数字乳腺三维断层合成摄影系统成像几何研究

李文玉,黎国武,王勇

【摘要】与其他大多数国家一样，乳腺癌的患病率逐年增高，已成为我国妇女最常见的恶性肿瘤。目前，乳腺X射线摄影是已被证实在众多成像模态中对乳腺癌筛查最为有效的检查方法，是目前世界卫生组织推荐乳腺疾病筛查诊断的首选手段，而数字乳腺三维断层合成摄影减少或消除了传统二维乳腺摄影中由于组织重叠和结构噪声引起的问题，提高了乳腺癌早期筛查、诊断准确率。

【关键词】X射线；乳腺；体层合成

1 引言

近年来，乳腺癌的患病率呈现逐年上升的趋势，且发病年龄趋向年轻化。定期检查是降低乳腺癌患者病死率的一种有效措施。乳腺癌作为世界卫生组织确认的能够通过早发现早治疗降低死亡率的癌症之一,X射线在乳腺疾病的应用方面取得新进展，如何在进行X射线检查时提高乳腺疾病的检出率、减少漏诊、避免误诊是值得深入探讨的医学问题。数字乳腺三维断层合成摄影减少或消除了传统二维乳腺摄影中由于组织重叠和结构噪声引起的问题，提高了乳腺癌早期筛查、诊断准确率。

目前，中国的医疗成像技术整体上仍旧较大幅度落后于先进国家。从1995 年起，美国相关单位包括麻省总院（MGH）、 GE 医疗等即已经开始研发 X 射线乳腺三维断层合成成像系统（ Digital Breast Tomosynthesis，以下简称 DBT），而豪洛杰公司（Hologic）在 GE 暂停项目商业化期间， 从 2005 年继续推进该项技术的产品化， 于 2010年向美国 FDA 提交了令人鼓舞的临床数据， 并且在 2011 年获得了美国 FDA 批准用于乳腺癌筛查。鉴于 Hologic 的成功，GE、西门子等也加紧产品研发，先后推出了获得 FDA 批准的同类系统。短短几年间，随着三维乳腺断层成像系统在美国获得大量的临床图像和多项临床研究的公开发表，在 2017 年的北美放射学会上，学界已经形成基本共识， 该项新技术将逐步取代 FFDM，成为妇女乳腺癌筛查的新标准，并已经开始着手建立新的筛查指南。

本文基于数字乳腺钼靶X射线成像系统，研究其几何结构对三维断层合成成像的影响。

2 数字乳腺X射线成像基本原理

X射线是一种波长极短、能量很大的电磁波，且具有穿透性。当X射线穿过某些物质时，部分电磁波被吸收，X射线强度成一定指数关系衰减，不同的物质对X射线的吸收不同，未被吸收的X射线穿过物体后被探测器接收。探测器接收到不同强度的X射线，转换成数字信号，输入给计算机处理并重建图像，这就是数字乳腺X射线成像的原理。探测器接收到的信号强弱取决于乳房的横断面内组织的密度，密度较高的组织吸收的X射线较多，探测器得到的信号较弱，比如肿瘤、钙化组织等；密度较低的组织吸收的X射线较少，检测到的信号就较强，比如脂肪等组织。检测器接收到的信息显示出不同密度的乳腺阴影图像。根据阴影图像的对比，结合临床经验，较容易判断乳腺组织的是否存在异常。

3 三维断层合成几何影响因素

X 射线三维乳腺断层成像技术，主要包括三个方面：（1）数据采集和预处理、（2）图像重建、（3）图像后处理。后二者均为软件问题，而第一项涉及诸多系统硬件设计和控制系统。 第一项的目的，就是要获得优质的投影图像，为后续三维重建和后处理建立良好的基础。要获得优质的投影图像，就涉及本文所要讨论的重要课题：成像几何，这是产品系统设计的一项重要内容。

传统乳腺癌筛查拍摄通常采用两种摆位：头脚位（CC）和内外侧斜位（MLO），无论采用CC 位或 MLO 位，球管焦点始终位于图像采集平面（或探测器）的中心线上方，也就是说，改变投影位置（即摆位角度）时，球管和探测器同步旋转。

