光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器在乳腺CT中應(yīng)用的調(diào)研-開(kāi)題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目 光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器在乳腺CT中應(yīng)用的調(diào)研專(zhuān) 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一、選題的依據(jù)和意義近30年來(lái)隨著世界范圍內(nèi)生活水平的提高，乳腺癌的發(fā)病率表現(xiàn)出持續(xù)的高增長(zhǎng)。全球乳腺癌的發(fā)病率因地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)差異和生活習(xí)慣的不同而各不相同。總體而言，西歐、北美等發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)病率較高，而亞洲、拉丁美洲和非洲的大部分地區(qū)發(fā)病率較低。從全球范圍看，全世界每年乳腺癌的發(fā)病率以0.2%8%的幅度上升，每年全世界約有140萬(wàn)人被診斷為乳腺癌，大約有50萬(wàn)人死于該病，乳腺癌的發(fā)病在全球范圍內(nèi)一直是女性惡性腫瘤的首位。在世界上我國(guó)雖屬于女性乳腺癌的低發(fā)地區(qū)，但是近年來(lái)乳腺癌的發(fā)病率明顯提高。中國(guó)主要城市10年來(lái)乳腺癌的發(fā)病率增長(zhǎng)了37%，死亡率增長(zhǎng)了38.9%。值得警戒的是，我國(guó)乳腺癌的平均增長(zhǎng)速度高出發(fā)達(dá)國(guó)家12個(gè)百分點(diǎn)，每年以3%4%的速度遞增，成為城市中死亡率增長(zhǎng)最快的癌癥，發(fā)病率也逐漸呈現(xiàn)出年輕化的趨勢(shì)，尤其以上海、北京、天津及沿海地區(qū)為我國(guó)乳腺癌的高發(fā)地區(qū)。我國(guó)乳腺癌的發(fā)病高峰年齡段為4049歲，比西方國(guó)家早1015年，城市人口的乳腺癌發(fā)病率高于農(nóng)村，高學(xué)歷、高收入的女性乳腺癌發(fā)病率更高。我國(guó)早期乳腺癌病人僅占30%，而70%的乳腺癌一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就已經(jīng)是中晚期，而美國(guó)乳腺癌中晚期初診者僅占9%。目前早期乳腺癌的臨床治愈率可達(dá)到80%90%，而晚期乳腺癌的治愈率不足40%，因此看來(lái)我國(guó)大部分乳腺癌患者在確診時(shí)已經(jīng)失去了最佳的治療機(jī)會(huì)。因此，乳腺癌早期的診斷和篩查才具有積極和重要的意義，成為當(dāng)前社會(huì)保障工作的重中之重。世界衛(wèi)生組織已經(jīng)確認(rèn)乳腺癌是有明確普查效果的兩種惡性腫瘤之一，目前預(yù)防與治療的關(guān)鍵還在于“早發(fā)現(xiàn)，早診斷，早治療”。早期乳腺癌診斷的關(guān)鍵是病理檢查，病理檢查的關(guān)鍵是病灶取材，病灶取材的關(guān)鍵是影像學(xué)定位引導(dǎo)病理取材，乳腺CT作為乳腺疾病常規(guī)的診斷方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的電荷積分型探測(cè)器中的電子學(xué)噪聲和像素單元之間的竄擾等問(wèn)題是進(jìn)一步提高CT圖像診斷能力、降低輻射劑量的桎梏。而光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器作為近幾年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，有望將CT圖像的質(zhì)量提升到一個(gè)新的高度。由于乳腺組織對(duì)于X射線劑量非常敏感，因此需要嚴(yán)格控制射線劑量來(lái)避免潛在的危害。但是需要保證診斷的正確性，需要較高的組織對(duì)比度和細(xì)節(jié)的豐富性，由于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器在一次掃描的情況下可以得到X射線的能譜信息，這樣就可以充分利用每一個(gè)光子的能量信息進(jìn)一步提高圖像的對(duì)比度和減少輻射的劑量，光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是乳腺X射線成像良好的解決方案。在乳腺CT中，和傳統(tǒng)的電荷積分式探測(cè)器相比，光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器具有很多優(yōu)勢(shì)。一方面，它可以消除低能噪聲對(duì)圖像帶來(lái)的影響，提高了圖像的信噪比，因此在獲得相同信噪比的圖像時(shí)，可以減少照射的光子數(shù)量，從而可以降低X射線的輻射劑量。另外一方面，它引入了能譜信息，一次掃描可以得到不同能區(qū)的成像結(jié)果，這樣可以有效提高乳腺癌變組織的檢測(cè)精度。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，快速多通道的脈沖計(jì)數(shù)讀出電子學(xué)設(shè)備已經(jīng)研制出來(lái)，光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器將是未來(lái)X射線成像領(lǐng)域的發(fā)展方向，相信在不久的將來(lái)，基于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的乳腺CT必然能把CT影像診斷推向新的紀(jì)元1-3。