Доклад MS PowerPoint - Институт космических исследований РАН

распределения
эффективного атомного
номера в диагностике рака
молочной железы
Д.т.н.,проф.Горшков В.А.
Институт космических исследований
Российская Академия наук
Президент Российской ассоциации
маммологов, д.м.н., чл.корр.РАМН Рожкова Н.И.,
к.т.н.,ст.н.сотр. Прокопенко С.П.
ФГУ "Российский научный центр рентгенологии
Росмедтехнологий"
ИКИ РАН
1
Аннотация
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.
ИКИ РАН
2
Проблема:
В России раком молочной железы заболевает
каждая десятая женщина
По представленным данным на совместном совещании
министерства здравоохранения США, ЦРУ и НАСА,
посвященного проблемам маммологии
(http://www.womenshealth.gov/news/pr/1996.imaging.htm)
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
3
Скрининговая маммография
Исходное рентгеновское излучение
КР
ФЭ
МЖ
Коллиматор
Стол
Кассета с
пленкой или
люминофором
4
Акты взаимодействия фотонов с МЖ
Доля фотонов, прошедших МЖ
без взаимодействия
Pt  e
 t d
Доля рассеянных фотонов
 t d C
Ps  (1  e
)
t
Доля фотонов, претерпевших
взаимодействие с МЖ
Pact 1  e
 t d
Доля фотонов, претерпевших
фотопоглощение
Pph  (1  e
 t d
 ph
)
t
μt, μc, μph, -
массовые коэффициенты полного поглощения,
комптоновского рассеяния и фотопоглощения,
ρ - плотность участка молочной железы,
d - толщина участка молочной железы
5
Традиционные маммограммы
6
Цитаты
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 номеров – предвестники рака
“…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.,…
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,…
7
…
Zэф МЖ
8
Рентгенограммы на двух энергиях
Human chest phantom
(simulation)
Dual energy x-ray imaging system and
method for radiography and mammography
Document Type and Number:
United States Patent 6683934
Publication Date:
01/27/2004
S  ln
N 0L
L
Np
L
N0
L
H
Np
N0
 ln
 ln
H
H
Np
N0
H
Np
9
Dual-energy mammography
J.Lewin, P.Isaacs, F.
Larke
Массовый коэффициент
фотопоглощения
100
60
40
33.2
20
10
200
150
100
50
0
10
Физическая основа рентгеновской
трансмиссионной маммографии
N  kN0e
  ( Z , E ) d
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
11
Пропорциональность атомного номера
α =μ 40keV - μ 20keV =kβ Z
β =μ 40keV / μ 20keV=kα Z
Отношение и разность массовых коэффициентов
полного поглощения
8
7
6
5
4
Диапазон
изменения Z
Диапазон
изменения betta
Диапазон
изменения alpha
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Z
betta=Mu20/Mu40
alpha=Mu20-Mu40
12
13
Физическая основа оценки эффективного
атомного номера
L
L   d
N d  k1N 0 e
L
H
H   d
N d  k1N 0 e
H
где NLd , NHd ,- число зарегистрированных фотонов на двух
энергиях (индекс L соответствует низкой энергии, H- высокой),
NL0 , NH0 ,- 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.
14
Физическая основа оценки эффективного
атомного номера и плотности
   
L


L
H
ln

ln
H
kN 0L
kN 0H
1

(ln
 ln
)  k Z
d
N pL
N pH
k L N 0L
N pL
k L N 0H
N pH
ln{...}  ln{...}  kZ
 k Z
ln{...}
 kZ
ln{...}
ln{...}  ln{...}
 k
ln{...}
ln{...}
15
Традиционные маммограммы
40 kV
20 kV
1
2
Здоровая
ткань
Рак
16
Распределения Z и плотности (рак)
ТМ
Z
Zρ
ρ
17
Распределения Z и плотности (рак)
ТМ
Z
Zρ
ρ
18
Распределения Z и плотности (здоровая ткань)
ТМ
Z
Zρ
ρ
19
Повышение контрастности визуализации Z
Исходное распределение Z
Возможные нелинейные
преобразования
20
Выявление микрокальцинатов на основе
смещенных снимков
Смещение отсутствует
μL,T / μH,Ca
μL,Ca / μH,Ca
μL,T / μH,T
Смещение dx=0,5мм, dy=4 мм
μL,Ca / μH,T
Z
Z
21
Изменение контрастности изображения за счет
снижения высокой энергии при реконструкции
Традиционная
маммограмма
Распределение Z
Ен=33 keV
Распределение Zр
Ен=25 keV
22
Зависимость оптической плотности от
экспозиции
Оптическая плотность
Цифровая
рентгенография
на люминофорах
(ЦЛР)
Цифровой
маммограф
Обдасть
нормальной
экспозиции
Пленка
Экспозиция (N)
23
Оценка No
Оптическая плотность
Рентгеновская пленка
Цифровой маммограф
OpDen_D
OpDen_F
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0
50
100
150
200
0
50
100
150
200
N
N
No
N d  N0e
 e ( E )  e d e
Nd
24
Примеры изменения контрастности визуализации Z
Z
Z2
Z1
Z3
25
Примеры изменения контрастности визуализации Z
Z
Z2
Z1
Z3
26
Z
М
а
м
м
о
г
р
а
м
м
ы
5 мм
5 мм
0,1 мм
ТМ
Z2-1
Z1-1
ИКИ РАН
Z3-1
27
Реконструкция распределения Z
Традиционная
маммограмма
Визуализация Z
Визуализация Z
(повышенная
контрастность)
28
Сопоставление двух маммограмм
Dual-energy mammogram (J.Lewin ),2003
Визуализация Z
29
Вывод
Визуализация распределение
эффективного атомного
номера представляется
полезным средством в
арсенале методов диагностики
онкологических заболеваний.
30
Спасибо за внимание
ИКИ РАН
31
Интерфейс рабочей программы
ИКИ РАН
32
Интерфейс рабочей программы
ИКИ РАН
33
Это не микрокальцинаты
и не молочная железа
Звезды
Грудь женщины -ИКИ
космос
(Козьма Прудков)
РАН
Туманность
34
Фиванская царица Алкмена тайно
родила
от 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
Этим объясняется схожесть проблем маммологии и космологии
ИКИ РАН
35
Спасибо
ИКИ РАН
36
Приложения
ИКИ РАН
37
Зависимость коэффициентов от Zэф
Зависимость коэффициентов от атомного
номера. Е=25 кэВ
1,200
Область вариации Z
в МЖ
1,000
μC
μp
μt
μC/μt
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Атомный номер Z
38
Фантом МЖ
39
Маммограммы на рассеянном и трансмиссионном
излучениях (моделирование)
2Д-представление
3Д-представление
MK – 5%
Холестерин
MK – 1%
No=30 000
Холестерин
MK – 5%
MK – 1%
40