乳腺专用CT技术的新发展*

王 哲 魏存峰 朱 华 王燕芳 杨 志 魏 龙

乳腺专用CT技术的新发展*

王 哲①②魏存峰①②朱 华③王燕芳①②杨 志③魏 龙①②

乳腺癌是全球女性发病率第一位的恶性肿瘤，严重影响着女性患者的身心健康。X射线钼靶成像是当前检查乳腺疾病的“金标准”，但其只能以二维透视图像显示乳腺的三维结构，病灶的相互叠加影响了疾病的检出率，且检查时需要挤压女性乳房，影响被检者的舒适性。乳腺专用CT技术仅针对乳腺结构进行断层扫描，在控制辐射剂量和保证舒适性的同时，具有三维准确立体定位的优点。基于光子计数探测器的X射线多能CT技术能够展现更为丰富的X射线衰减特性，提供更多有利于判别物质特性的信息，在剂量效率和软组织表征等方面具有明显优势。因此，乳腺专用低剂量多能CT有望成为早期乳腺癌诊断的一种新的工具。

乳腺癌；乳腺专用CT；多能CT；低剂量; 医学影像

[First-author’s address]Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences; Beijing Engineering Research Center of Radiographic Techniques and Equipment, Beijing 100049, China.

全球癌症流行病学数据库(GLOBOCAN)最新的数据显示，全球乳腺癌发病率和病死率迅猛增长，2012年约有170万新增女性乳腺癌患者，近50万女性死于该病[1]。复旦大学附属肿瘤医院乳腺外科主任邵志敏教授等人近期发表在《柳叶刀》(Lancet)杂志上的“中国乳腺癌现状报告”显示，中国乳腺癌发病率年增幅速度更是世界平均水平的2倍，照此速度推断，到2021年中国乳腺癌患者将高达250万[2]。

乳腺癌并不是导致女性死亡人数最多的癌症，且乳腺癌是可以完全治愈的癌症，若能在患者无任何明显体征时，早期发现乳腺癌前病变并能及时治疗，患者5年以上的生存率可达98%，若发现较晚癌症发生转移，其生存率仅为27%[3]。据欧美有关资料显示，通过乳腺普查可使乳腺癌的病死率下降30%～40%。因此，乳腺癌的早期发现、早期诊断和早期治疗对提高患者的治愈率、降低病死率具有十分重要的意义。

为了更好的关爱女性健康，远离乳腺疾病的困扰，国家卫生与计划生育委员会、财政部和全国妇联从2009年起，在全国范围内对适龄农村妇女实施“宫颈癌”、“乳腺癌”的免费筛查项目。各地方卫生部门及妇联进一步推进“两癌”为重点的妇女常见疾病检查工作，扩大筛查覆盖面，使普查工作惠及更多的育龄妇女，提高女性的自我保健意识和健康水平。

1 当前乳腺检查方法

目前，用于乳腺检查的主要方法有超声成像(ultrasonography)、X射线钼靶成像(mammography)、核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)及常规X射线CT成像(computed tomography)等。超声普查无辐射、重复性强，却过于依赖操作者的水平(假阳性检出率偏高)且耗费时间(平均检查时间为19 min/人次)；MRI对于软组织有很好的分辨能力，但是检查比较复杂、时间较长，受检者自主或不自主的运动会直接影响图像的质量。另有文献报道，大约有15%的女性无法接受MRI检查带来的困扰；常规CT的成像分辨率较低，对于检测微小钙化能力较弱。此外扫描时X射线会穿过整个胸腔，非乳腺部分接受到大量不必要的辐射剂量。

当前，X射线钼靶成像是比较有效的乳腺普查手段，已经成为检查乳腺疾病的“金标准”。其分辨率高，重复性好，特别是对于大乳房和脂肪型乳房，其诊断性可高达95%。但是乳腺钼靶检查时需要挤压女性乳房，影响被检者的舒适性。此外，只能以二维透视图像显示乳腺的三维结构，成像方向上组织信息互相叠加，立体定位准确性差，在致密型乳腺及手术、放射治疗后的乳腺癌患者中假阴性率较高，在诊断某些浸润性小叶癌、派杰氏病、炎性乳腺癌以及乳房外缘的小乳癌时存在困难，不利于较小病灶的检出。

