开题报告-光子计数探测器在乳腺CT中应用的调研.doc

毕业设计（论文）开题报告题目 光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 9 日第 7 页一、选题的依据和意义近30年来随着世界范围内生活水平的提高，乳腺癌的发病率表现出持续的高增长。全球乳腺癌的发病率因地区环境、经济差异和生活习惯的不同而各不相同。总体而言，西欧、北美等发达地区发病率较高，而亚洲、拉丁美洲和非洲的大部分地区发病率较低。从全球范围看，全世界每年乳腺癌的发病率以0.2%8%的幅度上升，每年全世界约有140万人被诊断为乳腺癌，大约有50万人死于该病，乳腺癌的发病在全球范围内一直是女性恶性肿瘤的首位。在世界上我国虽属于女性乳腺癌的低发地区，但是近年来乳腺癌的发病率明显提高。中国主要城市10年来乳腺癌的发病率增长了37%，死亡率增长了38.9%。值得警戒的是，我国乳腺癌的平均增长速度高出发达国家12个百分点，每年以3%4%的速度递增，成为城市中死亡率增长最快的癌症，发病率也逐渐呈现出年轻化的趋势，尤其以上海、北京、天津及沿海地区为我国乳腺癌的高发地区。我国乳腺癌的发病高峰年龄段为4049岁，比西方国家早1015年，城市人口的乳腺癌发病率高于农村，高学历、高收入的女性乳腺癌发病率更高。我国早期乳腺癌病人仅占30%，而70%的乳腺癌一经发现就已经是中晚期，而美国乳腺癌中晚期初诊者仅占9%。目前早期乳腺癌的临床治愈率可达到80%90%，而晚期乳腺癌的治愈率不足40%，因此看来我国大部分乳腺癌患者在确诊时已经失去了最佳的治疗机会。因此，乳腺癌早期的诊断和筛查才具有积极和重要的意义，成为当前社会保障工作的重中之重。世界卫生组织已经确认乳腺癌是有明确普查效果的两种恶性肿瘤之一，目前预防与治疗的关键还在于“早发现，早诊断，早治疗”。早期乳腺癌诊断的关键是病理检查，病理检查的关键是病灶取材，病灶取材的关键是影像学定位引导病理取材，乳腺CT作为乳腺疾病常规的诊断方式具有明显的优势。传统的电荷积分型探测器中的电子学噪声和像素单元之间的窜扰等问题是进一步提高CT图像诊断能力、降低辐射剂量的桎梏。而光子计数型探测器作为近几年来迅速发展的一项新技术，有望将CT图像的质量提升到一个新的高度。由于乳腺组织对于X射线剂量非常敏感，因此需要严格控制射线剂量来避免潜在的危害。但是需要保证诊断的正确性，需要较高的组织对比度和细节的丰富性，由于光子计数型探测器在一次扫描的情况下可以得到X射线的能谱信息，这样就可以充分利用每一个光子的能量信息进一步提高图像的对比度和减少辐射的剂量，光子计数型探测器的技术优势是乳腺X射线成像良好的解决方案。在乳腺CT中，和传统的电荷积分式探测器相比，光子计数型探测器具有很多优势。一方面，它可以消除低能噪声对图像带来的影响，提高了图像的信噪比，因此在获得相同信噪比的图像时，可以减少照射的光子数量，从而可以降低X射线的辐射剂量。另外一方面，它引入了能谱信息，一次扫描可以得到不同能区的成像结果，这样可以有效提高乳腺癌变组织的检测精度。随着技术的不断发展，快速多通道的脉冲计数读出电子学设备已经研制出来，光子计数型探测器将是未来X射线成像领域的发展方向，相信在不久的将来，基于光子计数型探测器的乳腺CT必然能把CT影像诊断推向新的纪元1-3。2、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：目前光子计数探测器的探测材料主要采用硅（Si）、碲化镉（CdTe）、碲锌镉（CZT）等材料。不同种类的探测材料探测的性能也不同。与其他的材料相比，硅具有较高的探测效率和良好的稳定性。目前光子计数探测器的探测材料主要的研究方向是碲化镉和碲锌镉，基于碲化镉和碲锌镉材料的光子计数探测器具有良好的X射线分辨性能、较高的光子探测效率以及更广的能量探测范围。鉴于光子计数探测器优异的性能和乳腺组织的特殊性，国外研究机构开展了大量光子计数探测器在乳腺CT中应用的研究4-5。