數字乳腺斷層攝影的應用現狀及發展

李美然(綜述),蔣 濤(審校)

(首都醫科大學附屬北京朝陽醫院放射科,北京 100020)

乳腺X線檢查目前被公認為是乳腺癌的首選檢查方式，特別對早期乳腺癌的診斷更具優勢。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。然而，屏/膠乳腺X線攝影以及數字化乳腺X線攝影成像仍然局限于三維結構信息被投照在二維平面圖像上，使解剖結構與腫瘤組織重疊，形成“結構噪聲”，影響乳腺癌檢出率。隨著影像設備的不斷更新，2005年在San Antonio舉行的第28屆乳癌研討會上，來自麻省總醫院的Dr.Rafferty介紹了Tomosynthesis乳腺攝影技術；2006年數字化乳腺斷層合成技術，又稱數字乳腺斷層攝影(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在研討會上表示，Tomosynthesis乳腺攝影可以增加16%的乳癌檢測率，而且使原來假陽性率降低85%，大大地提高了乳腺癌早期檢出和診斷概率[3]。

1 數字乳腺斷層合成技術的原理與發展

DBT是一項基于平板探測器技術的高級應用，是在傳統體層攝影的幾何原理基礎上結合數字影像處理技術開發的新型體層成像技術。1971年，Miller等發展了這種斷層X線攝影技術，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，重構任意深度的斷層像。1972年CT機問世，Grant創造了“tomosynthesis”一詞，意思是可以回顧性重建任意位置的層面圖像。Tomosynthesis的優點在于能夠在投影角度受限的條件下工作，但是因為其非目標斷層的影像疊加在目標斷層影像上，成像較為模糊[4]。Golsher利用幾何重建法、重復重建法、反復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，用重復重建法直接進行三維重建優于一系列的二維重建[4]。而Tomosynthesis在乳腺檢查領域的應用則是在20世紀70年代末得到公認。20世紀90年代，讀取巨大數據量的傳感器出現。21世紀初，通用電氣的杰夫瑞埃伯哈德(Jeffrey Eberhard)領導埃伯哈德(Eberhard)研究小組與麻省總醫院強強聯合，采用水星計算機系統(Mercury Systems)公司的NVIDIA?圖形技術成功解決了DBT計算能力的障礙[3]。Mercury將優化最大相似度與期望值最大化算法映射到了一個基于NVIDIA Quadro專業圖形處理器技術的GPU。Mercury的工程師使一個Quadro圖形卡能夠在300 s處理一個DBT掃描任務，隨后的改進措施使處理時間減少50%。隨后麻省總醫院制訂了一個DBT設備規范，GE按照這個規范生產的DBT設備成了世界上同類型設備中第一個能夠使用三維乳腺X線攝影術對整個乳腺進行評價的儀器[3]。近年，日本曾根等對這種方法的X線探測器進行了數字化，開發了實用優良的Digital Tomosynthesis系統[4]。

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

圖1 DBT掃描示意圖

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

圖2 DBT成像示意圖

通過先對各個投影圖像進行高通和低通濾波，然后再疊加獲得斷層圖像。具體方法是先對每個離散投影數據進行對數轉換，

Itomo=21nI0-2μnd-μtD

(1)

使合成圖像的信息與所觀察結構及其上下重疊組織的衰減系數成線形關系。然后對每個投影像進行傅立葉變換，然后乘以二維直線型權函數。

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)

即獲得數字和成體層圖像。最后通過計算機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]。將整個乳腺重建為間隔1×10-3m的圖像，這樣醫師就更容易發現因組織重疊而隱藏于正常組織腺體中的微小病灶。DBT合成圖像的質量主要受投影圖像質量和重建方法的影響。投影圖像質量可以通過提高探測器的性能來改善,重點是平板探測器的應用。而重建算法的使用是為了去除層外結構的模糊噪聲。針對不同物體結構的特點應選擇合適的降噪方法,這方面仍有待進一步研究。隨著計算機處理功能的提高以及數字平板探測器的研制成功，研究人員又激發了對數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頻域反卷積影像法運算時間長、零頻率丟失進行了優化。但其對噪聲的影響比較敏感，仍是今后需要加以研究的方向。位移與疊加是數字合成體層成像應用最普遍的重建方法。抑制模糊的最簡單的方法是對合成圖像進行頻率濾波。

