基于常規X線的光柵成像改善微鈣化X線攝影的對比度

王升平，李新斌，朱曉驊，付 怡，李瑞敏，張 麗，陳志強，彭衛軍

1.復旦大學附屬腫瘤醫院放射診斷科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032；

2.清華大學工程物理系，教育部粒子與輻射成像重點實驗室，北京，100084

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤［1］，乳腺X線攝影是篩查和診斷乳腺癌的主要成像工具［2］，但仍有10%～20%的可觸及腫瘤難以檢測到［3］。隨著乳腺癌篩查的普及，越來越多的無法觸及的乳腺隱匿性病變被發現，但這些病灶在乳腺X線攝影上往往僅表現為微鈣化［4］，特別是導管原位癌（ductal carcinoma in situ，DCIS）［5-6］。此外，致密型乳腺常會遮蔽微鈣化，容易漏診或誤診為乳腺腫瘤［7］。超聲對微鈣化的顯示率明顯提高［8］，但診斷效能受限于機器或操作者等因素，可能忽視微鈣化從而低估惡性病變。數字乳腺斷層融合X線攝影（digital breast tomosynthesis，DBT）技術提高了乳腺病變的檢出率［9-12］，但由于噪聲較大和運動偽影等因素降低了微鈣化的檢出，有遺漏病變的可能［13］。X線光柵相襯成像是近年來興起的新技術［14-17］，靈敏度比吸收成像高3個數量級，在乳腺成像中有明顯優勢。Wang等［17］在實驗室常規多色X線源條件下獲得了乳腺微鈣化的光柵成像，顯示了光柵成像在微鈣化檢測中的巨大潛力和臨床應用前景。本研究通過微鈣化模型光柵成像，探討不同組織厚度和微鈣化大小條件下光柵成像對微鈣化的顯示情況。小的微鈣化（圖1）。按X線方向豬肉的厚度分為3組，分別是2、4和5 cm組；將鈣化顆粒嵌入豬肉中，使用鋼篩篩出5組（16、22、26、30和40目），每組10粒，豬肉厚度為2 cm。

圖1 微鈣化模型使用的豬肉（A）和鋼篩（B）

1 材料和方法

1.1 微鈣化模型制備

采用磷酸鈣（tricalcium phosphate，TCP）［分子式為Ca3(PO4)2，屬高溫型的α相屬單斜晶系，相對密度為2.86 g/cm3）］模擬微鈣化，新鮮瘦豬肉模擬致密型乳腺，鋼篩篩選5組不同大

1.2 成像設備

光柵成像平臺由清華大學工程物理系粒子技術與輻射成像實驗室搭建（圖2）。使用陽極材料為鎢的X線球管（MXR-160HP/11，瑞士COMET公司），最大管電壓160 kV，焦點尺寸0.4 mm。使用3個基于Talbot-Lau干涉效應的光柵（德國MICROWORKS公司）：源光柵（G0）、相位光柵（G1）和分析光柵（G2）（表1）。平板探測器（CMOS1512，英國DEXELA公司）像素74.8 μm×74.8 μm，閃爍體為CsI（厚600 μm）。相位步進（phase stepping，PS）控制平臺為壓電陶瓷驅動平移臺（P-611.1s，美國PI公司），閉環狀態下分辨率為2 nm（最小步長），重復定位精度＜10 nm。樣品轉臺（RVS80CC，美國NEWPOR公司）最高分辨率為0.000 25°，重復定位精度為0.001°。

圖2 基于常規X線的光柵成像示意圖和成像系統平臺

表1 基于Talbot-Lau效應的3個光柵參數

1.3 光柵成像原理

G0作為分光器，將經過G0的X線分成一系列周期性重復的具有部分相干性的線光源陣列，滿足G1和G2對入射光空間相干性的要求。G1作為相位光柵起相位調制作用，入射X線經過G1后，基于Talbot效應在G1后的Talbot距離處自成像，被置于此位置的G2（分析光柵或吸收光柵）解析后，被探測器記錄。當G1和G2沿x軸相位步進時，探測器會記錄1條基于步進數（g）的光強正弦波曲線，即強度-位移曲線（intensity displacement curve，IDC）（圖2）。通過分析有物體與無物體時兩條位移曲線的差異，便能獲得攜帶X線的衰減、相移和小角X線散射（small angle X-ray scattering，SAXS）圖像。

1.4 微鈣化模型光柵成像

將樣品固定于成像平臺。管電壓35 kV，能量28 keV?；赥albot-Lau效應，G0與G1之間的距離設定為140 cm，G1至G2的距離為20 cm。探測器有效像素為75 μm，探測器視野為12 cm×12 cm。由于光柵實際尺寸的限制，有效成像視野為4 cm×3 cm。光柵步進次數為8，每次時間為0.35 s，平臺每次移動時間為0.4 s，每個步進周期的曝光時間約為7 s。使用Matlab2014b（美國MATHWORKS公司）軟件分析和處理采集的信息，通過一維離散快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）和曲線擬合方法提取吸收信息、相位信息和暗場信息對應的投影圖像。整個成像系統采用集成軟件控制（Grating-DAQ），由清華大學工程物理系光柵成像課題組自行設計。

