СПОСОБ ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДЕЛИТЕЛЬНО-РАЗНОСТНОЙ МАММОГРАФИИ Российский патент 2013 года по МПК A61B6/00 G09B23/28 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к медицине, конкретно к способам диагностики доброкачественных и злокачественных заболеваний молочной железы.

Существующие способы диагностики заболеваний молочной железы.

Предвестниками онкологической опухоли в молочной железе являются микрокальцинаты, которые имеют значительно больший эффективный атомный номер (Z=12-14) по сравнению с эффективным атомным номером здоровой ткани (Z=6,5-7,5). Наличие микрокальцинатов является практически достаточным условием образования онкологической опухоли. Особенно опасны мирокальцинаты размером менее 200 микрон, которые не выявляются средствами рентгеновской маммографии.

Способ двухэнергетической делительно-разностной маммографии позволяет более надежно и на ранней стадии заболевания выявлять микрокальцинаты по сравнению с традиционными способами диагностики.

Скрининговая рентгеновская маммография

Наиболее информативным методом диагностики при ранних непальпируемых формах рака является скрининговая рентгеновская маммография, основанная на различной степени поглощения рентгеновского излучения различными тканями, т.е. на визуализации распределения числа фотонов, прошедших молочную железу без взаимодействия:

$$N=N_0{e}^{-{\displaystyle \underset{0}{\overset{d}{\int }}\mu \left(E,Z,x\right)\rho \left(x\right)dx}}\left(1\right)$$

где N₀ - исходное число фотонов,

µ(E,Z,x) - распределение по лучу излучения массового коэффициента полного поглощения, зависящего от энергии исходного фотона и от эффективного атомного номера участка молочной железы

ρ(x) - распределение плотности по вектору излучения,

d - толщина молочной железы по вектору излучения.

Массовый коэффициент поглощения пропорционален эффективному атомному номеру (в узком диапазоне его изменения).

Таким образом, традиционная рентгеновская маммограмма представляет собой визуализацию нелинейного распределения произведения толщины, плотности и эффективного атомного номера в молочной железе.

На рис.1а представлен пример традиционной маммограммы молочной железы с микрокальцинатами.

Вариация плотности в молочной железе (протоки, сосуды, доброкачественные образования и пр.) зачастую «закрывает» на маммограммах изображения микрокальцинатов малых размеров. Несмотря на наличие коллиматоров, детекторами все же регистрируется рассеянное рентгеновское излучение, что делает изображение молочной железы на маммограммах нерезкими, что, в свою очередь, также затрудняет идентификацию микрокальцинатов малых размеров. Надежно в молочной железе выявляются лишь микрокальцинаты размером более 200 мкм. Микрокальцинаты меньших размеров выявляются лишь на однородных искусственных образцах (фантомах).

Способ двухэнергетической разностнной маммографии

С целью повышения чувствительности маммограмм к распределению эффективного атомного номера в мировой практике применяется способ двухэнергетической разностной маммографии, защищенный большим количеством патентов (Dual energy rapid switching imaging system, US Patent 4541106, 1985; Dual-energy system for quantitative radiographic imaging,US Patent 5150394, 1992; Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography, US Patent 6683934, 2004).

Наиболее полно способ описан в работе: Lewin, J.M., Isaacs, P.К., Vance, V., Larke, F.J.: Dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: feasibility. Radiology, Volume 229, Number 1, 261-268, (2003).

Метод основан на получении двух маммограмм на двух разных энергиях исходного излучения с последующим их логарифмировании и взятия разности

$$\alpha =ln\frac{N_0^L}{N^L}-ln\frac{N_0^H}{N^H}=\rho d\left({\mu }_L-{\mu }_H\right)=\rho d\left(k_{\alpha }Z+a_{\alpha }\right)\left(2\right)$$

где L, H - индексы, соответствующие низкой и высокой энергии,

k_α, a_α - коэффициенты линеаризации.

Таким образом, двухэнергетическая разностная маммография представляет собой визуализацию линейного распределения произведения эффективного атомного номера и плотности.

На рис.1б представлен пример разностной маммограммы той же молочной железы.

Двухэнергетическая разностная маммограмма обладает существенно лучшей резкостью (за счет подавления рассеянного излучения). Однако изображение отдельных участков молочной железы зависит как от эффективного атомного номера, так и от их плотности и толщины, что также затрудняет идентификацию мелких микрокальцинатов (видны лишь микрокальцинаты больших размеров).

Способ двухэнергетической делительной маммографии

С целью уменьшения степени влияния на маммограмму вариации плотности и толщины была предложена двухэнергетическая делительная маммография (Способ дифференциальной диагностики молочной железы, патент RU 2391909, 2008).

Наиболее полно способ описан в работах:

1. Горшков В.А., Рожкова Н.И., Прокопенко С.П. Двухэнергетическая делительная маммография. Методы нелинейного анализа в кардиологии и онкологии. Физические подходы и клиническая практика. Выпуск 2. ООО «Издательство «КДУ», 2010. С.173-191.

2. V.Gorshkov, N.Rozhkova, S.Prokopenko. Dual-energy dividing mammography. International Workshop on Digital Mammography. 2010. Girona, Spain. PP.606-613.