2 臨床研究現狀

在針對DBT系統獲取乳腺攝影及斷層影像的放射劑量學特征的研究中，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量標準規定的限值[8]。對乳腺X線攝影或超聲檢查發現有一側乳腺為可疑或可能惡性病變的200例女性進行DBT、FFDM方面的研究，當用相同的劑量獲取她們兩側乳腺內外側斜位的斷層合成影像和標準屏/片乳腺攝影頭尾位和內外側斜位的影像后，根據美國放射學會的乳腺影像報告和數據系統(BI-RADS)對影像進行評估，并進行受試者工作特征曲線分析。結果顯示所有惡性者DBT和FFDM的受試者工作特征曲線下面積(0.851和0.836，P=0.645)的臨床表現與其他所有病例并無明顯差異。也就是說,與標準屏/片系統的乳腺X線攝影總劑量相同的一個體位的斷層合成并不比兩個體位攝影的數字乳腺X線攝影臨床表現差[9]。

數字乳腺斷層技術的使用必將導致采集圖像大量增加，增加了診斷醫師的工作量。如果計算機輔助檢測與DBT結合，必將提高乳腺疾病診斷的工作效率。一些研究人員已經開發計算機輔助檢測系統的DBT，該系統的開發基于豐富的DBT數據，并有研究報道，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值

乳腺斷層合成是對目前數字化乳腺攝影進行的細微調整和改善。它具有二維數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字化乳腺攝影的所有優勢。如可重現性、圖像噪聲偽影少、數字圖像處理等。

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

DBT的每個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]。相對于傳統的乳腺X線檢查，乳腺斷層合成也具有其獨特的優勢：重建的斷層圖像可以提高乳腺內病變組織的清晰度，同時增加病變組織與周邊腺體組織的對比度，有利于更好地區分病變組織的邊緣，對乳腺組織內微小病灶和鈣化灶的檢測能力大大地提高，而微小鈣化灶常常是早期乳腺癌的唯一表現[5-6,15]。

在一項關于異常軟組織DBT的準確性、精確度的研究中，對屏/膠X線常規篩查后被召回的738例婦女先進行FFDM(頭尾位和內外側斜位)，然后再行DBT(內外側斜位)。實驗結果如表1。

表1 惡性病變組織的FFDM vs DBT[16] (%)

結果顯示,DBT較FFDM能更準確地發現病變。另外，DBT還發現了6個屏/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張導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。

數字化乳腺攝影壓迫乳腺組織的目的是實現固定，盡量減少乳腺厚度和輻射劑量。但是，許多患者因為懼怕疼痛避免進行乳腺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器，因此乳腺斷層合成的壓迫程度比二維數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沒有實質性的缺點，但是它有一些潛在的不利因素：①定位，因為探測器的規格較大，需要專門的培訓技師。②可能因為曝光時間稍長而產生運動偽影；③一些微小鈣化點沒有實質性的意義，但大的鈣化點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間延長；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構可能出現位置上的偏移，二維數字乳腺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的放射技術培訓[5]。

4 展 望

隨著人們生活水平和健康意識的不斷提高，早發現、早診斷、早治療，降低乳腺癌的病死率勢在必行。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用價值，對早期乳腺癌的篩查也具有很大潛質。數字乳腺斷層成像已成為未來乳腺X線機的發展方向。

乳腺斷層合成發展的初步階段還有一些問題有待解決。例如，圖像采集時管球旋轉的最佳角度范圍、曝光時間、每幅采集圖像的間隔、采集幀數、重建方法、數字合成參數、降噪方法、圖像顯示方法的改進等，這些參數都還沒有一個統一的標準。目前，關于DBT圖像觀察是需要兩個方位觀察(頭尾位和內外側斜位)還是僅一個內外側斜位也尚在討論之中[11，18]。這項新技術應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，必須進一步研究。

近年報道的對比強化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檢查時間長，患者容易移動差生偽影，導致重復采集影響診斷。CE-DBT對腺體進行壓迫限制移動，避免偽影產生，但是過度壓迫會阻礙血液循環，影響乳房增強效果。