1.5 圖像分析

將圖像原始數據導入圖像處理軟件ImageJ（1.51n，http://Imagej.nih.gov/ij）中，手動調整每幅圖像至最佳顯示窗寬和窗位。

對比度的計算以暗場成像為例（圖3）：以鈣化為中心勾畫一個正方形感興趣區（region of interest，ROI）（50×50），繪制基于位置的像素信號值的plot file圖，連接曲線波底部兩端形成一個封閉區域，然后使用魔術棒點擊這個區域，軟件自動計算像素數，將此作為微鈣化的對比度。每組測量兩次，測量間隔時間4周，取兩次測量的平均值（表2）。

圖3 對比度的計算

表2 不同組的吸收成像和暗場成像

1.6 統計學處理

統計學分析使用R（版本3.4.3，https://www.R-project.org），采用Mann-Whitney U檢驗分析鈣化顆粒的對比度差異，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 一般成像情況

基于常規X線的光柵成像一次采集可同時獲得3種成像模式，分別是吸收成像、相襯成像和暗場成像（圖4）。吸收成像類似于傳統的基于衰減的X線成像，相襯成像對軟組織（豬肉）顯示最好，暗場成像對軟組織顯示不佳。微鈣化與軟組織（豬肉）背景對比明顯，暗場成像顯示微鈣化的內部信號不均勻。

2.2 組織厚度和微鈣化的顯示

在不同厚度模型中，暗場成像對比度優于吸收成像，兩種成像方式之間差異有統計學意義（P＜0.001）。隨著豬肉厚度增加，吸收成像對比度明顯下降，暗場成像對比度輕度下降。提示吸收成像對鈣化的顯示受厚度的影響較明顯，暗場成像對鈣化的顯示受厚度的影響較輕微（圖5）。在組織最厚組（5 cm），吸收成像的背景（豬肉組織）不均勻，可見條紋狀偽影；而暗場成像的背景（豬肉組織）較均勻，均勻信號強度的背景會改善微鈣化的顯示。此外，暗場成像對微鈣化邊緣信息的顯示比吸收成像更豐富（圖6～7），暗場成像顯示部分微鈣化邊緣毛刺狀伸出，而對應的吸收成像對此顯示不佳。

圖4 光柵成像一次采集獲得3種成像模式：吸收成像（A）、相襯成像（B）和暗場成像（C）圖中白色方框內是局部放大圖，標尺為5 mm

2.3 微鈣化大小和微鈣化的顯示

隨著微鈣化粒徑減小，吸收成像對比度下降，暗場成像對比度輕度下降。提示吸收成像對鈣化的顯示受粒徑的影響較明顯，暗場成像對鈣化的顯示受粒徑的影響較輕微（圖5）。特別是在鈣化粒徑最小組（40目），吸收成像對部分微鈣化幾乎不顯示，而暗場成像對所有鈣化的顯示很清晰（圖8）。

2.4 不同閾值水平微鈣化的顯示

本研究將上閾值水平設定為255灰度值，設定4個下閾值水平，分別是200、210、220和230灰度值。下閾值水平為210灰度值時，吸收成像與暗場成像對微鈣化的顯示沒有明顯差異。隨著下閾值水平升高，吸收成像上鈣化面積越來越小，當下閾值水平為230灰度值時，吸收成像上有4個鈣化不能顯示；而暗場成像對微鈣化的顯示隨下閾值水平提高受的影響較小，當下閾值水平為230灰度值時，仍顯示全部鈣化（圖9）。

圖5 不同豬肉厚度和微鈣化大小條件下吸收成像和暗場成像對比度**: P＜0.01; ***: P＜0.001

圖6 豬肉組織厚度為2、4和5 cm的暗場成像及每個鈣化基于位置的灰度剖面圖剖面圖的橫軸是位置（像素表示），縱軸是灰度值

圖7 豬肉組織厚度為2、4和5 cm的吸收成像及每個鈣化基于位置的灰度剖面圖剖面圖的橫軸是位置（像素表示），縱軸是灰度值

圖8 不同大小微鈣化的吸收成像和暗場成像

圖9 不同閾值水平的微鈣化吸收成像和暗場成像（鈣化大小16目，組織厚度2 cm)當下閾值水平為230灰度值時，吸收成像僅顯示6個鈣化，且鈣化面積明顯縮小；暗場成像顯示所有鈣化，鈣化面積變化不明顯。暗場成像時鈣化的邊緣細節顯示更清楚

3 討 論

本研究顯示，基于實驗室多色X線源的光柵成像一次數據采集可同時獲得3種攜帶不同物理信息的圖像。暗場成像對微鈣化具有非常好的顯示能力，其對比度隨豬肉厚度增加或鈣化顆粒變小而受到的影響較小；吸收成像則受到明顯影響，隨豬肉厚度增加和鈣化顆粒變小，其對微鈣化的顯示能力越來越弱。Scherer等［14］利用緊湊型X線源進行乳腺惡性腫瘤的微鈣化暗場成像，結果表明暗場成像可提高微鈣化分析的診斷有效性，減少侵入性手術次數。本研究在實驗室X線源的條件下，通過分析微鈣化光柵成像模型的對比度，也證明暗場成像具有改善微鈣化顯示的能力。