2、 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：目前光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的探測(cè)材料主要采用硅（Si）、碲化鎘（CdTe）、碲鋅鎘（CZT）等材料。不同種類(lèi)的探測(cè)材料探測(cè)的性能也不同。與其他的材料相比，硅具有較高的探測(cè)效率和良好的穩(wěn)定性。目前光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的探測(cè)材料主要的研究方向是碲化鎘和碲鋅鎘，基于碲化鎘和碲鋅鎘材料的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器具有良好的X射線分辨性能、較高的光子探測(cè)效率以及更廣的能量探測(cè)范圍。鑒于光子計(jì)數(shù)探測(cè)器優(yōu)異的性能和乳腺組織的特殊性，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量光子計(jì)數(shù)探測(cè)器在乳腺CT中應(yīng)用的研究4-5。2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 歐洲原子能機(jī)構(gòu)（CERN）對(duì)光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的研究已經(jīng)形成規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，歐洲原子能機(jī)構(gòu)將研發(fā)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器命名為Medipix系列探測(cè)器。到目前為止，Medipix系列探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展了三代，第一代探測(cè)器命名為Medipix1，主要采用硅材料，每個(gè)探測(cè)單元面積為170170m2,共有6464個(gè)探測(cè)單元；第二代探測(cè)器命名為Medipix2，每個(gè)探測(cè)單元的面積為5555m2，共有256256個(gè)探測(cè)單元，在優(yōu)化硅探測(cè)器的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了碲化鎘探測(cè)器，大大提高了能量的探測(cè)范圍；第三代探測(cè)器命名為Medipix3，與前兩代相比，每個(gè)探測(cè)單元可以在一次曝光的條件下，同時(shí)記錄8個(gè)能量段的光子數(shù)，提高了能量的分辨率6。在2014北美放射年會(huì)上西門(mén)子公司推出了Stellar光子探測(cè)器，采用先進(jìn)的微光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器系統(tǒng)的微型化和靈敏化，具有零電子學(xué)噪聲，大大降低了像素之間的串?dāng)_。1、2014年加州大學(xué)歐文分校放射科學(xué)系Hyo-Min Cho, William C. Barber, Huanjun Ding, Jan S. Iwanczyk 等人研究了基于硅條光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺CT成像，主要研究了光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的一些參數(shù)，比如最大輸出計(jì)數(shù)率108cps/mm2、空間分辨率5線對(duì)每毫米（5 lp/mm）、能量分辨率以及成像系統(tǒng)中的噪聲水平低于4 KeV，通過(guò)研究表明基于硅晶體光子計(jì)數(shù)探測(cè)器具有比傳統(tǒng)積分式探測(cè)器更加優(yōu)越的性能，比如最大計(jì)數(shù)率、高空間分辨率和能量分辨率、低噪聲特性，這些特性對(duì)能譜乳腺CT成像都是非常重要的7。2、2008年路易斯安那州立大學(xué)物理和天文學(xué)系物理成像實(shí)驗(yàn)室Polad M Shikhaliev 研究了基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺CT，這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中采用了多孔隙多片的射束和探測(cè)器布局（multi slit multi slice, MSMS），管電壓90 KvP，為了解決碲鋅鎘探測(cè)器中的極化效應(yīng)和電荷共享等問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中射束采用傾斜角度入射（5到20度），主要對(duì)其中的能量權(quán)重成像和雙能減影成像方式在抑制噪聲、提高信噪比等方面進(jìn)行了研究，表明了具有能量分辨的CT系統(tǒng)可以提高乳腺診斷的準(zhǔn)確率8-9。3、2011年埃爾蘭根 - 紐倫堡大學(xué)醫(yī)學(xué)物理研究中心的Willi A.Kalender, Marcel Beister, John M.Boone 等人對(duì)基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器乳腺CT中低劑量問(wèn)題進(jìn)行了研究。在這項(xiàng)研究中光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的像素尺寸為100微米，管電壓60KvP，輻射劑量在1到6mGy,獲得的圖像可以發(fā)現(xiàn)直徑100到200微米的微鈣化點(diǎn)和直徑1到5毫米的病變軟組織。