數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)優(yōu)化研究

胡安康，邱 睿,*，王文靜，段文思，武 禎，李春艷，李君利，康天良，牛延濤，馮澤臣

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室，北京 100084；3.中國原子能工業(yè)有限公司，北京 100032；4.同方威視技術(shù)股份有限公司，北京 100084；5.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院，北京 100730；6.北京市疾病預(yù)防控制中心，北京 100013)

根據(jù)對中國女性乳腺癌2008年的統(tǒng)計結(jié)果，我國女性乳腺癌5年患病率在女性腫瘤和所有腫瘤中均位居第一[1]。數(shù)字乳腺X射線攝影是早期發(fā)現(xiàn)乳腺癌的最有效的診斷手段之一[2]，世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦數(shù)字乳腺X射線攝影作為篩查乳腺癌的策略[3]。然而，在可發(fā)現(xiàn)癌癥的同時，數(shù)字乳腺X射線攝影也存在潛在的輻射致癌風(fēng)險。乳腺是人體對輻射致癌最敏感的組織之一，組織權(quán)重因子在ICRP的103號報告中已從0.05被提升為0.12[4]，這引發(fā)了人們對數(shù)字乳腺X射線攝影輻射風(fēng)險的關(guān)注。隨著乳腺X線攝影越來越多的在臨床上應(yīng)用，它導(dǎo)致了更大的公眾集體劑量，進而導(dǎo)致了更大的輻射致癌風(fēng)險。

為了使女性受檢者接受盡量低的劑量的同時獲得盡量好的圖像質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些研究[5-11]，Tomal等[6]和Izdihar等[7]研究了圖像質(zhì)量和乳腺劑量與X射線能量的關(guān)系，Biegaa等[8]和Baldelli等[9]研究了靶/濾過組合對圖像質(zhì)量和劑量的影響。但適合中國女性乳房發(fā)育特點的乳腺X線攝影成像參數(shù)優(yōu)化，目前還缺少相關(guān)研究。本文在考慮中國女性乳房發(fā)育特點的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字乳腺X射線攝影參數(shù)優(yōu)化實驗，研究數(shù)字乳腺X射線攝影中圖像質(zhì)量評價指標(biāo)與受檢者受照劑量隨成像參數(shù)變化的規(guī)律，得到適用于中國女性的數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)，減小女性受檢者的受照劑量，同時不影響數(shù)字乳腺X射線攝影成像的圖像質(zhì)量，為臨床提供參考。

1 數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)優(yōu)化方法

1.1 成像參數(shù)優(yōu)化程度的評估方法

參考國內(nèi)外學(xué)者的研究[5-11]，本文選用品質(zhì)因數(shù)(FOM)作為不同成像參數(shù)優(yōu)化程度的評估標(biāo)準(zhǔn)，進行數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)的優(yōu)化研究。FOM通過公式FOM=CNR2/MGD得到，其中，CNR為對比度噪聲比，可作為衡量不同成像參數(shù)下所得圖像質(zhì)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)，MGD為平均腺體劑量，用于衡量受檢者在數(shù)字乳腺X射線攝影檢查中所受到的輻射劑量水平。FOM越大，表明該成像參數(shù)的優(yōu)化程度越好。

1.2 圖像質(zhì)量的評估方法

本文采用CNR作為衡量不同成像參數(shù)下所得圖像質(zhì)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)，CNR計算方法[6,12]為：

(1)

式中：MPV(A)為信號區(qū)的平均灰度；MPV(B)為背景區(qū)的平均灰度；SD(A)為信號區(qū)的灰度標(biāo)準(zhǔn)差；SD(B)為背景區(qū)的灰度標(biāo)準(zhǔn)差。式(1)中的分母為聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果包含了信號區(qū)與背景區(qū)兩個區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差，常用于描述數(shù)字乳腺X射線攝影機圖像的噪聲；分子為信號區(qū)與背景區(qū)的灰度差，可用來描述數(shù)字乳腺X射線攝影機的對比度；兩者相除可得到數(shù)字乳腺X射線攝影圖像的CNR。

1.3 受檢者受照劑量的評估方法

國際原子能機構(gòu)(IAEA)[13]、歐洲乳腺篩查和診斷質(zhì)量保證參考組織(EUREF)[12]和美國放射學(xué)會(ACR)[14]均利用MGD來衡量受檢者在數(shù)字乳腺X射線攝影檢查中所受到的輻射劑量水平。MGD(mGy)不能通過實驗測量直接得到，而是通過公式MGD=Kg計算得到。其中，K(mGy)為模體入射表面空氣比釋動能，一般基于實驗測量得到，g為蒙特卡羅模擬得到的平均腺體劑量轉(zhuǎn)換因子，g與X射線管電壓、靶/濾過組合、乳房壓迫厚度、乳腺腺體百分含量等因素有關(guān)，一般基于蒙特卡羅模擬計算得到。清華大學(xué)工程物理系輻射防護研究室已根據(jù)中國女性的乳房特征和乳房內(nèi)的細致結(jié)構(gòu)，建立了精細乳房模型，并用于數(shù)字乳腺X射線攝影的蒙特卡羅模擬，得到了適用于中國女性的平均腺體劑量轉(zhuǎn)換因子g[15]。

