三维数字乳腺X射线层析成像系统研制

李文玉1,张宏2,易明军3

摘要：乳腺X光机是用于检查妇女乳腺疾病的专用设备，具有分辨率高，检出效率高等特点。普通的二维乳腺X光机是把三维实体投照在二维图像上，这样的成像方式对一些致密型乳房，因乳腺组织的重叠，不可避免地造成了可能将隐藏的癌症遗漏误判为假阴性，或将一些重叠的伪影误判为假阳性的结果。而三维数字乳腺X射线层析成像是通过相对于乳房从多个角度进行成像，从而可以获取更加清晰真实立体的乳腺影像，再通过断层重建可以一目了然地看到乳腺组织和病灶的内部结构，从而大大改进了现有二维的诊断方法。

关键词：X射线；层析成像；乳腺

1引言

三维数字乳腺X射线层析成像是用于检查妇女乳腺疾病一种有效手段，除拥有普通二维数字乳腺成像辐射剂量小，摄影动态范围宽，分辨率高，能对图像进行多种变换、处理、传送，支持远程会诊等优点外，还具有不会产生乳腺组织重叠，能清晰的看到病灶内部结构，图像质量更加清晰等优点。

2技术发展现状

针对二维平面成像的缺陷，国外对三维数字乳腺X线层析成像系统进行了大量深入研究，取得了很多重要的进展。随着影像及数字技术的快速发展，2011年，美国Hologic公司和德国Siemens公司分别在其全数字乳腺X光机（FFDM）的基础上，推出了可提供乳腺3D影像的X线乳腺摄影设备（BreastTomosynthesis），用于乳腺癌的筛查和诊断，该系统除了具有二维数字乳腺系统直接产生数字化图像，计算机辅助诊断手段丰富等优点外，还可以获得更加清晰真实立体的乳腺影像，可以一目了然地看到乳腺组织和病灶的内部结构，从而大大改进了现有二维的诊断方法，成为乳腺影像领域继全数字乳腺X光机之后又一划时代的进步。

根据披露的资料，美国FDA在审批过程中审核了2D和3D乳腺成像的对照结果，在对照中，有资质的放射科医师被要求观察300多幅2D和3D乳腺成像检查影像。研究发现，与只观察2D影像相比，放射科医师在同时观察2D和3D影像后，区分癌症和非癌症病例的能力可提高7%。

因3D乳腺成像在拍照过程中对受检者单侧乳房自动进行连续性多次变角度小剂量拍照，其累计剂量约为全数字乳腺X光机一次拍照的1.5倍，小于传统2D成像对单侧乳房所需要的2次拍照。同时因其提高了放射科医师检出癌症的准确性，降低了为行诊断性检查而再予唤回的女性人数。此外，3D乳腺成像无须像2D成像那样将乳房压迫到扁平状态，仅需要对乳房进行适度压迫，满足拍照时定位即可，大大提高了受检者的舒适度。因此，在其推出后，受到了临床专家和患者的普遍欢迎，成为乳腺影像领域未来的发展趋势。

3技术方案

数字乳腺X射线系统原理与其他X射线成像系统的基本原理相同，主要是利用X射线的穿透性能以及X射线在穿透人体组织的过程中不同人体组织的对X光的反应差异性最后在图像载体上形成明暗不同的图像。数字乳腺X射线系统的整机工作原理是工频电能经高频高压发生器产生高频脉冲电压经整流后加于X射线管上产生X射线，穿过被检查患者的乳腺部位，投照于数字影像接收器上，获得影像数字信息，图像采集装置和图像处理工作站收集和处理数字图像信息，通过网络将数字化图像信息传输到专门的图像阅读设备上，进行阅读和诊断；系统同时可以和胶片打印系统相连接，将数字图像信息输出到打印机，打印为胶片图像，供医生进行临床诊断使用。工作原理示意图如图4所示

图4工作原理示意图

三维数字乳腺X射线层析成像系统主要由电源模块、运动控制模块、曝光控制模块、高压发生器、球管组件、压迫器模块、准直器、C臂离合控制模块组成，其原理框图如图5所示。

图5原理框图

3.1电源模块

该模块主要为高压发生器及其它控制模块提供电源。由环形变压器、滤波器、电源开关控制电路、限位开关控制电路、主开关电源、平板开关电源及电机开关电源组成

3.2运动控制模块

运动控制模块主要控制系统各个部件的运动，控制方式有两种，一种是通过直接控制电机驱动模块控制电机的运动，如C臂旋转运动控制、机架升降运动控制；一种是通过CAN总线给其它模块发送控制命令来控制相应电机的动作，如通过发送命令给压迫器控制模块控制压迫器做升降运动，发送控制命令给C臂离合控制模块做C臂离合控制。

3.3曝光控制模块

曝光控制模块主要控制高压发生器从而控制球管进行曝光，同时与平板探测器及采集工作站进行时序匹配完成曝光图像的采集

3.4高压发生器及球管组件

高压发生器主要控制球管发出X射线，主要由高压电源控制模块、灯丝控制模块、阳极控制模块组成

3.5平板探测器

平板探测器主要用于获取X射线影像，我们这里采用加拿大analogic公司直接转换型的非晶硒平板探测器AXS-2430，其基本原理为采用典型的非晶硒（a-Se）作为光导材料,X线光子与非晶硒的相互作用能产生电子空穴对，它在外加电场的作用下直接到达光电导体的表面，并通过偏移电压产生电流。由于强大的电场以及采用了减少电荷运动的措施，几乎没有信号丢失。其基本参数如下：

