ИКИ РАНИКИ РАН 11

Идентификация Идентификация распределения распределения

эффективного атомного эффективного атомного номера в диагностике номера в диагностике

рака молочной железырака молочной железы Д.т.н.,проф.Горшков В.А. Д.т.н.,проф.Горшков В.А.

Институт космических исследований Институт космических исследований Российская Академия наукРоссийская Академия наук

Президент Российской ассоциации Президент Российской ассоциации маммологов, д.м.н.,маммологов, д.м.н., чл.-корр.РАМН  чл.-корр.РАМН  

Рожкова Н.ИРожкова Н.И..,,к.т.н.,ст.н.сотр. Прокопенко С.П.к.т.н.,ст.н.сотр. Прокопенко С.П.

ФГУ "Российский научный центр рентгенологии ФГУ "Российский научный центр рентгенологии Росмедтехнологий"Росмедтехнологий"

ИКИ РАНИКИ РАН 22

Рассматриваются вопросы реконструкции структуры молочной железы на основе распределения эффективного атомного номера. Идентификация эффективного атомного номера осуществляется на основе маммограмм, полученных на различных энергиях рентгеновского излучения, а также на основе восстановления отношения массового коэффициента рассеяния к коэффициенту полного поглощения. Визуализация распределение эффективного атомного номера является весьма эффективным средством в арсенале методов диагностики онкологических заболеваний.

АннотацияАннотация

33

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»,10-15% - пропуск ракового заболевания

По представленным данным на совместном совещании министерства здравоохранения США, ЦРУ и НАСА, посвященного проблемам маммологии(http://www.womenshealth.gov/news/pr/1996.imaging.htm)

Проблема:Проблема:

44

Скрининговая Скрининговая маммографиямаммография

Коллиматор

МЖ

Кассета с пленкой или люминофоро

м

Исходное рентгеновское излучение

ФЭ КРКР

Кассета с пленкой или люминофоро

м

СтолСтол

55

Акты взаимодействия фотонов с МЖ

Доля фотонов, претерпевших фотопоглощение

dt

teP d

actteP 1

t

Cds

teP )1(

t

phdph

teP )1(

Доля рассеянных фотонов

Доля фотонов, прошедших МЖ без взаимодействия

Доля фотонов, претерпевших взаимодействие с МЖ

μt, μc, μph, - массовые коэффициенты полного поглощения, комптоновского рассеяния и фотопоглощения,

ρ - плотность участка молочной железы,

d - толщина участка молочной железы

66

Традиционные Традиционные маммограммымаммограммы

77

ЦитатыЦитатыМикрокальцинаты – предвестники рака

Раковые опухоли характеризуются повышенным эффективным атомным номеров – предвестники рака

Важнейшим эффектом в маммографии является фотоэффект

“…the cancers exhibit a higher effective atomic number than do the normal tissues…”

“…the tiny calcifications that can be the earliest Indicator of breast cancer …”

“…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. …”

“…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.,…

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,… …

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,… .

Barbara O’Connell

88

Zэф МЖ

99

Рентгенограммы на двух Рентгенограммы на двух энергияхэнергияхDual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography Document Type and Number:United States Patent 6683934

Publication Date:01/27/2004

Hp

H

Lp

L

Hp

H

Lp

L

N

N

N

N

N

N

N

NS

0

0

00 lnlnln

Human chest phantom(simulation)

1010

J.Lewin, P.Isaacs, F. J.Lewin, P.Isaacs, F. LarkeLarke

Dual-energy Dual-energy mammographymammography

Массовый коэффициент фотопоглощения

050

100150200

10 20

33.2 40 60 100

1111

Физическая основа Физическая основа рентгеновской рентгеновской

трансмиссионной трансмиссионной маммографиимаммографии

dEZekNN ),(0

μ - массовый коэффициент полного

поглощения, определяемый эффективным атомным номером участка молочной железы и энергией рентгеновского излучения,

ρ - плотность участка молочной железы,

d - толщина участка молочной железы

1212

Пропорциональность атомного номера

α =μ 40keV - μ 20keV =kβ Z

Отношение и разность массовых коэффициентов полного поглощения

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Z

betta=Mu20/Mu40 alpha=Mu20-Mu40

Диапазонизменения ZДиапазон

изменения bettaДиапазонизменения alpha

β =μ 40keV / μ 20keV=kα Z

1313

1414

dHHd

dLLd

H

L

eNkN

eNkN

01

01

где NLd , NH

d ,- число зарегистрированных фотонов на двух энергиях (индекс L соответствует низкой энергии, H- высокой), NL

0 , NH

0 ,- исходное число фотонов на двух энергиях, μL, μH, - массовые коэффициенты поглощения ткани МЖ на двух энергиях ρ - плотность ткани, d - толщина МЖ, k1,k2 - коэффициенты пропорциональности.