盡管有許多問題有待解決，但是乳腺斷層合成技術可應用于對比增強三維成像[19]、腫瘤體積估計、多病灶中心手術規劃的評估。通過三維重建技術可更好地了解整個病變的三維圖像數據，減少診斷乳腺X線攝影所需的圖像數量，從而減少患者輻射劑量[6]。如果乳腺斷層合成技術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更普遍地應用于臨床。

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，提高假陽性檢出率和良惡性的鑒別診斷能力，特別是對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仍存在一定的局限性，但通過大量的實驗和研究經驗的積累，將在乳腺癌的臨床診斷、治療中發揮巨大的作用。

[1] Skaane P，Young K，Skjennald A.Population-based mammography screening:comarison of screen-film and full-filed digital mammoraphy with soft-copyrading-OsloⅠstudy[J].Radiology，2003，229(3)：877-884.

[2] Fischmann A，Siegmann KC，Wersebe A，etal.Comparison of full-field digital mammography and film-screen mamography:image quality and lesion detection[J].Br J Radiolo，2005，78(928)：312-315.

[3] 科訊醫療.數字化乳腺X射線斷層組合成像技術——為乳腺X射線攝影提供新維度[J/OL].(2010-10-01)[2012-06-14].http://www.md.tech-ex.com/2010/articale/19190.html.

[4] 溫俊海，王俊賢，程敬之.X線斷層攝影方法及其新進展[J].北京生物醫學工程，1999，18(2)：126-129.

[5] Park JM，Franken EA Jr，Garg M，etal.Breast tomosynthesis:Present considerations and future applications[J].Riadiographics，2007，27 Suppl 1:S231-S240.

[6] Niklason LT，Christian BT，Niklason LE，etal.Digital tomosynthesis in breast imaging[J].Radiology，1997，205(2)：399-406.

[7] 王巍，劉傳亞，盧傳友.數字合成X線體層成像原理與研究進展[J].醫學影像學雜志，2005，15(7)：606-609

[8] Feng SS,Sechopoulos I.Clinical digital breast tomosynthesis system:dosimetric characterization[J].Radiology，2012，263(1)：35-42.

[9] Gennaro G，Toledano A，di Maggio C，etal.Digital breast tomosynthesis versus digital mammography:a clinical performance study[J].Eur Radiol，2010，20(7)：1544-1553.

[10] Chan HP，Wei J，Zhang Y，etal.Computer-aided detection of masses in digital tomosynthesis mammography:comparison of three approaches[J].Med Phys，2008，35(9)：4087-4095.

[11] Chan HP，Wei J，Sahiner B，etal.Computer-aided detection system for breast masses on digital tomosynthesis mammograms:Preliminary experience[J].Radiology，2005，237(3)：1075-1080.

[12] Wu T，Moore RH，Kopans DB.Voting strategy for artifact reduction in digital breast tomosynthesis[J].Med Phys，2006，33(7)：2461-2471.

[13] Smith A.Full-field breast tomosynthesis[J].Radiol Manage，2005，27(5)：25-31.

[14] Reiser I，Nishikawa RM，Edwards AV，etal.Automated detction of microcalcification clusters for digital breast tomosynthesis using projection data only:Apreliminary study[J].Med Phys，2008，35(4)：1486-1493.

[15] Poplack SP，Tosteson TD，Kogel CA，etal.Digital breast tomosynthesis:initial experience in 98 women with abnormal digital screening mammography[J].AJR，2007，189(3)：616-623.

[16] Michell MJ，Iqbal A，Wasan RK，etal.A comparison of the accuracy of film-screen mammography,full-field digital ammography,and digital breast tomosynthesis[J].Clin Radiol，2012，67(10)：976-981.

[17] Niklason LT，Kopans DB，Hamberg LM.Digital breast imaging:tomosynthesis and digital subtraction mammography[J].Breast Dis，1998，10(3/4)：151-164.

[18] Good WF，Abrams GS，Catullo VJ，etal.Digital breast tomosynthesis:a pilot observer study[J].AJR，2008，190(4)：865-869.

[19] Chen SC，Carton AK，Albert M，etal.Initial clinical experience with contrast-enhanced digital breast tomosynthesis[J].Acad Radiol，2007，14(2)：229-238.