2 數(shù)字乳腺X射線攝影參數(shù)優(yōu)化實驗

2.1 實驗儀器與設(shè)備

實驗采用Hologic Lorad Selenia數(shù)字乳腺X射線攝影機，該機型有Mo/Mo、Mo/Rh兩種靶/濾過組合。采用CIRS數(shù)字乳腺X射線攝影研究系列010A、010B和010C乳腺模體，在不同成像條件下，包括不同靶/濾過組合、管電壓(kVp)、曝光量(mA·s)下，進行數(shù)字乳腺X射線攝影。其中，腺體百分含量為20%、30%、50%的模體厚度分別為6、5、4 cm。

采用RaySafe X2 mammo半導(dǎo)體探測器測量不同靶/濾過組合、不同管電壓下X射線的半值層(HVL，mmAl)和乳腺模體入射表面的空氣比釋動能K。該探測器具有主動補償功能，可測量不同靶/濾過組合下1 μGy～99 Gy劑量、半值層測量范圍為0.2～3.6 mmAl，由中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所的次級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實驗室校準(zhǔn)，該實驗室可溯源到德國PTB國家一級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實驗室。

2.2 圖像質(zhì)量的獲取

CIRS乳腺模體內(nèi)部細節(jié)和數(shù)字乳腺X射線攝影圖像如圖1所示，本實驗中計算CNR所用的信號區(qū)為14區(qū)，即嵌有1 cm厚的腺體百分含量為100%的區(qū)域。背景區(qū)為31區(qū)，對于4、5和6 cm厚的模體，其腺體百分含量分別為50%、30%和20%。利用Image J軟件對不同成像參數(shù)下獲得的圖像進行處理，測量信號區(qū)和背景區(qū)的平均灰度MPV和灰度標(biāo)準(zhǔn)差SD。

圖1 CIRS乳腺模體內(nèi)部細節(jié)(a)和數(shù)字乳腺X射線攝影圖像(b)Fig.1 Internal detail (a) and digital mammography image (b) of CIRS breast phantom

本文針對不同厚度的CIRS乳腺模體，在不同靶/濾過組合下，給出CNR相近時FOM隨管電壓變化的曲線，進而找到最大的FOM對應(yīng)的管電壓，即相近的圖像質(zhì)量下，受檢者受照劑量最小時對應(yīng)的管電壓，為臨床提供參考。為了確定合適的曝光量，使得到的圖像質(zhì)量一致，實驗中針對每塊模體，在每種靶/濾過組合、管電壓條件下均進行5次曝光，分別為自動曝光(AEC)、自動曝光下曝光量的80%、90%、110%、120%下手動曝光。為了探究相近圖像質(zhì)量下不同成像參數(shù)的優(yōu)化程度，在不同靶/濾過組合、管電壓條件下，從5次曝光得到的5個圖像計算的CNR中，選擇一系列CNR相近的圖像，認為其圖像質(zhì)量是接近一致的。

2.3 受檢者受照劑量的獲取

為了檢驗實驗采用的數(shù)字乳腺X射線攝影機的穩(wěn)定性，對Mo/Mo靶/濾過組合、28 kVp管電壓，40 mA·s曝光量下的K重復(fù)8次測量，平均值為4.33 mGy，標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 mGy，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.1%，可見穩(wěn)定性很好。

對于同一種數(shù)字乳腺X射線攝影機，相同的靶/濾過組合、管電壓下，K與曝光量是線性相關(guān)的。為了檢驗實驗采用的數(shù)字乳腺X射線攝影機的K與曝光量的線性關(guān)系，對Mo/Mo靶/濾過組合、28 kVp管電壓下，不同曝光量時的K進行測量，測量結(jié)果如圖2所示?？煽闯觯毓饬亢蚄之間的線性關(guān)系很好，相關(guān)系數(shù)R2為0.999 9。

圖2 曝光量與K之間的線性關(guān)系Fig.2 Relationship between K and exposure

實驗測量了不同厚度的乳腺模體在不同靶/濾過組合、管電壓下，某一曝光量下的K，得到曝光量到K的轉(zhuǎn)換系數(shù)(mGy/( mA·s))，再根據(jù)乳腺模體成像時記錄的靶/濾過組合、管電壓和曝光量，就可得到該成像條件下的K。根據(jù)實驗采用的乳腺模體厚度和腺體百分含量、實驗選擇的靶/濾過組合及實驗測量的HVL，通過查找計算得到的使用于中國女性的平均腺體劑量轉(zhuǎn)換因子表(表1、2)[15]，可找到對應(yīng)的g(mGy/mGy)。根據(jù)得到的K和g，則可得到不同成像條件下的MGD。

