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

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 光子計(jì)數(shù)型探測器在乳腺CT中應(yīng)用的調(diào)研專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 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。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?？傮w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140萬人被診斷為乳腺癌，大約有50萬人死于該病，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。在世界上我國雖屬于女性乳腺癌的低發(fā)地區(qū)，但是近年來乳腺癌的發(fā)病率明顯提高。中國主要城市10年來乳腺癌的發(fā)病率增長了37%，死亡率增長了38.9%。值得警戒的是，我國乳腺癌的平均增長速度高出發(fā)達(dá)國家12個百分點(diǎn)，每年以3%4%的速度遞增，成為城市中死亡率增長最快的癌癥，發(fā)病率也逐漸呈現(xiàn)出年輕化的趨勢，尤其以上海、北京、天津及沿海地區(qū)為我國乳腺癌的高發(fā)地區(qū)。我國乳腺癌的發(fā)病高峰年齡段為4049歲，比西方國家早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%，因此看來我國大部分乳腺癌患者在確診時已經(jīng)失去了最佳的治療機(jī)會。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。傳統(tǒng)的電荷積分型探測器中的電子學(xué)噪聲和像素單元之間的竄擾等問題是進(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)型探測器作為近幾年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，有望將CT圖像的質(zhì)量提升到一個新的高度。由于乳腺組織對于X射線劑量非常敏感，因此需要嚴(yán)格控制射線劑量來避免潛在的危害。但是需要保證診斷的正確性，需要較高的組織對比度和細(xì)節(jié)的豐富性，由于光子計(jì)數(shù)型探測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光子的能量信息進(jìn)一步提高圖像的對比度和減少輻射的劑量，光子計(jì)數(shù)型探測器的技術(shù)優(yōu)勢是乳腺X射線成像良好的解決方案。在乳腺CT中，和傳統(tǒng)的電荷積分式探測器相比，光子計(jì)數(shù)型探測器具有很多優(yōu)勢。一方面，它可以消除低能噪聲對圖像帶來的影響，提高了圖像的信噪比，因此在獲得相同信噪比的圖像時，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，光子計(jì)數(shù)型探測器將是未來X射線成像領(lǐng)域的發(fā)展方向，相信在不久的將來，基于光子計(jì)數(shù)型探測器的乳腺CT必然能把CT影像診斷推向新的紀(jì)元1-3。2、 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：目前光子計(jì)數(shù)探測器的探測材料主要采用硅（Si）、碲化鎘（CdTe）、碲鋅鎘（CZT）等材料。不同種類的探測材料探測的性能也不同。與其他的材料相比，硅具有較高的探測效率和良好的穩(wěn)定性。目前光子計(jì)數(shù)探測器的探測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)探測器具有良好的X射線分辨性能、較高的光子探測效率以及更廣的能量探測范圍。鑒于光子計(jì)數(shù)探測器優(yōu)異的性能和乳腺組織的特殊性，國外研究機(jī)構(gòu)開展了大量光子計(jì)數(shù)探測器在乳腺CT中應(yīng)用的研究4-5。2.1國外研究現(xiàn)狀 歐洲原子能機(jī)構(gòu)（CERN）對光子計(jì)數(shù)探測器的研究已經(jīng)形成規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化，歐洲原子能機(jī)構(gòu)將研發(fā)的光子計(jì)數(shù)探測器命名為Medipix系列探測器。到目前為止，Medipix系列探測器已經(jīng)發(fā)展了三代，第一代探測器命名為Medipix1，主要采用硅材料，每個探測單元面積為170170m2,共有6464個探測單元；第二代探測器命名為Medipix2，每個探測單元的面積為5555m2，共有256256個探測單元，在優(yōu)化硅探測器的同時，開發(fā)了碲化鎘探測器，大大提高了能量的探測范圍；第三代探測器命名為Medipix3，與前兩代相比，每個探測單元可以在一次曝光的條件下，同時記錄8個能量段的光子數(shù)，提高了能量的分辨率6。在2014北美放射年會上西門子公司推出了Stellar光子探測器，采用先進(jìn)的微光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了探測器系統(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)探測器的乳腺CT成像，主要研究了光子計(jì)數(shù)探測器的一些參數(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，通過研究表明基于硅晶體光子計(jì)數(shù)探測器具有比傳統(tǒng)積分式探測器更加優(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)探測器的乳腺CT，這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)獲取過程中采用了多孔隙多片的射束和探測器布局（multi slit multi slice, MSMS），管電壓90 KvP，為了解決碲鋅鎘探測器中的極化效應(yīng)和電荷共享等問題，在實(shí)驗(yàn)的過程中射束采用傾斜角度入射（5到20度），主要對其中的能量權(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 等人對基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測器乳腺CT中低劑量問題進(jìn)行了研究。