新的 DBT 技术，球管和探测器的相对位置完全不同。 如图 1 所示，当乳房摆位确定（例如 CC 位），并被压迫时，压迫板、乳房、探测器保持不动， 而上方的球管沿着一条弧线运动，其运动圆心大致位于乳房中心。 球管运动过程中，每相隔一定角度，拍摄一幅投影图像，例如图 1 中在位置 1 和位置 2 分别拍摄了下方的 1、 2 两幅投影。当然真实的 DBT 系统，采集的投影图像数目肯定超过两幅。

成像几何要解决的问题是：

—乳房中心离开成像面（探测器）距离多大？

—球管焦点离开成像面距离多大？

—球管运动的范围（角度）多大比较合理？

—总共需要采集多少幅投影图像，才能获得较高质量的重建图像

1)乳房中心离开成像面距离

如前所述，采集投影图像时，球管以乳房中心为圆心，沿圆弧运动。这种运动称为等中

心旋转投影。然而，事实上乳房厚度不可能一致，所以在做系统设计时，需要假设一个恒定

的乳房厚度，行业内部一般确定这个参数为压迫厚度为 60 毫米。也就是说，乳房中心离开

乳房承托台面 30 毫米。

由于探测器成像面积有限制，可以非常直观地得出结论:乳房越靠近探测器，则系统越

可以具备拍摄大尺寸乳房的能力。如果乳房离开探测器较远，则在球管沿弧线运动到边缘极

限时，乳房边缘在 X 射线照射下的投影很容易超出探测器有效成像面积，造成部分数据丢失。

目前商用化的乳腺数字探测器，其成像面与外壳上表面的距离一般在 4 到 5 毫米。由于DBT 系统需要兼顾二维拍摄的需求（目前欧美学界的共识是，采用二维 DM+三维 DBT 模式进行筛查。当然，工业界也已经开发了采用 DBT 数据合成二维 DM 图像的功能，正等待临床数据验证。如果证据表明其探测能力优于二维投影，则可以免除二维拍摄，从而有效降低病人剂量），所以目前还需预留容纳二维拍摄动态滤线栅的空间。故乳房承托台外表面与探测器外壳上表面之间的距离以 5 到 7 毫米为宜。将来取消二维拍摄滤线栅时，该距离可以缩减至2 到 3 毫米。

根据上述推导，乳房中心与成像面的距离设计成：容纳二维滤线栅时为40到42；取滤线栅时为36到38毫米

2)球管焦点离开成像面距离 SID

球管焦点离开成像面的距离，是多因素综合的结果： 球管射线有效发射覆盖面积（发射角和球管安装倾角）、探测器有效成像面积、尽量保持机头设计的小巧美观等等。
首要考虑的因素，是尽可能利用探测器的有效成像面积，要求射线可以完全覆盖该区域，
这样才能保证拍摄的投影图像上不会留下射线死区。当 SID 设计为 650 毫米时，针对目前普遍采用的探测器有效区域 24X30cm2，则有效阳极倾角（即球管阳极角+球管安装倾角）需要达到 20° ，才能避免出现射线死区。设计工程师应该根据实际采用的球管配置合理设计 SID 参数，考虑到系统可能要兼容不同的球管，建议将 SID 的设计需求设定为 650 到 680 间为宜

3)球管运动（角度）范围

图2 不同投影角度范围的K空间填充度

图3 不同X光成像技术的球管投影角度范围

多数研究者认为，球管运动范围越大越好。傅里叶变换的 K 空间理论，也可以直观地证明，越大范围角度的投影图，可以越精确地求解投影的空间结构。

图 2 所示，在 X 光成像领域，球管运动范围， 即角度θ，决定了 K 空间中数据填充的角度范围：球管扫描的范围越大， K 空间填充得越满，亦即记录的数据越多。而数据缺失的部分，称为零空间，将导致对象重建的缺陷。

图 3 所示，左侧的常规 DR 摄影，由于只能获得平面投影图像， K 空间的填充角度为 0°；中间的 DBT 断层合成成像系统，采用了 30°的球管扫描角度， K 空间的数据填充角度也为30°，扫描对象乳房的采集数据不完整， 对象的三维模型重建有缺陷；右侧的 CT 扫描系统，球管围绕病人 360°扫描， K 空间采集数据完全填充，可以实现三维模型的完全重建。