2.1国外研究现状 欧洲原子能机构（CERN）对光子计数探测器的研究已经形成规模化和产业化，欧洲原子能机构将研发的光子计数探测器命名为Medipix系列探测器。到目前为止，Medipix系列探测器已经发展了三代，第一代探测器命名为Medipix1，主要采用硅材料，每个探测单元面积为170170m2,共有6464个探测单元；第二代探测器命名为Medipix2，每个探测单元的面积为5555m2，共有256256个探测单元，在优化硅探测器的同时，开发了碲化镉探测器，大大提高了能量的探测范围；第三代探测器命名为Medipix3，与前两代相比，每个探测单元可以在一次曝光的条件下，同时记录8个能量段的光子数，提高了能量的分辨率6。在2014北美放射年会上西门子公司推出了Stellar光子探测器，采用先进的微光子技术实现了探测器系统的微型化和灵敏化，具有零电子学噪声，大大降低了像素之间的串扰。1、2014年加州大学欧文分校放射科学系Hyo-Min Cho, William C. Barber, Huanjun Ding, Jan S. Iwanczyk 等人研究了基于硅条光子计数探测器的乳腺CT成像，主要研究了光子计数探测器的一些参数，比如最大输出计数率108cps/mm2、空间分辨率5线对每毫米（5 lp/mm）、能量分辨率以及成像系统中的噪声水平低于4 KeV，通过研究表明基于硅晶体光子计数探测器具有比传统积分式探测器更加优越的性能，比如最大计数率、高空间分辨率和能量分辨率、低噪声特性，这些特性对能谱乳腺CT成像都是非常重要的7。2、2008年路易斯安那州立大学物理和天文学系物理成像实验室Polad M Shikhaliev 研究了基于碲化镉光子计数探测器的乳腺CT，这项研究的数据获取过程中采用了多孔隙多片的射束和探测器布局（multi slit multi slice, MSMS），管电压90 KvP，为了解决碲锌镉探测器中的极化效应和电荷共享等问题，在实验的过程中射束采用倾斜角度入射（5到20度），主要对其中的能量权重成像和双能减影成像方式在抑制噪声、提高信噪比等方面进行了研究，表明了具有能量分辨的CT系统可以提高乳腺诊断的准确率8-9。3、2011年埃尔兰根 - 纽伦堡大学医学物理研究中心的Willi A.Kalender, Marcel Beister, John M.Boone 等人对基于碲化镉光子计数探测器乳腺CT中低剂量问题进行了研究。在这项研究中光子计数探测器的像素尺寸为100微米，管电压60KvP，辐射剂量在1到6mGy,获得的图像可以发现直径100到200微米的微钙化点和直径1到5毫米的病变软组织。在这项研究中系统可以满足上述性能指标，表明专用乳腺CT可以在低剂量条件下为发现乳腺组织中微钙化点和病变组织提供综合的诊断信息10。4、2013年飞利浦公司研制出基于硅晶体光子计数探测器的MicroDose Mammography设备，这种设备可以在一次低剂量的扫描过程中实现乳腺组织密度的测量，通过对密度的分析来发现乳腺组织中的钙化点。硅探测器的像素尺寸为50微米，最大管电压40KvP。该设备的优势是在低剂量的情况下获得高质量的图像，平均剂量减少40%，检查时间大大降低，检查时间包括图像获取不超过5分钟，通过乳腺密度的测量优化优化乳腺疾病的诊断、快速舒适地获取能谱数据。5、2013年加州大学欧文分校放射科学系Huanjun Ding, Michael J.Klopfer, Justin L.Ducote等人对基于碲锌镉光子计数探测器的能谱CT成像技术在辨别乳腺组织特征的可行性进行了研究，在研究中射束电压100 KvP，腺体平均剂量在1.8到2.2mGy，利用能谱畸变校正算法对生成的图像进行校正11。在把乳腺表征为水、脂肪、蛋白质含量的过程中利用双能量分解的方法，通过比较左右乳腺组织这三种物质的含量来评价这种表征方法的精度，通过能谱CT获得结果分析，左右乳腺各成分的含量的标准差分别如下，水为7.4%，脂肪6.7%，蛋白质3.2%，通过与标准值比较乳腺组织成分中的均方根误差为2.8%。