Физическая основаФизическая основа оценки оценки эффективного атомного номераэффективного атомного номера

1515

Физическая основа оценки эффективного Физическая основа оценки эффективного атомного номера и плотностиатомного номера и плотности

Zk

N

Nk

N

Nk

Hp

HL

Lp

LL

H

L

0

0

ln

ln

ZkN

kN

N

kN

d Hp

H

Lp

LHL

)ln(ln

1 00

Zk ln{...}ln{...}

kZln{...}ln{...}

k

ln{...}ln{...}

ln{...}ln{...}

1616

1

2

40 40 kVkV 20 20 kVkV

Здоровая ткань

Рак

Традиционные маммограммыТрадиционные маммограммы

1717

ТМ

ρZ

Zρ

Распределения Распределения ZZ и плотности и плотности ( (рак)рак)

1818

ТМ

ρZ

Zρ

Распределения Распределения ZZ и плотности (рак) и плотности (рак)

1919

ТМ

ρZ

Zρ

Распределения Распределения ZZ и плотности (здоровая и плотности (здоровая ткань)ткань)

2020

Повышение контрастности визуализации Z

Возможные нелинейные преобразования

Исходное распределение Z

2121

Смещение отсутствует Смещение dx=0,5мм, dy=4 мм

Выявление микрокальцинатов на Выявление микрокальцинатов на основе смещенных снимковоснове смещенных снимков

Z Z

μL,Ca / μH,Ca

μL,T / μH,T

μL,T / μH,Ca

μL,Ca / μH,T

2222

ТрадиционнТрадиционная ая

маммограммаммограммамаРаспределениРаспределени

е е ZZЕЕнн=33 =33 keVkeV

Распределение Распределение ZZрр

ЕЕнн==2525 keVkeV

Изменение контрастности изображения Изменение контрастности изображения за счет снижения высокой энергии при за счет снижения высокой энергии при реконструкцииреконструкции

2323

Обдасть нормальной экспозиции

Цифровая рентгенография на люминофорах

(ЦЛР)

Пленка

Цифровой маммограф

Экспозиция (N)

Оптическая плотность

Зависимость оптической плотности от Зависимость оптической плотности от экспозицииэкспозиции

2424

Рентгеновская пленка Цифровой маммограф

OpDen_F

00.5

11.5

22.5

33.5

4

0 50 100 150 200

N

OpDen_D

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0 50 100 150 200

N

Оценка Оценка NoNo

No

Nd

eee dEd eNN )(

0

Оптическая плотность

2525

Примеры изменения контрастности Примеры изменения контрастности визуализации визуализации ZZ

Z1

Z3Z2

Z

2626

Примеры изменения контрастности Примеры изменения контрастности визуализации визуализации ZZ

Z1Z

Z2 Z3

ИКИ РАНИКИ РАН 2727

5 мм

5 мм

ZZ--ММааммммооггррааммммыы

ТМ

Z2-1

Z1-1

Z3-1

0,1 мм

2828

Традиционная Визуализация Z Визуализация Zмаммограмма (повышенная

контрастность)

РеконструкцияРеконструкция распределенияраспределения ZZ

2929Dual-energy mammogram (J.LewinJ.Lewin ),2003 Визуализация Z

Сопоставление двух маммограммСопоставление двух маммограмм

3030

ВыводВывод

Визуализация распределение эффективного атомного номера представляется полезным средством в

арсенале методов диагностики онкологических заболеваний.

ИКИ РАНИКИ РАН 3131

Спасибо за внимание

ИКИ РАНИКИ РАН 3232

Интерфейс рабочей программыИнтерфейс рабочей программы

ИКИ РАНИКИ РАН 3333

Интерфейс рабочей программыИнтерфейс рабочей программы

ИКИ РАНИКИ РАН 3434

Это не микрокальцинаты

и не молочная железа

Звезды

ТуманностьГрудь женщины - космос (Козьма Прудков)

ИКИ РАНИКИ РАН 3535

Фиванская царица Алкмена тайно родилаот Зевса мальчика Геракла, но, боясь наказания жены Зевса, Геры, спрятала новорожденного в кустах. Однако Гера случайно обнаружила малыша и решила покормить его грудью. Но маленький Геракл почувствовав в Гере врага оттолкнул богиню. Молоко брызнуло на небо, отчего и образовался Млечный Путь.

Этим объясняется схожесть проблем маммологии и космологии

ИКИ РАНИКИ РАН 3636

Спасибо

ИКИ РАНИКИ РАН 3737

ПриложенияПриложения

3838

Зависимость коэффициентов от Zэф

Зависимость коэффициентов от атомного номера. Е=25 кэВ

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Атомный номер Z

μC

μp

μt

μC/μt

Область вариации Z в МЖ

3939

Фантом МЖФантом МЖ

4040MK – 1%

MK – 5%

Холестерин

MK – 5%

MK – 1%

Холестерин

3Д-3Д-представлениепредставление

No=30 000

22Д-Д-представлениепредставление

Маммограммы на рассеянном и Маммограммы на рассеянном и трансмиссионном излученияхтрансмиссионном излучениях

((моделирование)моделирование)