图4 不同X光成像技术拍摄的乳腺体模重建图像

图4采用乳房体模的拍摄重建来直观体现出三种不同X光技术对于立体对象的重建质量对比，可以明显看出从左至右，随着扫描角度增加，重建的图像质量逐渐提高。

但是事情都有其两面性， CT 图像的高质量，建立在其多达几百帧甚至超过一千帧投影

图像的基础上，这就意味着相对于当前乳腺成像数十倍的辐射剂量，对于乳腺这样射线敏感

型器官，这种方法可能导致医源性致癌率的上升。

参照图 1 和图 2，在乳房成像领域，我们更关心的是平行于 XY 面的切层的图像质量，

同时要保证采用较少数量（譬如 15 幅以下）投影的条件下来达成目标。

图5 采用15幅投影图时，不同扫描角度范围的XY面切面重建图像

从图 5 可以看出，当采用 15 幅投影图来重建 XY 面切层图像时，尽管重建的结构更清晰，但 90°和 360°扫描都会引入更多的伪影。反而是 15°扫描时，能在保留大部分结构细节的同时，具有最少的伪影。

在 Ingrid Reiser 和 Stephen Glick 等编著的《Tomosynthesis Imaging》一书中，介绍了有关扫描角度和采样投影图像数量的研究。 2003 年（Wu, et al.）的研究显示，较小的扫描角度可以获得更好的断层图像空间分辨率，但 z 轴（亦即垂直于探测器表面）分辨率下降。他们还研究了非均匀角度采样投影，发现可以在保持良好的断层分辨率的同时改善 z轴分辨率。

相关资料显示，更大的扫描角度，有利于三维体积的精确重建；而 15°扫描角，对于断层图像重建已经足够。

目前已经商用化的 DBT 设备中， 扫描角度各不相同，有采用 15° 的，也有采用 25° 到30°甚至 50°的。一般情况下，筛查目的的 DBT 会采用较小的角度，而较大角度有利于三维立体渲染。

建议我们的系统采用 15°作为断层重建的扫描角度，而保留 25°至 40°角度作为三维直观乳房模型重建的手段。

4)采集投影图像数目

图6 采用15°扫描角度时，不同投影数量时的XY断层重建图像

图 6 展示了固定 15° 扫描范围时，不同投影数量对 XY 断层重建图像的影响，从右至左分别为 1 幅、 5 幅、 15 幅、无限多幅。可以看出，随着投影数量增加，重建断层图像逐渐变得更加清晰，并且伪影也逐渐减少。但是从 1 到 5 的改善最明显，而从 5 到 15、以及从 15到无线多幅的改善则越来越小。

Sechopoulos 和 Ghetti 在 2009 年采用计算机模拟，研究了 63 组不同扫描角度和投影数量的组合，采用信噪比（CNR）、伪影扩散函数（ASF）等来衡量图像质量，他们的结论是，增加投影数量超过一个相对较小的值后，并不能改善 z 轴分辨率。他们建议的最小采集数量是 13 幅投影图像。

能够采集多少幅投影图像，还受到其他因素的制约：球管扫描运动的速度、球管热容量

限制、探测器的帧频、每个病人总扫描时间的限制等等。

建议我们的系统在采集投影图像数目这个指标上，不应低于 11 帧。

4 结论

根据前述的讨论，可以初步确定拟研发的三维乳腺 X 射线断层成像系统的成像几何参数如下:

乳房中心到成像面的距离：容纳滤线栅时为：40~42mm

取消滤线栅时为： 36 ~38mm

球管焦点到成像面距离SID：650~680mm

球管运动（角度）范围：断层重建扫描：15°

三维容积渲染时： 25°~40°

采集投影图像数目：大于等于11 帧。

参考文献：

[1]燕树林. 乳腺X线摄影与质量控制.人民军医出版社，2008.

[2]Johnny Kuo, Peter A. Ringer, Steven G. Fallows et al. Dynamic Reconstruction and Rendering of 3D Tomosynthesis Images. Real-Time Tomography LLC(2011).

[3]Andrew Smith. Full Field Breast Tomosynthesis. Hologic, Inc(2010).

[4]Predrag R. Bakic, Peter Ringer, Johnny Kuo, Susan Ng, and Andrew D.A. Maidment. Analysis of Geometric Accuracy in Digital Breast Tomosynthesis Reconstruction. Digital Mammography 6136, 62-69 (2010).

[5]Ingrid Reiser，Stephen Glick.  Tomosynthesis Imaging. CRC Press,2014.