致密型乳腺在亞裔女性中多見，與歐美國家女性多以脂肪型乳腺為主不同。致密型乳腺更易受纖維腺體組織重疊的影響，乳腺疾病的漏診率及誤診率高于脂肪型乳腺。吸收成像基于成像物體對X線信號的衰減，在成像物體密度相同的條件下，X線入射路徑上生物組織厚度對信號衰減起著決定性的作用，最終影響成像對比度。采用傳統的乳腺X線攝影難以發現早期乳腺癌的細小微鈣化，特別是致密型乳腺，其較厚的軟組織衰減掩蓋了微鈣化與周圍軟組織的衰減差異［18］。本研究以幾乎均由骨骼肌和纖維組織構成的新鮮瘦豬肉模擬［19］人體致密型乳腺，發現吸收成像的投影圖像受豬肉厚度的影響衰減下降明顯，導致最致密組（5 cm組）的微鈣化顯示不佳，而暗場成像受豬肉厚度的影響輕微，微鈣化對比度下降沒有吸收成像明顯，顯示清晰，這對致密型乳腺病變的檢測特別有意義。

大多數惡性鈣化灶的大小為100～300 μm。對于＜100 μm的鈣化，常規X線攝影無法清晰顯示。暗場成像是基于物體的小角散射信號成像［20-21］，對幾十納米至幾百納米的結構變化和密度波動特別敏感，與基于衰減信息的吸收成像不同，它能提供獨特的對比機制以揭示物體的細微結構特征，從而顯示吸收成像難于顯示的結構信息。Yang等［22］通過公式推導和仿真實驗證明，暗場對比度是通過物體的亞像素微結構的小角X線散射機制形成的。本研究中，最小組（40目，相當于300 μm）的微鈣化在暗場成像上清晰可見，而吸收成像對比度下降明顯導致顯示不清，與Yang等［24］的研究結果一致。本研究提示，乳腺癌可在其觸診陰性階段，通過光柵成像上的微鈣化進行檢測。重要的是，這一無創可重復手段具有研究微鈣化機制的潛力，從而可以充分理解微鈣化這一獨特的乳腺癌早期標記的意義。

根據化學構成的不同。乳腺鈣化通常分為兩型［23］：Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型鈣化以二水草酸鈣為主，分泌產生，多存在于囊性增生性病變中，在惡性病變中非常少見；Ⅱ型鈣化以羥基磷灰石為主，是磷酸鈣鹽的一種，多出現在增生性病變中，惡性病變多見，也可出現在良性病變中。Ⅱ型鈣化比Ⅰ型更常見，是Ⅰ型的2～3倍［23］。磷酸鈣與乳腺惡性病變密切相關，因此本研究選擇磷酸鈣來模擬乳腺微鈣化。微鈣化的形狀、大小和內部結構均不規則、不統一，本研究也沒有刻意將鈣化做成規格統一的鈣化顆粒，目的就是為了更加逼真地模擬臨床實際中的乳腺微鈣化。當然，臨床實踐中乳腺微鈣化不僅形態多樣，化學構成也非常復雜。

本研究有以下不足之處。首先，選擇磷酸鈣作為微鈣化模型比較單一，不能全面反映實際情況。乳腺微鈣化的成分非常復雜，單一的化學構成并不能真正代表實際情況，未來需選擇不同構成的鈣化模型來驗證本研究結果。其次，選擇的微鈣化顆粒不夠微小，因為大多數惡性鈣化在300 μm以下，本研究中最小粒徑約300 μm，因此對300 μm以下的鈣化顆粒的顯示情況未知。但本研究發現，即使是最小粒徑，暗場成像仍能清晰顯示，基于暗場小角度成像的原理，其能顯示超微結構。因此推測，對于300 μm以下的鈣化顆粒，暗場成像也應有很好的顯示能力，需繼續深入研究。再次，采集時間長，輻射劑量較常規X線攝影大。本研究中一次數據采集的時間約7 s，與常規乳腺 X線攝影相比遠遠超出臨床應用范圍。此外，長時間曝光意味著輻射劑量增加。本研究中的成像方案與Wang等［17］的研究類似，他們對一個厚度約4.5 cm的乳腺樣品成像，腺體組織接受的照射劑量約26.2 mSv，遠超臨床標準。

本研究表明，基于實驗室X線源的光柵成像在一次數據采集中可同時獲得微鈣化模型的衰減信息和小角度散射信息，這種多模態成像方式可提供更豐富的互補信息。暗場成像提高了微鈣化的對比度，改善了微鈣化的可視性。吸收成像和暗場成像兩種信息互補，有望提高微鈣化的檢出率，增加放射科醫師的診斷信心。相信在不久的將來，基于常規X線源的光柵成像系統將應用于臨床，并在未來的乳腺癌診療模式中發揮重要作用。