在這項(xiàng)研究中光子計(jì)數(shù)探測器的像素尺寸為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)探測器的MicroDose Mammography設(shè)備，這種設(shè)備可以在一次低劑量的掃描過程中實(shí)現(xiàn)乳腺組織密度的測量，通過對密度的分析來發(fā)現(xiàn)乳腺組織中的鈣化點(diǎn)。硅探測器的像素尺寸為50微米，最大管電壓40KvP。該設(shè)備的優(yōu)勢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%，檢查時間大大降低，檢查時間包括圖像獲取不超過5分鐘，通過乳腺密度的測量優(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等人對基于碲鋅鎘光子計(jì)數(shù)探測器的能譜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)含量的過程中利用雙能量分解的方法，通過比較左右乳腺組織這三種物質(zhì)的含量來評價這種表征方法的精度，通過能譜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等人對具有能量分辨能力的光子計(jì)數(shù)探測器與傳統(tǒng)的能量積分探測器在提高圖像質(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，碘化銫探測器獲取的能譜和碲鋅鎘探測器獲取的能譜的基礎(chǔ)上測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)探測器提高的信噪比比能量積分探測器高30%到63%，該研究表明基于碲鋅鎘光子計(jì)數(shù)探測器的乳腺CT利用能量權(quán)重成像方法可以提高每個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等人對基于碲化鎘光子計(jì)數(shù)探測器的乳腺X射線成像在減少劑量方面進(jìn)行研究并對系統(tǒng)獲得圖像進(jìn)行評價，碲化鎘探測器在寬能帶范圍內(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)探測器的乳腺X射線成像可以降低輻射劑量13。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀光子計(jì)數(shù)探測器的概念形成于上世紀(jì)末，在過去的十年間獲得了較快的發(fā)展，光子計(jì)數(shù)探測器在X射線成像領(lǐng)域中的應(yīng)用是目前的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)在X射線光子計(jì)數(shù)探測器研制方面，清華大學(xué)研制出了線陣CZT探測器，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探測器，主要研究了面陣探測器的制備工藝并對其性能進(jìn)行測試分析。3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案： 3.1、研究內(nèi)容1.光子計(jì)數(shù)型探測器的原理、分類；2.分析光子計(jì)數(shù)型探測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)探測器從采集數(shù)據(jù)到生成圖像的整個過程中涉及的關(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) 乳腺專用CT平臺，450幅投影數(shù)據(jù)，360度采集，8mmAl濾片，SDD：740mm，無疊加，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)過程中依次調(diào)小電流，間隔為1mA,分析劑量減小時，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對具有傳統(tǒng)積分型探測器的乳腺CT設(shè)備掃描模體生成圖像進(jìn)行分析，找出傳統(tǒng)積分型探測器在成像過程中的存在的問題。2. 查找國內(nèi)外基于光子計(jì)數(shù)探測器在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)域的熱門方向，在指出傳統(tǒng)探測器在乳腺CT中存在不足的同時，提出了基于光子計(jì)數(shù)探測器的乳腺CT成像技術(shù)，并對光子計(jì)數(shù)探測器做了詳細(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開題報(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、查閱國內(nèi)外光子計(jì)數(shù)探測器在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)探測器中的關(guān)鍵技術(shù)； 5月16日-5月31日6、總結(jié)。撰寫畢業(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)型探測器在CT成像中的應(yīng)用：現(xiàn)狀及展望C.全國射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會論文集, 全國射線數(shù)字成像與CT新技術(shù)研討會, 中國上海, 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