Актуальность

Актуальность
•
Согласно последней европейской статистике, случаи заболевания
раком молочной железы составляют от 1 116 (Польша) до 3 046
(Швеция) на 100 000 человек.
B.Jonsson & N.Willking, «The Cost and Burden of Cancer», Annals of
Oncology 18 (supplement 3): iii2-iii7, 2007
Роль эффективного атомного номера
«Микрокальцинаты – предвестники рака»
“…the tiny calcifications that can be the earliest Indicator of breast cancer …”
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.
Johns PC, Yaffe MJ. , Ph.D., Caryl Brzymialkiewicz,Gwen Banks,… .
«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…”
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.,…
Фотоэффект
«Важнейшим эффектом в маммографии
является фотоэффект»
Barbara O’Connell
“…therefore the photoelectrical affect is the most important …”
«Перспективным направлением в диагностике
онкологических заболеваний является применение
двойной энергии излучения»
“…Dual-energy mammography may provide information regarding the
atomic number and density characteristics of the breast tissue. …”
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…
Методы диагностики заболеваний в маммологии
Ядерная маммография
Рентгеновская компьютерная маммография
Оптическая маммография
Ультразвуковая маммография
Основным недостатком данных методов является невозможность
реконструкции распределения эффективного атомного номера
Скрининговая маммография
Исходное рентгеновское излучение
КР
ФЭ
Коллиматор
МЖ
Кассета
N  kN0e
  ( Z , E ) d
d - толщина участка
молочной железы
ρ - плотность участка
молочной
железы,
μ
-
массовый
коэффициент
полного
поглощения,
определяемый
эффективным атомным номером Z участка молочной железы и энергией
рентгеновского излучения E
Двухэнергетическая маммография
Вычитательная маммография (ДВМ)
(dual-energy subtraction mammography)
N
ln
N
L
0
L
N
 ln
N
H
0
H
 k zd
Делительная маммография (ДДМ)
ln ( N 0L N L )

k
z

ln ( N 0H N H )
где Z – эффективный атомный номер, ρ - плотность ткани, d - толщина МЖ,
NLd , NHd ,- числа зарегистрированных фотонов (L - низкая энергия, H- высокая),
NL0 , NH0 ,- исходные числа фотонов
ДВМ
ДДМ
Недостатки двухэнергетической маммографии:
-Увеличение радиационной нагрузки на орган,
-Невозможность реконструкции подвижных органов.
ТМ
Направление исследований
Рабочая гипотеза:
Реконструкция распределения эффективного атомного
номера возможна
по рассеянному и трансмиссионному излучениям
Коэффициент комптоновского
рассеяния
Коэффициент фотопоглощения
 ph  kZ
Z
C  k
 k  0,5
M
4
Z 1
Коэффициент полного поглощения
t  C   ph
Формулы реконструкции распределения эффективного атомного номера
C
 f (Z )
C   ph
 ph
 f (Z )
C
Модель процесса регистрации рассеянных и
трансмиссионных фотонов
Исходные характеристики фотона
(координаты ввода, угловые
характеристики, энергия), число
моделируемых фотонов
Моделирование длины свободного пробега
Расчет координаты взаимодействия
Нет
Нет
Попадание
в детектор
Трансмиссионного излучения
Взаимодействие
внутри МЖ
xmin < x < xmax
ymin < y < ymax
zmin < z < zmax
Да
Да
Моделирование типа взаимодействия
F (cosω) = R
Нет
χ = 2π * R
Комптонэффект
Регистрация фотона
Формирование массива
трансмиссионных
фотонов (х0,у0)
Да
Моделирование азимутального и
комптоновского угла рассеяния
Расчет угловых характеристик нового вектора
распространения фотона
Zэф молочной железы
Физическая основа реконструкции распределения эффективного
атомного номера
C

 f (z )
t
 Ph t  C


  (z )
C
C
N t  N 0e
 t d
t 
N s  N 0 (1  e
 t d
C
)
t
1
N
ln 0
d Nt
N0
N0
1
1
Ns
ln
Ns
ln
d
Nt
d
Nt
C 

Nt
N 0  Nt
N 0 (1 
)
N0
N0
1
Ns
ln
C
d
Nt
Ns


N0
1
t
( N 0  Nt )
( N 0  Nt )
ln
d
Nt
Ns  ?
Число зарегистрированных
рассеянных фотонов