2 乳腺检查的新思路—乳腺专用CT技术

乳腺专用CT与常规CT不同，其只针对乳腺结构进行断层扫描，避免了身体其他部分接受不必要的辐射剂量，也无需像钼靶成像时挤压受检者的乳房，提高了检查的舒适性。乳腺专用CT的概念在1975年已被提出，并进行过一些医学试验[4]。从试验的初步研究中发现，CT成像对于乳腺癌的肿瘤具有高敏感性，但是当时的成像结构以及较低的空间分辨率限制了这项技术的应用，在之后的数十年中并无明显进展。直至积分式高分辨率平板探测器的出现积极推进了乳腺专用CT的长足发展，2001年，美国Rochester大学及California大学Davis医学中心均提出利用锥束CT扫描乳腺结构的构想[5-6]。之后，Massachusetts大学、Texas大学Anderson癌症中心等研究机构也分别进行了乳腺CT的理论和实验研究[7-8]。2006年后，Davis医学中心经过行业审查委员会(institutional review board)和辐射使用委员会(Radiation Use Committee)批准，进行了专用乳腺CT的初期临床实验。这些研究结果表明：基于积分式探测器的乳腺专用CT具有辐射剂量低、检查时间短、各向同性分辨、准确立体定位等独特的优势。乳腺专用CT演示模型如图1所示。

图1 乳腺专用CT演示模型图

然而，现有基于积分式探测器的乳腺专用CT还存在着诸多问题。①低剂量扫描时，积分式探测器在信号转换的过程中存在较大的电子学噪声，加上X射线的量子噪声，严重影响图像质量；②由于X射线穿过乳腺组织时发生射束硬化，使得重建图像偏离了正常的CT值；③锥形束的成像结构使得乳腺CT图像质量受到较大的散射影响。以上因素严重影响了乳腺癌早期钙化点和肿瘤的检出率。因此，基于积分式探测器的乳腺专用CT已不能满足乳腺成像中高对比度、高分辨率和低辐射剂量的更高要求。

3 乳腺专用CT的新发展—乳腺专用多能CT技术

近年来，随着能谱成像技术的发展，常规CT开始向双能谱CT以及多能CT方向发展。特别是X射线能量分辨光子计数探测器技术的问世，促使X射线探测器技术和多能CT成像技术的发展有了质的飞跃[9-10]。在光子计数探测器中，可以通过设置电子学阈值滤除低能噪声，提高图像的信噪比。此外，随着半导体工艺的进步，基于半导体材料的光子计数探测器的像素尺寸很小，可以提高乳腺组织图像的空间分辨率，从而增加微钙化点的检出率。另外，光子计数探测器可以探测X射线丰富的能谱信息，基于此发展多能成像技术，对于降低辐射剂量，消除图像伪影，提升图像对比度具有重要帮助[11]。目前，国际上埃尔兰根-纽伦堡大学，加州大学欧文分校等机构已经相继开展了乳腺多能CT技术的研究工作[12-14]。相比基于积分式探测器的乳腺专用CT，乳腺多能CT技术研究尚未成熟，目前仍处于研究与开发的初创阶段。

中国科学院高能物理研究所在乳腺影像领域的装备研制及成像技术方面进行了多年的研究工作。其中，在国家863计划等项目的支持下，成功研制了拥有自主知识产权的乳腺专用PET系统。作为分子功能影像技术，该设备具有较高的分辨率和灵敏度，对于浸润性导管癌、浸润性小叶癌等乳腺病灶的诊断准确率要高于超声等传统设备[15-16]。目前，该设备已经取得国家药监局颁发的“医疗器械注册证”，成为国内首台可以上市销售的乳腺专用PET产品。此外，在基于积分式探测器的乳腺专用CT技术方面已具有多年的研究基础，能够在与乳腺钼靶剂量相当的情况下，实现对钙化点和肿瘤的良好分辨，剂量控制及图像质量达到国内外装置同等水平[17-18]。