3.6压迫器

压迫器的主要用于进行乳房的压迫以便有规则的减少乳房厚度，以利于X线束从皮下区域到胸壁更改容易和规则地穿透。压迫减小了乳腺到影像接收器的距离，可降低了几何模糊，提高空间分辨力，使得乳腺内的结构分离，降低病变影像模糊不清带来的假阴性的可能性或正常组织重叠带来的假阳性。

压迫器主要由压迫板、压迫机构、压迫器电机控制模块、压力检测模块组成。

3.7准直器

准直器主要用于限制X射线摄野范围，使X射线的输出范围与平板探测器的范围一致。准直器的功能决定着X射线野，准直器光照射野、探测器平面、压迫板四者匹配的一致性。

准直器主要由摄野窗调节机构、滤片切换机构、准直器控制板组成。

3.8采集工作站

采集工作站主要与曝光控制模块及平板探测器进行通信完成图像数据的采集以及图像后处理，最终输出可提供进行诊断的图像。同时在采集工作站上还可进行曝光参数设置、机架角度、厚度数据显示、管理受检者信息、检查数据库、按DICOM标准向工作站传输图像、图像打印存档等功能。

4.软件功能

4.1运动控制软件

运动控制软件主要控制机架做升降运动、控制C臂做旋转运动、与其他模块进行通信反馈当前机架状态，主要实现的功能如下：

1)运动控制模块直接控制驱动器控制C臂投照架的旋转及机架升降运动，当有相应的按键按下时执行对应的运动控制。

2)运动控制模块通过CAN总线与曝光控制模块、压迫器控制模块、准直器进行数据交互。

3)运动控制模块需要存储系统的位置参数及运动相关的配置参数，例如C臂角度、压迫器高度、滤过、最大压力值、体位预定义值、压迫器自动释放高度值。每次重新上电时将存储值读出并发送给CAN总线。

4.2曝光控制软件

曝光控制软件主要通过控制高压发生器来控制球管进行曝光。与平板探测器及采集工作站进行曝光图像的采集，其软件功能如下：

1)通过RS232与高压发生器通信，设定曝光参数，通过与高压发生器连接的曝光控制信号控制高压发生器进行曝光。

2)当系统处于非准备状态时不允许进行曝光，例如：急停开关按下、系统正在运动、屏蔽门打开、滤过正在切换、有报警等等。

3)根据人机界面上设定的曝光参数控制高压发生器及球管进行曝光。

4)能进行AEC、AAEC曝光控制。

4.3高压发生器软件

高压发生器软件主要根据曝光控制板设定的曝光参数及曝光控制信号控制球管进行曝光，器软件主要功能如下：

1)通过RS232通信接口接收曝光控制板设置的曝光参数，从而控制球管按照设定的曝光参数进行曝光。

2)通过曝光控制板发出的曝光时序信号进行曝光。

3)曝光时实时检测球管的官电流及高压发生器输出的高压值并反馈给曝光控制板。

4)当产生报错时通过RS232通信接口发送给曝光板，从而在人机界面上显示错误信息。

4.4压迫器控制软件

压迫器模块主要控制压迫器运动从而使压迫板对乳房进行压迫，其软件功能如下：

1)控制压迫器电机从而控制压迫器做升降运动。

2)压迫器的能施加压力的范围为0~200N，显示压力应该精确在±10N。

3)当检测到压力传感器故障或者拔出时，系统界面需要有报警。

4)当系统其它部件在运动时，不允许压迫器运动。

5)压迫器在压力大于10N±20%时开始柔性加压速度运动。

4.5准直器控制软件

准直器控制软件主要控制摄野窗电机调节摄野范围及控制滤片切换电机进行滤片的切换，其软件功能如下：

1)在曝光过程中通过控制4个摄野窗电机调节摄野范围以满足X射线野的照射范围，并实时检测电机运行状态。

2)通过控制滤片切换电机控制滤片的切换，并实时检测滤片是否切换到位。

4.6采集工作站软件

采集工作站主要与曝光控制模块及平板探测器进行通信完成图像数据的采集以及图像后处理，最终输出可提供进行诊断的图像，其软件功能如下：

1)与曝光控制板及平板探测器通信完成在曝光过程中完成图像的采集。

2)将采集的图像进行后处理并显示。

3)管理受检者信息及数据库管理。

4)根据DICOM标准，将图像向其他工作站传送。

5)进行图像的打印及存储。

6)可将图像刻录到光盘上。

5.实验结果

为验证系统的符合性做了如下测试。结果如下表所示

6.结论

本三维数字乳腺X层析成像系统，能大大提高临床乳腺疾病的检出率，同时降低了由于组织重叠导致的错误诊断，可一目了然的看出乳腺组织的斌找信息，为临床医生判断受检者的乳腺状态提供了有力的诊断依据，可在临床中广泛推广。

参考文献

[1]燕树林.乳腺X线摄影与质量控制.北京：人民军医出版社，2008.9ISBN978-7-5091-1771-2

[2]AndrewSmith.FullFieldBreastTomosynthesis.Hologic,Inc

[3]ACR.MammographyQualityControlManual,1999