表1 Mo/Mo靶/濾過組合平均腺體劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]Table 1 MGD conversion coefficient for Mo/Mo target/filter combination[15]

表2 Mo/Rh靶/濾過組合平均腺體劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]Table 2 MGD conversion coefficient for Mo/Rh target/filter combination[15]

3 結(jié)果與討論

實驗中針對每塊模體，在每種靶/濾過組合、管電壓條件下均進行了5次成像，分別為自動曝光下曝光量的80%、90%、100%、110%、120%下手動曝光。因此，針對每塊模體，每種靶/濾過組合，在25～35 kVp管電壓范圍內(nèi)，可選擇一系列CNR相近的圖像，用于成像參數(shù)優(yōu)化研究。經(jīng)過選擇，最終采用圖像的CNR如圖3所示。可看到，針對每塊乳腺模體、每種靶/濾過組合，采用的圖像的CNR比較一致。

乳腺模體厚度：a——4 cm；b——5 cm；c——6 cm圖3 不同管電壓下選取的圖像CNRFig.3 CNR of chosen images at different tube voltages

在CNR計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖像記錄的成像參數(shù)查找實驗測量的該成像條件下的K和蒙特卡羅模擬的該成像條件下的g，可計算成像時的MGD；進而可得到不同成像條件下的FOM。圖4為3種乳腺模體在不同靶濾過組合下，F(xiàn)OM隨管電壓的變化。

乳腺模體厚度：a——4 cm；b——5 cm；c——6 cm圖4 FOM隨管電壓的變化Fig.4 FOM of images at different tube voltages

由圖4a可看出，對于腺體百分含量為50%、厚度為4 cm的乳腺模體，Mo/Mo靶/濾過組合下，管電壓為27 kVp時FOM最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為27 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以27 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓。Mo/Rh靶/濾過組合下，管電壓為28 kVp時FOM最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為28 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以28 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓。

由圖4b可看出，對于腺體百分含量為30%、厚度為5 cm的乳腺模體，Mo/Mo靶/濾過組合下，管電壓為27 kVp時FOM最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為27 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以27 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓；Mo/Rh靶/濾過組合下，管電壓為28 kVp時因子最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為28 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以28 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓。

由圖4c可看出，對于腺體百分含量為20%、厚度為6cm的乳腺模體，Mo/Mo靶/濾過組合下，管電壓為33 kVp時FOM最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為33 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以33 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓；Mo/Rh靶/濾過組合下，管電壓為27 kVp時FOM最大，即圖像質(zhì)量相近時，管電壓為27 kVp時受檢者接受的劑量最小，所以27 kVp為優(yōu)化程度最佳的管電壓。在此情形下，實驗測量得到的Mo/Mo靶/濾過組合下不同電壓的CNR波動較大，CNR及FOM的變化趨勢也與其他情形不同。此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因為：一方面是因為模體厚度較厚，而Mo/Mo靶/濾過組合的X射線穿透能力較弱，造成圖像噪聲較大，實驗測量誤差較大；另一方面，使用CNR事實上不能全面地衡量圖像質(zhì)量，因此得到的優(yōu)化程度最佳的管電壓僅代表以CNR衡量圖像質(zhì)量時的最佳值。

對于同一塊乳腺模體，Mo/Rh靶/濾過組合時優(yōu)化程度比Mo/Mo靶/濾過組合有更好的趨勢。表1、2中可看到，相同的HVL(HVL相同時由于X射線穿透能力相同，圖像質(zhì)量也相近)時，Mo/Rh靶/濾過組合相比于Mo/Mo靶/濾過組合的劑量較低，可解釋在Mo/Rh靶/濾過組合時優(yōu)化程度比Mo/Mo靶/濾過組合時有更好的趨勢。

4 結(jié)論

為了使得女性受檢者接受盡量低的劑量的同時獲得盡量好的圖像質(zhì)量，本文進行了數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)優(yōu)化研究，采用實驗方法對CIRS乳腺模體成像得到CNR表示的圖像質(zhì)量，同時測量模體入射表面空氣比釋動能K，根據(jù)劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)計算得到乳腺劑量，探究圖像質(zhì)量一致的情況下，受檢者的受照劑量隨不同成像參數(shù)的變化規(guī)律，從而找到適用于中國女性的數(shù)字乳腺X射線攝影成像參數(shù)。結(jié)果表明，對于Hologic Lorad Selenia機型，Mo/Rh靶/濾過組合成像時受檢者所受的平均腺體劑量比Mo/Mo靶/濾過組合成像時低，優(yōu)化程度更好。對于腺體百分含量為50%、30%、20%的乳腺模體，Mo/Mo靶/濾過組合下優(yōu)化程度最佳的管電壓分別為27、27、33 kVp，Mo/Rh靶/濾過組合下優(yōu)化程度最佳的管電壓分別為28、28、27 kVp。