北京肿瘤医院基于“淋巴结的主要组成细胞是B淋巴细胞，B淋巴细胞均表达CD20抗原，而美罗华能够特异性结合于对B淋巴细胞膜表面CD20抗原”的判断，提出“99Tcm标记美罗华将能够特异性进行原发乳腺癌的SLN显像”的假设，并自2002年开始发展出99Tcm标记美罗华分子探针。对2317例原发性乳腺癌患者进行前哨淋巴结(sentinel lymph node，SLN)显像和活检的研究结果表明[19-20]：由北京肿瘤医院核医学科独立、自主研发的新型、特异性SLN显像剂99Tcm-Rit具有极高的临床应用前景，提升了患者手术切除精准性、降低了手术创面、提高了术后生活质量，为提高乳腺癌患者的保乳率起到重要作用。

在此基础上，针对乳腺癌进行早期诊断，精确治疗的更高要求，2016年国家重点研发计划“数字诊疗装备”专项将开展基于能量分辨光子计数探测器的乳腺专用低剂量多能CT技术研究，计划在比乳腺钼靶剂量降低50%的条件下，在更早期达到对微钙化点和细小肿瘤等病灶的精确定位和良好分辨，为乳腺癌的早期诊断、定性分析和定量评估提供强有力的工具。该项目的预期成果形式是用于乳腺癌早期筛查和诊断的乳腺专用低剂量多能CT原理样机，并在乳腺专用低剂量多能CT的扫描技术、图像重建算法以及吸收边高对比度成像等关键技术上取得突破。

4 展望

光子计数探测器与传统积分式探测器不同，其能够获得不同能量范围内的光子计数，并将能谱信息融入到X射线图像中。因此，基于光子计数探测器的X射线多能CT技术更为准确地展现丰富的X射线衰减特性，并提供更多有利于判别物质特性的信息。通过对乳腺专用低剂量多能CT技术研究，有望给乳腺癌诊断在辐射剂量、图像质量及临床应用等方面带来革命性的改变。从长远来看，将乳腺专用低剂量多能CT应用于乳腺癌检查，将有利于提高早期乳腺癌诊断准确率，对于提高患者生存率，改善预后生活质量具有重要意义。

[1]Rebecca S，Deepa N，Ahmedin J.Cancer statistics[J].Ca-A Cancer Journal for Clinicians，2012，62(1)：10-29.

[2]Fan L，Strasser-Weippl K，Li JJ，et al.Breast cancer in China[J].Lancet Oncol，2014，15(7)：e279-e289.

[3]American Cancer Society.Cancer Facts and Figures 2009[R].American Cancer Society；Atlanta，GA US，2009.

[4]Chang CH，Sibala JL，Gallagher JH，et al.Computed tomography of the breast.A preliminary report[J]. Radiology，1977，124(3)：827-829.

[5]Boone JM，Nelson TR，Lindfors KK，et al.Dedicated breast CT：radiation dose and image quality evaluation[J].Radiology，2001，221(3)：657-667.

[6]Chen Z，Ning R.Cone-beam volume CT breast imaging：feasibility study[J].Medical Physics，2002，29(5)：755-770.

[7]O'Connor JM，Glick SJ，Gong X，et al. Characterization of a prototype tabletop x-ray CT breast imaging system[J].Proc SPIE，2007：6510.

[8]Yang WT，Carkaci S，Chen L，et al.Dedicated cone-beam breast CT：feasibility study with surgical mastectomy specimens[J].AJR Am J Ro entgenol，2007，189(6)：1312-1315.

[9]Hao Jia，Zhang Li，et al.Recent development of color X-ray imaging technology[J].Chinese Journal of Stereology and Image Analysis，2011，16(2)：203-208.