Число рассеянных фотонов
Моделируемые объекты
Неоднородный объект
100 мм
10 мм
Однородный объект
Z 7
 1
г.см 3
6
6,1
…
7,8
7,9
6
6,1
…
7,8
7,9
Z
…
…
…
…
…
Mut
6
6,1
…
7,8
7,9
6
6,1
…
7,8
7,9
0,283
0,283
…
0,283
0,283
0,292
…
0,292
…
…
…
0,292
…
0,292
…
0,497
0,497
…
0,497
0,497
0,512
0,512
…
MuC
0,512
0,512
0,163
0,163
…
0,163
0,163
0,162
…
0,162
…
…
…
0,162
…
0,162
…
0,158
0,158
…
0,158
0,158
0,157
0,157
…
Ro
0,157
0,157
0,5
0,55
…
1,4
1,45
0,5
…
0,55
…
…
…
1,4
…
1,45
…
0,5
0,55
…
1,4
1,45
0,5
0,55
…
1,4
1,45
Результаты моделирования однородной модели, как
основа коррекции числа зарегистрированных
рассеянных фотонов
Реконструкция эффективного атомного номера.
Однородная модель
7.5
7
6.5
1
2
3
4
5
Первый ряд
массива
объекта
Второй ряд
массива
объекта
Третий ряд
массива
объекта
Число
рассеянных
фотонов
 Функция
столбца
Результаты реконструкции неоднородного объекта
Число рассеянных зарегистрированных фотонов
Число трансмисионных зарегистрированных фотонов
N s ( x, y )  k ( x, y )  N s , r ( x, y )
Где Ns(x,y) – Количество рассеянных фотонов в том числе фотопоглотившихся
k(x,y) – Коэффициент перевода количества зарегистрированных фотонов в число
рассеянных, в том числе фотопоглотившихся
Ns,r(x,y) – Количество зарегистрированных рассеянных фотонов
Число рассеянных фотонов в МЖ включая претерпевших
фотопоглощение
Число рассеянных фотонов
1,000
0.7
900
0.6
0.5
0.4
Ряд 1
0.3
Ряд 3
0.2
Ряд 5
0.1
Ряд 7
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Плотность гм/см3
Число фотонов Тысячи
0.8
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4
1,45
Величина коэффициента
Коэффициент перевода
800
700
Ряд 1 Z=6
600
Ряд 6 Z=6.5
500
Ряд 11 Z=7
400
Ряд 16 Z=7.5
300
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4
1,45
Распределение коэффициента перевода k(x,y)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Плотность гм/см3
Ряд 20 Z=7.9
Идентификация холестерина и
микрокальцинатов
Микрокальцинаты
Микрокальцинаты
Микрокальцинаты или холестерин?
MK – 1%
Холестерин
ДО – 1,2 г.см3
Фантом МЖ
MK – 5%
Визуальная реконструкция Z
Численная реконструкция Z
No=100 000
No=1000
No=10 000
Распределения Z и плотности
Традиционная маммограмма
Эффективный атомный номер
Произведение Z на плотность
Плотность
Реконструкция онкологической опухоли без микрокальцинатов
Традиционная маммограмма
Распределение Z
Онкологическая опухоль
Онкологическая опухоль
Оценка эффективности предлагаемого метода
Эффективность реконструкции эффективного атомного номера оценивалась
средним квадратическим отклонением реконструируемого
(Zrec) распределения от фактического (Zf)
n
 ( Z rec,i  Z fact,i )
 z  i 1
2
n
Как показали исследования, имеет место оптимальная
энергия, при которых ошибки минимальны
Томосинтез
Detectors
Object
Восстановление числа рассеянных фотонов
Алгоритм идентификации распределения эффектного атомного
номера
1)
Восстановление исходного числа фотонов N0 (на основе эталонной пластины).
et  tet  et d et
t
N0  N e
2)
Восстановление отношения линейных коэффициентов комптоновского рассеяния и
полного поглощения.
C
N C

t
N0  Nt
3)
Восстановление распределения эффективного атомного номера.
Z b
4)
C
a
t
Восстановление распределения фактической плотности.

t
tm (z )
5)
Восстановление распределения линейных коэффициентов полного поглощения,
комптоновского рассеяния и фотопоглощения.
 С  Сm (z )
m
 ph   ph
(z )
t  tm (z )
Схема работы маммографического комплекса
ПЭВМ
Система ввода-вывода
Устройство детектирования
Счетчик трансмиссионного
излучения
Счетчик обратнорассеянного
излучения
Детектор трансмиссионного
излучения
Детектор обратнорассеянного
излучения
Объект
Устройство сканирования
Система сканирования
Источник излучения
Схема сканирования (горизонтальное позиционирование)
Пилотный облик прибора (горизонтальное позиционирование)