在這項(xiàng)研究中系統(tǒng)可以滿足上述性能指標(biāo)，表明專(zhuān)用乳腺CT可以在低劑量條件下為發(fā)現(xiàn)乳腺組織中微鈣化點(diǎn)和病變組織提供綜合的診斷信息10。4、2013年飛利浦公司研制出基于硅晶體光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的MicroDose Mammography設(shè)備，這種設(shè)備可以在一次低劑量的掃描過(guò)程中實(shí)現(xiàn)乳腺組織密度的測(cè)量，通過(guò)對(duì)密度的分析來(lái)發(fā)現(xiàn)乳腺組織中的鈣化點(diǎn)。硅探測(cè)器的像素尺寸為50微米，最大管電壓40KvP。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是在低劑量的情況下獲得高質(zhì)量的圖像，平均劑量減少40%，檢查時(shí)間大大降低，檢查時(shí)間包括圖像獲取不超過(guò)5分鐘，通過(guò)乳腺密度的測(cè)量?jī)?yōu)化優(yōu)化乳腺疾病的診斷、快速舒適地獲取能譜數(shù)據(jù)。5、2013年加州大學(xué)歐文分校放射科學(xué)系Huanjun Ding, Michael J.Klopfer, Justin L.Ducote等人對(duì)基于碲鋅鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的能譜CT成像技術(shù)在辨別乳腺組織特征的可行性進(jìn)行了研究，在研究中射束電壓100 KvP，腺體平均劑量在1.8到2.2mGy，利用能譜畸變校正算法對(duì)生成的圖像進(jìn)行校正11。在把乳腺表征為水、脂肪、蛋白質(zhì)含量的過(guò)程中利用雙能量分解的方法，通過(guò)比較左右乳腺組織這三種物質(zhì)的含量來(lái)評(píng)價(jià)這種表征方法的精度，通過(guò)能譜CT獲得結(jié)果分析，左右乳腺各成分的含量的標(biāo)準(zhǔn)差分別如下，水為7.4%，脂肪6.7%，蛋白質(zhì)3.2%，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值比較乳腺組織成分中的均方根誤差為2.8%。6、2013年馬薩諸塞大學(xué)放射科學(xué)系Kesava S. Kalluri， Mufeed Mahd, Stephen J. Glick等人對(duì)具有能量分辨能力的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器與傳統(tǒng)的能量積分探測(cè)器在提高圖像質(zhì)量方面做了一些研究，權(quán)重成像有基于投影的和基于圖像的這兩種方式。在這項(xiàng)研究中在非晶硅，碘化銫探測(cè)器獲取的能譜和碲鋅鎘探測(cè)器獲取的能譜的基礎(chǔ)上測(cè)量重建圖像的信噪比，在運(yùn)用能量權(quán)重成像方法下光子計(jì)數(shù)探測(cè)器提高的信噪比比能量積分探測(cè)器高30%到63%，該研究表明基于碲鋅鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺CT利用能量權(quán)重成像方法可以提高每個(gè)像素的信噪比和乳腺組織中的微鈣化點(diǎn)的檢出率12。7、2014年名古屋大學(xué)放射科學(xué)系醫(yī)學(xué)研究中心Misaki Yamazaki, Niwa Naoko, Sho Maruyama等人對(duì)基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺X射線成像在減少劑量方面進(jìn)行研究并對(duì)系統(tǒng)獲得圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，碲化鎘探測(cè)器在寬能帶范圍內(nèi)具有高的吸收效率。該研究表明在探測(cè)器方向的空間分辨率比掃描方向上的空間分辨率高，在掃描設(shè)備的速度和平移的距離減少時(shí)圖像的質(zhì)量有明顯的提高，基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺X射線成像可以降低輻射劑量13。2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的概念形成于上世紀(jì)末，在過(guò)去的十年間獲得了較快的發(fā)展，光子計(jì)數(shù)探測(cè)器在X射線成像領(lǐng)域中的應(yīng)用是目前的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在X射線光子計(jì)數(shù)探測(cè)器研制方面，清華大學(xué)研制出了線陣CZT探測(cè)器，用離散元件實(shí)現(xiàn)多功能成像的電子學(xué)系統(tǒng)；中科院上海技術(shù)物理研究所、重慶大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等研究單位，研制出了小型面陣CZT探測(cè)器，主要研究了面陣探測(cè)器的制備工藝并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試分析。3、 研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案： 3.1、研究?jī)?nèi)容1.光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的原理、分類(lèi)；2.分析光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的性能退化因素以及抑制退化的措施；3.