組織界面后產(chǎn)生反射回波，經(jīng)過一段時(shí)間延遲后，探頭陣元接收反射回波，并將回波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，簡稱回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過濾波、對數(shù)預(yù)放大、TGC放大等處理過程，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對數(shù)字超聲回波射頻信號(hào)進(jìn)行必要的濾波、解調(diào)、自相關(guān)等處理，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換、圖像處理，再與圖像形成電路和測量電路一起合成復(fù)合顯示視頻信號(hào)，送至顯示器顯示。彩色血流信號(hào)采集根據(jù)多普勒效應(yīng)，利用自相關(guān)技術(shù)獲取。

容積探頭中有一個(gè)馬達(dá)，帶動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，探頭發(fā)射接收一次，形成一幀2D超聲圖像，經(jīng)過若干次旋轉(zhuǎn)，形成一系列2D圖像，稱之為原始體數(shù)據(jù)，然后對原始體數(shù)據(jù)進(jìn)行2D和3D插補(bǔ)重構(gòu)，最后進(jìn)行渲染操作，形成3D超聲圖像。超聲成像系統(tǒng)框圖見圖3。

4.技術(shù)參數(shù)

①乳腺X射線3D成像層析采集數(shù)≥20幅；②3D乳腺超聲成像系統(tǒng)主要指標(biāo)：深度≤40mm時(shí)，橫向分辨力2mm，縱向分辨力≤0.5mm。

表4.壓迫器

表5.數(shù)字影像系統(tǒng)

表6.彩超成像系統(tǒng)

部分詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1～6。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)是將光機(jī)電一體化、放射影像鏈控制、數(shù)字化影像斷層掃描采集、三維圖像數(shù)據(jù)重建處理、X射線圖像與彩超圖像融合等尖端技術(shù)高度集成于一體的現(xiàn)代科技發(fā)展最新成果，系統(tǒng)的成功研制可以使得我國企業(yè)掌握3D數(shù)字影像診斷領(lǐng)域多項(xiàng)核心技術(shù)，并可以在整個(gè)產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化并大力推廣，從而大大提高我國醫(yī)學(xué)影像診斷整個(gè)產(chǎn)業(yè)的研制水平，同時(shí)也將培養(yǎng)出乳腺影像研發(fā)和診斷領(lǐng)域眾多的高端研發(fā)人才，使我國企業(yè)高端醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備的研制水平有較大的提高，更好地參與國際競爭。