Z - Институт космических исследований РАН

ФГУ "Российский научный центр рентгенологии Росмедтехнологий”
Институт космических исследований Российской Академия наук
Двухэнергетическая делительная
радиология
Таруса, 2008
Введение
Рост онкологических заболеваний молочной железы в последние
десятилетие обусловил интенсивное развитие методов диагностики
данного заболевания.
Важнейшей задачей является обнаружение онкологических
опухолей на ранней стадии их развития.
В связи с тем, что онкологические опухоли характеризуются
повышенным эффективным атомным номером идет поиск методов
его идентификации в молочной железе.
С середины 80-х годов в мире (США, Европа, Индия, Бразилия и др.
страны) наиболее интенсивно развивается
двухэнергетическая вычитательная маммография
(Dual-energy subtraction мammography).
В данной работе предлагается
двухэнергетическая делительная маммография,
разработанная в ИКИ РАН и ФГУ РНЦР Росмедтехнологий.
Приводятся маммограммы, полученные на его основе.
Рассматриваются его преимущества и перспективы.
2
Проблема:
В России раком молочной железы заболевает каждая
десятая женщина
В США раком молочной железы заболевала
в 1950 г. каждая 20-тая женщина,
- в 1998 г. одна женщина из 8-ми
Ошибки диагностики в США:
40% - ложная постановка диагноза «рак»,
Более 10-15% - пропуск ракового заболевания
(по данным совместного совещания министерства
здравоохранения США, ЦРУ и НАСА, посвященного
проблемам маммологии)
(http://www.womenshealth.gov/news/pr/1996.imaging.htm)
3
Физическая основа рентгеновской
маммографии
Основным диагностическим методом является
скрининговое обследования с помощью
рентгеновских маммографов.
Традиционные рентгеновские маммограммы
визуализируют нелинейное распределение числа
фотонов, прошедших молочную железу без
взаимодействия, определяемое
Pt  e
 t d
где - плотности ,
- массовый коэффициент поглощения,
определяемый эффективным атомным номером,
d - толщины.
4
Основные недостатки рентгеновской
маммографии
1. Совместное влияние на маммограмму эффективного
атомного номера и плотности существенно затрудняет
проведение диагностики заболевания МЖ.
При этом невозможно однозначно судить о причинах
потемнения (просветление) участков маммограммы, что
может быть вызвано изменениями
либо химического состава (эффективного атомного
номера),
либо плотности,
либо и химического состава и плотности.
2. Несмотря на наличие в современных маммографах
коллиматоров детекторы (пленка, сцинтилляторы)
регистрируют рассеянное молочной железой
рентгеновское излучение
Данные эффекты приводят к снижению
контрастности и резкости маммографического
изображения, существенно затрудняют
диагностику заболевания
5
Примеры традиционных маммограмм
Маммограммы МЖ, для которых диагноз наличия онкологической опухоли
поставлен
не поставлен
6
Знаковые цитаты
1. Микрокальцинаты – предвестники рака
“…the tiny calcifications that can be the earliest Indicator of breast cancer …”
Русскоязычные ссылки: Н.И.Рожкова,С.П.Прокопенко,В.Б.Китаев, .В.Мякишева, В.Б.Мошаров,
Р.А.Керимов,В.П.Демидов, Ю.В.Варшавская, Г.А.Франк,А.Д.Островцев, Б.А.Павлдова и др.
Англоязычные ссылки: Johns PC, Yaffe MJ. , Ph.D., Caryl Brzymialkiewicz,Gwen Banks,… .
2. Раковые опухоли характеризуются повышенным
эффективным атомным номером
“…the cancers exhibit a higher effective atomic number than do the normal tissues…”
“…soft tissue and cancerous tissue a very similar but their atomic number differs…”
Русскоязычных источников не найдено.
Англоязычные ссылки: Frank Carroll, M.D., Sarah Bixby, B.S. , George Thomas, B.S.,Robert Traeger,
B.S. , James Waters, Ph.D. , Dale Evertson, Ph.D. , Marcus Mendenhall, Ph.D. , Cynthia B.Paschal, Ph.D.,
Caryl Brzymialkiewicz, Gwen Banks, B.J. Heismann,Johns PC, Yaffe MJ.,…
3. Двухэнергетическая маммография позволяет
получить распределение атомного номера и плотности
и в молочной железе
“…Dual-energy mammography may provide information regarding the atomic number and
density characteristics of the breast tissue. …”
Русскоязычных источников не найдено.
Англоязычные ссылки: Johns PC, Yaffe MJ. , Johns PC, Drost DJ, Fenster A., Shaber GS, Tecotzky
M., Boone JM, Alexander GM, John M. Lewin, Pamela K. Isaacs, Virginia Vance, Fred J. Larke,…
(Более 40 тыс.ссылок в Интернете на англоязычные статьи, опубликованные с 1985 г.)