[10]Taguchi K，Iwanczyk JS.Vision 20/20：Single photon counting x-ray detectors in medical imaging[J].Med Phys，2013，40(10)：100901.

[11]Shikhaliev PM，Fritz SG.Photon counting spectral CT versus conventional CT：comparative evaluation for breast imaging application[J].Phys Med Biol，2011，56(7)：1905-1930.

[12]Kalender WA，Beister M，Boone JM，et al.Highresolution spiral CT of the breast at very low dose：concept and feasibility considerations[J]. EurRadiol，2012，22(1)：1-8.

[13]Cho HM，Ding H，Barber WC，et al. Microcalcification detectability using a benchtop prototype photon-counting breastCT based on a Si strip detector[J].Med Phys，2015，42(7)：4401-4410.

[14]Ding H，Klopfer MJ，Ducote JL，et al.Breast tissue characterization with photon-counting spectral CT imaging：a postmortem breast study[J].Radiology，2014，272(3)：731-738.

[15]Li L，Gu XY，Li DW，et al.Performance Evaluation and Initial Clinical Test of the Positron Emission Mammography System (PEMi)[J].Nuclear Science IEEE Transactions on，2015，62(5)：1-9.

[16]Gu Xiaoyue，LI Lin，YIN pengfei，et al.Attenuation correction with region growing method used in the positron emission mammography imaging system[J].Chinese Physics C，2015，39(10)：131-138.

[17]Tang Xiao，Zhao Wei，Wang Yanfang，et al.Monte Carlo simulation of glandular dose in a dedicated breast CT system[J].Chinese Physics C，2012，36(7)：675-680.

[18]Shen Shanwei，Wang Yanfang，Shu hang，et al. Experimental measurement of radiation dose in a dedicated breast CT system[J].Chinese Physics C，2014，38(3)：1405-1415.

[19]Wang X，Yang Z，Lin B，et al.Technetium-99mlabeled rituximab for use as a specific tracer of sentinel lymph node biopsy：a translational research study[J].Oncotarget，2016，7(25)：38810-38821.

[20]Li N，Wang X，Lin B，et al.Clinical Evaluation of99mTc-Rituximab for Sentinel Lymph Node Mapping in Breast Cancer Patients[J].J Nucl Med，2016，57(8)：1214-1220.

The new development of dedicated breast CT technology/

WANG Zhe, WEI Cun-feng, ZHU Hua, et al//China Medical Equipment,2017,14(2):135-137.

Breast cancer has the highest incidence rate among the female patients’ malignant tumors in the world and it seriously effects female physical and psychological health. Although being the “gold standard” for breast disease diagnosis, the X-ray mammography yields 2D projection images of the breast, in which the overlaying effect of lesions deteriorates the examination result. Moreover, the acquisition process of mammography was uncomfortable for patients because the compression for patient’s breast during detection process is inevitable. The dedicated breast CT is specially designed for breast tomoscan, and it can control radiation dose and guarantee detection comfortability; besides, its 3D result provides better lesion locating performance over the traditional 2D mammography. Able to acquire enough X-ray attenuation characters under different energy values of X-ray based on the photon counter detector, and spectrum CT can provide more information for material discrimination, which gives remarkable advantage in dose efficiency, soft tissue imaging and other applications. The low dose dedicated breast spectrum CT is a highly promising technique for the diagnosis of early breast cancer.

Breast cancer; Dedicated breast CT; Spectrum CT; Low dose; Medical imaging

1672-8270(2017)02-0135-03

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.02.040

2016-10-27

国家重点研发计划(2016YFC0100400)“乳腺专用低剂量多能CT技术研究”；国家自然青年科学基金(81301225)“面向低剂量乳腺CT的影像链复合优化技术研究”

①中国科学院高能物理研究所核技术应用研究中心 北京 100049

②北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 北京 100049

③北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所核医学科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室 北京 100142

王哲,男,(1983- ),博士，副研究员。中国科学院高能物理研究所核技术应用研究中心、北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心，从事X射线CT成像技术研究工作。