В двухэнергетической делительной маммографии визуализируется отношение упомянутых выше логарифмов

$$\beta =\frac{{\mu }^L}{{\mu }^H}=\frac{ln\frac{N_0^L}{N^L}}{ln\frac{N_0^H}{N^H}}=k_{\beta }Z+a_{\beta }.\left(3\right)$$

где k_β, a_β - коэффициенты линеаризации.

Как видно, данное отношение не зависит от плотности, а определяется лишь распределением эффективного атомного номера.

На рис.1в представлен пример делительной маммограммы той же молочной железы.

На делительной маммограмме вариация плотности и толщины проявляется в меньшей степени по сравнению с разностной маммограммой. Если сосок молочной железы на разностной маммограмме практически не виден (из-за малой его толщины и плотности), то на делительной он представляется практически с той же световой плотностью, что и молочная железа.

Однако на маммограмме все же проявляются сосуды и протоки и другие вариации плотности. Это связано с тем, что выражение (3) справедливо лишь для моноэнергетического спектра излучения. Для реальных спектров рентгеновской трубки, включающих в себя характеристическое и тормозное излучения, подавить на маммограммах вариацию плотности и толщины невозможно.

Для получения маммограмм, инвариантных к вариации плотности и толщины, предлагается способ делительно-разностной маммографии, что и является предметом предполагаемого изобретения.

Раскрытие изобретения

Таким образом, для более надежной идентификации микрокальцинатов необходимо подавление вариации плотности и выделение лишь вариации эффективного атомного номера. Т.к. для непрерывных спектров численные значения, как разности, так и отношения указанных выше логарифмов линейно связаны как с произведением плотности на толщину, так с эффективным атомным номером, визуализация распределения эффективного атомного номера возможна на основании уравнения

$$Z=k_{\alpha }\alpha +k_{\beta }\beta +k_0=k_{\alpha }\left(ln\frac{N_0^L}{N^L}-ln\frac{N_0^H}{N^H}\right)+k_{\beta }\frac{ln\frac{N_0^L}{N^L}}{ln\frac{N_0^H}{N^H}}+k_0,\left(4\right)$$

где k_α, k_β, k₀ - коэффициенты линеаризации.

Проблема заключается в определении коэффициентов k_α, k_β, k₀. Для оценки данных коэффициентов рядом с молочной железой размещается эталон с известными распределениями плотности, толщины, эффективного атомного номера (близкими по значениям к характеристике молочной железы). По двухэнергетическим маммограммам эталона определяются данные коэффициенты известными в математике способами, например методом наименьших квадратов.

Именно это действие является существенным отличительным признаком данного способа.

На рис.1г представлен пример двухэнергетической делительно-разностной маммограммы той же молочной железы, полученной по сопоставлению с эталоном в виде графитовой призмы (моделируемой ткань молочной железы) с алюминиевыми полосами различной толщины (моделируемыми микрокальцинаты).

На делительно-разностной маммограмме практически не видны ни сосуды, ни протоки. Здоровая часть молочной железы представляется одной световой плотности.

На традиционной маммограмме достаточно хорошо проявляются крупные микрокальцинаты. Однако не видны мелкие микрокальцинаты, которые видны на делительно-разностной маммограмме. При этом некоторые скопления мелких микрокальцинатов на делительно-разностной маммограмме на традиционной выглядят как одна крупная гранула.

Таким образом, делительно-разностная маммография позволяет идентифицировать заболевание молочной железы, связанного с появлением в ней микрокальцинатов, на более ранней стадии их формирования.

Краткое описание чертежей

Рис.1 представляет примеры маммограмм

а - скрининговая рентгеновская маммография;

б - двухэнергетическая разностная рентгеновская маммография;

в - то же делительная;

г - то же делительно-разностная.

Рис.2 представляет фрагмент традиционной маммограммы (а) и делительно-разностной (б).

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения осуществляется в соответствии со следующей последовательностью

1. Рядом с молочной железой на столе маммографа размещается эталон с известными распределениями плотности, толщины и эффективного атомного номера.

2. Снимаются две маммограммы на низком и высоком анодном напряжении.

3. По эталону вычисляют коэффициенты формулы 4.

4. С помощью вычисленных коэффициентов визуализируют распределение эффективного атомного номера в молочной железе.

Изобретение относится к области медицины. При осуществлении способа получают маммограммы на двух различных энергиях излучения. При этом рядом с молочной железой размещают эталон с известными распределениями плотности, толщины и эффективного атомного номера. По эталону определяют коэффициенты связи атомного номера с разностью и отношением логарифмов числа фотонов, прошедших молочную железу без взаимодействия на двух различных энергиях излучения, по которым визуализируют его распределение в молочной железе. Способ позволяет повысить надежность идентификации микрокальцинатов на ранней стадии их формирования за счет сочетания делительной и разностной маммографии, обеспечивающей подавление вариации плотности и выделение лишь вариации эффективного атомного номера. 2 ил.

Способ двухэнергетической делительно-разностной маммографии, включающий получение маммограммы на двух различных энергиях излучения, отличающийся тем, что рядом с молочной железой размещают эталон с известными распределениями плотности, толщины и эффективного атомного номера, по которому определяют коэффициенты связи атомного номера с разностью и отношением логарифмов числа фотонов, прошедших молочную железу без взаимодействия на двух различных энергиях излучения, по которым визуализируют его распределение в молочной железе.