7
Двухэнергетическая вычитательная маммография
Двухэнергетическая
основана на:
вычитательная
маммография
- получении распределения числа фотонов NL(x,y),NH(x,y),
прошедших молочную железу без взаимодействия, при ее двойном
облучении фотонами низкой и высокой энергиях с исходным числом
фотонов NL,0 и NH,0, соответственно . Изменение энергий достигается
путем изменения анодного напряжения и установки разных фильтров
(молибден, алюминий).
- вычислении разности логарифмов (отсюда термин вычитательная
маммография), которая пропорциональна произведению плотности ,
толщины d и эффективного атомного номера Z в координате (x,y)
молочной железы
 ( x, y )  ln
N L ,0
N L ( x, y )
 ln
N H ,0
 k ( x, y )d ( x, y ) Z ( x, y )
N H ( x, y )
Наиболее эффективна двухэнергетическая маммограмма в сочетании
с ангиографией, что существенно повышает резкость и контрастность
изображения.
8
Пример двухэнергетической вычитательной
маммографии в сочетании с ангиографией
Лобулярная карцинома
Группа микрокальцинатов (стрелка)
Lewin, J. M., Isaacs, P. K., Vance, V., Larke, F. J. Dual-energy contrast-enhanced digital
subtraction mammography: feasibility. Radiology, Volume 229, Number 1, p.261-8, (2003)
9.
Недостатки двухэнергетической
вычитательной маммографии
Вариации плотности и эффективного атомного номера в
молочной железы относительно невелики и соизмеримы.
В этой связи визуализация произведения плотности на
атомный номер (что дает вычитательная маммография)
несмотря на преимущества по сравнению с традиционными
маммограммами все же характеризуется относительно
нечетким изображением.
Это приводит к тому , что:
- Границы онкологической опухоли на двухэнергетической
вычитательной маммограмме нерезки, что затрудняет оценку
ее размеров.
- Гранулы микрокальцинатов размером менее 200 микрон
на
двухэнергетической
вычитательной
маммограмме
практически не выявляются, что затрудняет диагностировать
онкологическое заболевание на ранней стадии развития.
Существенно повысить качество изображения
молочной железы позволяет предлагаемая
Двухэнергетическая делительная
маммография.
10
Основы двухэнергетической делительной
мамографии
В двухэнергетической делительной маммографии
предлагается визуализировать не разность логарифмов, а
отношение, которое не зависит от плотности, а
пропорционально только эффективному атомному номеру
ln
N L0
N L ( x, y )
 ( x, y ) 
ln
 kZ ( x, y )
NH 0
N H ( x, y )
На визуализированное распределение отношения
логарифмов уже не будет влиять вариация плотности
различных участком молочной железы, что позволяет считать
возможным получать более качественное изображение
молочной железы.
11
Две исходные традиционные маммограммы для
двухэнергетической делительной маммографии
40 kV
22 kV
Онкологическая
опухоль
12
Традиционные маммограммы (ТМ)
и распределения отношения логарифмов (Z)
ТМ
Z
Онкологическая опухоль
ТМ
Z
Здоровая ткань
13
Усиление чувствительности к изменению
эффективного атомного номера Z
Визуализация распределения
отношения логарифмов позволяет
изменять чувствительность
маммограмм к изменению
эффективного атомного номера.
Z – распределение эффективного
атомного номера,
Z1,Z2 – маммограммы с различной
чувствительностью к изменению Z Z
Z1
Z2
14
Идентификация микрокальцинатов
ТМ
Z
5 мм
5 мм
0,1 мм
Z1
Z1
15
Идентификация микрокальцинатов на ранней
стадии их формирования
Традиционная маммограмма МЖ,
в которой онкологическая опухоль
не обнаружена
Фрагмент
Z
Z1
Микрокальцинаты
16
Сопоставление традиционной и
двухэнергетической делительной маммографии
Традиционная
маммограмма
Визуализация Z
Визуализация Z1
17
Сопоставление двухэнергетических
вычитательной и делительной маммограмм
Lewin, J. M., Isaacs, P. K., Vance, V., Larke, F. J.
Двухэнергетическая
вычитательная маммограмма
Двухэнергетическая
18
делительная маммограмма
Сопоставление эффективности идентификации
микрокальцинатов двухэнергетической
вычитательной и делительной маммографией
Lewin, J. M., Isaacs, P. K., Vance, V., Larke, F. J.
Группа
микрокальцинатов
Z
Z1
Двухэнергетическая
вычитательная маммограмма
Двухэнергетическая
делительная маммограмма
19
Выводы
1. Двухэнергетическая делительная маммография
позволяет более эффективно проводить
диагностику онкологических заболеваний
молочной железы по сравнению как традиционной
маммографией, так и с двухэнергетической
вычитательной маммографией.
2. Метод двухэнергетической делительной
маммографии может быть реализован на
существующих традиционных маммографах.
20