數字乳腺X射線攝影成像參數優化研究

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 工程物理系，北京 100084；2.粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室，北京 100084；3.中國原子能工業有限公司，北京 100032；4.同方威視技術股份有限公司，北京 100084；5.首都醫科大學附屬北京同仁醫院，北京 100730；6.北京市疾病預防控制中心，北京 100013)

根據對中國女性乳腺癌2008年的統計結果，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]。數字乳腺X射線攝影是早期發現乳腺癌的最有效的診斷手段之一[2]，世界衛生組織(WHO)推薦數字乳腺X射線攝影作為篩查乳腺癌的策略[3]。然而，在可發現癌癥的同時，數字乳腺X射線攝影也存在潛在的輻射致癌風險。乳腺是人體對輻射致癌最敏感的組織之一，組織權重因子在ICRP的103號報告中已從0.05被提升為0.12[4]，這引發了人們對數字乳腺X射線攝影輻射風險的關注。隨著乳腺X線攝影越來越多的在臨床上應用，它導致了更大的公眾集體劑量，進而導致了更大的輻射致癌風險。

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量，國內外學者開展了一些研究[5-11]，Tomal等[6]和Izdihar等[7]研究了圖像質量和乳腺劑量與X射線能量的關系，Biegaa等[8]和Baldelli等[9]研究了靶/濾過組合對圖像質量和劑量的影響。但適合中國女性乳房發育特點的乳腺X線攝影成像參數優化，目前還缺少相關研究。本文在考慮中國女性乳房發育特點的基礎上，通過數字乳腺X射線攝影參數優化實驗，研究數字乳腺X射線攝影中圖像質量評價指標與受檢者受照劑量隨成像參數變化的規律，得到適用于中國女性的數字乳腺X射線攝影成像參數，減小女性受檢者的受照劑量，同時不影響數字乳腺X射線攝影成像的圖像質量，為臨床提供參考。

1 數字乳腺X射線攝影成像參數優化方法

1.1 成像參數優化程度的評估方法

參考國內外學者的研究[5-11]，本文選用品質因數(FOM)作為不同成像參數優化程度的評估標準，進行數字乳腺X射線攝影成像參數的優化研究。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下所得圖像質量的客觀標準，MGD為平均腺體劑量，用于衡量受檢者在數字乳腺X射線攝影檢查中所受到的輻射劑量水平。FOM越大，表明該成像參數的優化程度越好。

1.2 圖像質量的評估方法

本文采用CNR作為衡量不同成像參數下所得圖像質量的客觀標準，CNR計算方法[6,12]為：

(1)

式中：MPV(A)為信號區的平均灰度；MPV(B)為背景區的平均灰度；SD(A)為信號區的灰度標準差；SD(B)為背景區的灰度標準差。式(1)中的分母為聯合標準差，其結果包含了信號區與背景區兩個區域的標準差，常用于描述數字乳腺X射線攝影機圖像的噪聲；分子為信號區與背景區的灰度差，可用來描述數字乳腺X射線攝影機的對比度；兩者相除可得到數字乳腺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(IAEA)[13]、歐洲乳腺篩查和診斷質量保證參考組織(EUREF)[12]和美國放射學會(ACR)[14]均利用MGD來衡量受檢者在數字乳腺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，一般基于蒙特卡羅模擬計算得到。清華大學工程物理系輻射防護研究室已根據中國女性的乳房特征和乳房內的細致結構，建立了精細乳房模型，并用于數字乳腺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換因子g[15]。

2 數字乳腺X射線攝影參數優化實驗

2.1 實驗儀器與設備

實驗采用Hologic Lorad Selenia數字乳腺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，由中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所的次級標準劑量學實驗室校準，該實驗室可溯源到德國PTB國家一級標準劑量學實驗室。

2.2 圖像質量的獲取

CIRS乳腺模體內部細節和數字乳腺X射線攝影圖像如圖1所示，本實驗中計算CNR所用的信號區為14區，即嵌有1 cm厚的腺體百分含量為100%的區域。背景區為31區，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下獲得的圖像進行處理，測量信號區和背景區的平均灰度MPV和灰度標準差SD。

圖1 CIRS乳腺模體內部細節(a)和數字乳腺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對應的管電壓，即相近的圖像質量下，受檢者受照劑量最小時對應的管電壓，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量下不同成像參數的優化程度，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字乳腺X射線攝影機的穩定性，對Mo/Mo靶/濾過組合、28 kVp管電壓，40 mA·s曝光量下的K重復8次測量，平均值為4.33 mGy，標準差為0.004 mGy，相對標準偏差小于0.1%，可見穩定性很好。

對于同一種數字乳腺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的。為了檢驗實驗采用的數字乳腺X射線攝影機的K與曝光量的線性關系，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，測量結果如圖2所示。可看出，曝光量和K之間的線性關系很好，相關系數R2為0.999 9。

圖2 曝光量與K之間的線性關系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的轉換系數(mGy/( mA·s))，再根據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換因子表(表1、2)[15]，可找到對應的g(mGy/mGy)。根據得到的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換系數[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換系數[15]Table 2 MGD conversion coefficient for Mo/Rh target/filter combination[15]

3 結果與討論

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，可選擇一系列CNR相近的圖像，用于成像參數優化研究。經過選擇，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計算結果的基礎上，根據圖像記錄的成像參數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，FOM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。此現象出現的原因為：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量，因此得到的優化程度最佳的管電壓僅代表以CNR衡量圖像質量時的最佳值。

對于同一塊乳腺模體，Mo/Rh靶/濾過組合時優化程度比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/濾過組合時優化程度比Mo/Mo靶/濾過組合時有更好的趨勢。

4 結論

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量，本文進行了數字乳腺X射線攝影成像參數優化研究，采用實驗方法對CIRS乳腺模體成像得到CNR表示的圖像質量，同時測量模體入射表面空氣比釋動能K，根據劑量轉換系數計算得到乳腺劑量，探究圖像質量一致的情況下，受檢者的受照劑量隨不同成像參數的變化規律，從而找到適用于中國女性的數字乳腺X射線攝影成像參數。結果表明，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/濾過組合下優化程度最佳的管電壓分別為28、28、27 kVp。