6、2013年马萨诸塞大学放射科学系Kesava S. Kalluri， Mufeed Mahd, Stephen J. Glick等人对具有能量分辨能力的光子计数探测器与传统的能量积分探测器在提高图像质量方面做了一些研究，权重成像有基于投影的和基于图像的这两种方式。在这项研究中在非晶硅，碘化铯探测器获取的能谱和碲锌镉探测器获取的能谱的基础上测量重建图像的信噪比，在运用能量权重成像方法下光子计数探测器提高的信噪比比能量积分探测器高30%到63%，该研究表明基于碲锌镉光子计数探测器的乳腺CT利用能量权重成像方法可以提高每个像素的信噪比和乳腺组织中的微钙化点的检出率12。7、2014年名古屋大学放射科学系医学研究中心Misaki Yamazaki, Niwa Naoko, Sho Maruyama等人对基于碲化镉光子计数探测器的乳腺X射线成像在减少剂量方面进行研究并对系统获得图像进行评价，碲化镉探测器在宽能带范围内具有高的吸收效率。该研究表明在探测器方向的空间分辨率比扫描方向上的空间分辨率高，在扫描设备的速度和平移的距离减少时图像的质量有明显的提高，基于碲化镉光子计数探测器的乳腺X射线成像可以降低辐射剂量13。2.2国内研究现状光子计数探测器的概念形成于上世纪末，在过去的十年间获得了较快的发展，光子计数探测器在X射线成像领域中的应用是目前的研究热点。国内在X射线光子计数探测器研制方面，清华大学研制出了线阵CZT探测器，用离散元件实现多功能成像的电子学系统；中科院上海技术物理研究所、重庆大学、西北工业大学等研究单位，研制出了小型面阵CZT探测器，主要研究了面阵探测器的制备工艺并对其性能进行测试分析。3、 研究内容及实验方案： 3.1、研究内容1.光子计数型探测器的原理、分类；2.分析光子计数型探测器的性能退化因素以及抑制退化的措施；3.分析光子计数探测器从采集数据到生成图像的整个过程中涉及的关键技术；3.2 实验方案3.2.1实验条件及参数 乳腺专用CT平台，450幅投影数据，360度采集，8mmAl滤片，SDD：740mm，无叠加，几何放大比：1:3，步进模式。3.2.2实验方案设计将电压调制70KV；电流调制7mA；调高帧频至10fps(空扫技术不溢出)，实验过程中依次调小电流，间隔为1mA,分析剂量减小时，图像中可分辨的特征变化。四、目标、主要特色及工作进度4.1 目标1对具有传统积分型探测器的乳腺CT设备扫描模体生成图像进行分析，找出传统积分型探测器在成像过程中的存在的问题。2. 查找国内外基于光子计数探测器在CT成像方面资料，为下一步研发基于光子计数型探测器的乳腺CT设备做准备。4.2 主要特色能谱CT是当前CT研究领域的热门方向，在指出传统探测器在乳腺CT中存在不足的同时，提出了基于光子计数探测器的乳腺CT成像技术，并对光子计数探测器做了详细的研究。4.3 工作进度1、 查阅文献资料，翻译英文资料并撰写开题报告; 3月09日-4月10日2、 按照设计的实验方案开展实验； 4月11日-4月15日3、 将扫描的数据重建出断层图像并分析； 4月16日-4月30日4、查阅国内外光子计数探测器在CT成像方面的资料； 5月04日-5月15日5、着重分析光子计数探测器中的关键技术； 5月16日-5月31日6、总结。撰写毕业论文，答辩。 6月01日-6月26日五、主要参考文献1 郝佳, 张丽, 陈志强等. 彩色X射线成像技术新进展J.中国体视学与图像分析. 2011,16(2): 205207.2 郝佳, 张丽, 邢宇翔等.光子计数型探测器在CT成像中的应用：现状及展望C.全国射线数字成像与CT新技术研讨会论文集, 全国射线数字成像与CT新技术研讨会, 中国上海, 2010, 2010:3234.3 王革, 俞恒永, 勃鲁努-德曼. X线CT研究与发展之展望J. 中国医疗器械杂志. 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 何鹏. 基于MARS系统的X射线能谱CT研究D. 重庆大学博士学位论文, 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