分析光子計(jì)數(shù)探測(cè)器從采集數(shù)據(jù)到生成圖像的整個(gè)過(guò)程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)；3.2 實(shí)驗(yàn)方案3.2.1實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù) 乳腺專(zhuān)用CT平臺(tái)，450幅投影數(shù)據(jù)，360度采集，8mmAl濾片，SDD：740mm，無(wú)疊加，幾何放大比：1:3，步進(jìn)模式。3.2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)將電壓調(diào)制70KV；電流調(diào)制7mA；調(diào)高幀頻至10fps(空掃技術(shù)不溢出)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中依次調(diào)小電流，間隔為1mA,分析劑量減小時(shí)，圖像中可分辨的特征變化。四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1 目標(biāo)1對(duì)具有傳統(tǒng)積分型探測(cè)器的乳腺CT設(shè)備掃描模體生成圖像進(jìn)行分析，找出傳統(tǒng)積分型探測(cè)器在成像過(guò)程中的存在的問(wèn)題。2. 查找國(guó)內(nèi)外基于光子計(jì)數(shù)探測(cè)器在CT成像方面資料，為下一步研發(fā)基于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的乳腺CT設(shè)備做準(zhǔn)備。4.2 主要特色能譜CT是當(dāng)前CT研究領(lǐng)域的熱門(mén)方向，在指出傳統(tǒng)探測(cè)器在乳腺CT中存在不足的同時(shí)，提出了基于光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的乳腺CT成像技術(shù)，并對(duì)光子計(jì)數(shù)探測(cè)器做了詳細(xì)的研究。4.3 工作進(jìn)度1、 查閱文獻(xiàn)資料，翻譯英文資料并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告; 3月09日-4月10日2、 按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)； 4月11日-4月15日3、 將掃描的數(shù)據(jù)重建出斷層圖像并分析； 4月16日-4月30日4、查閱國(guó)內(nèi)外光子計(jì)數(shù)探測(cè)器在CT成像方面的資料； 5月04日-5月15日5、著重分析光子計(jì)數(shù)探測(cè)器中的關(guān)鍵技術(shù)； 5月16日-5月31日6、總結(jié)。撰寫(xiě)畢業(yè)論文，答辯。 6月01日-6月26日五、主要參考文獻(xiàn)1 郝佳, 張麗, 陳志強(qiáng)等. 彩色X射線成像技術(shù)新進(jìn)展J.中國(guó)體視學(xué)與圖像分析. 2011,16(2): 205207.2 郝佳, 張麗, 邢宇翔等.光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器在CT成像中的應(yīng)用：現(xiàn)狀及展望C.全國(guó)射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會(huì)論文集, 全國(guó)射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會(huì), 中國(guó)上海, 2010, 2010:3234.3 王革, 俞恒永, 勃魯努-德曼. X線CT研究與發(fā)展之展望J. 中國(guó)醫(yī)療器械雜志. 2008,32(3):158163.4 Katsuyuki Taguchi. Single photon counting X-ray detectors in medical imagingJ. Medical Physics, 2013,40(10):211.5 Katsuyuki Taguchi, Mengxi Zhang, Eric C.Frey. Modeling the performance of a photon counting X-ray detector for CT:Energy response and pulse pileup effectsJ. Medical Physics, 2011, 38(2):10921096.6 何鵬. 基于MARS系統(tǒng)的X射線能譜CT研究D. 重慶大學(xué)博士學(xué)位論文, 2013:115.7 Hyo-Min Cho, William C. Barber, Huanjun Ding, Jan S. Iwanczyk. Characteristic performance evaluation of a photon counting Si strip detector for low dose spectral breast CT imagingJ. Medical Physics, 2014,41(9): 13.8 Polad M Shikhaliev. Energy-resolved computed tomography: first experimental resultsJ. IOP science, 2008,53(2008):55955598.9 Polad M Shikhaliev. Computed tomography with energy-resolved detection: a feasibility studyJ. IOP science, 2008, 53(2008):1475147810 Willi A.Kalender, Marcel Beister, John M.Boone. High-resolution s