新型乳腺X射线与彩超三维成像有机集成与图像融合系统研究

深圳圣诺医疗设备股份有限公司 （广东 深圳 518055）

内容提要： 乳腺X射线是早期发现乳腺钙化、癌变的金标准，而彩超则对于发现乳腺组织的结构性病变和腺体血流状况有独到优势，将三维数字乳腺X射线与三维立体彩超成像有机结合起来，取长补短，能够很好地解决单一技术的缺陷，得到融合了X射线和彩超成像信息的三维乳腺图像，从而大大提高诊断的准确性和检查效率，是临床诊断乳腺癌的最有效办法。

新型乳腺X射线与彩超三维成像有机集成与图像融合系统是指将三维数字乳腺X射线成像技术与三维数字彩超成像技术进行融合，在同一个系统中同时实现对乳腺三维数字X射线图像和三维彩超图像的采集，并将采集到的X射线和彩超乳腺三维图像通过系统工作站软件进行融合成像，结合X射线和彩超两种技术的优点，克服X射线成像难以看到病变组织的完整影像结构，超声无法看到细小的钙化等病变细节等单一技术的缺陷，得到融合了X射线和彩超成像信息的三维乳腺图像，大大提高诊断的准确性和检查效率，满足早期诊断乳腺增生、结节、钙化、癌变等女性乳腺常见疾病的临床需要。

1.技术发展现状

目前国外对三维数字乳腺X射线成像系统进行了大量研究。2011年，美国Hologic公司和德国Siemens公司分别在其全数字乳腺X光机（FFDM）的基础上，推出了可提供乳腺3D影像的X射线乳腺摄影设备（Breast Tomosynthesis），用于乳腺癌的筛查和诊断，该系统除了具有二维数字乳腺系统直接产生数字化图像，计算机辅助诊断手段丰富等优点外，还可以获得更加清晰真实立体的乳腺影像，可以一目了然地看到乳腺组织和病灶的内部结构，从而大大改进了现有二维的诊断方法，成为乳腺影像领域继全数字乳腺X射线机之后又一划时代的进步。

三维立体彩超诊断系统是当今医学界一种先进、便捷、准确的一种体外无痛检查诊断技术。三维立体彩超技术已逐渐成为国际上超声发展的主流方向。

随着医学技术的发展，国外已出现将三维数字乳腺X射线与三维立体彩超成像结合在一起进行乳腺疾病诊断的研究，认为这两种检查方式的结合将能够很好地解决单一技术的缺陷，从而大大提高诊断的准确性和检查效率，但迄今为止尚未有成熟产品问世。

目前在高端数字乳腺成像领域，我国企业整体实力偏弱，还尚未有企业进行三维数字乳腺X射线成像技术与三维数字彩超成像技术融合研究。

本文提出新型乳腺X射线与彩超三维成像有机集成与图像融合系统，为创新型的高端成像设备，系统的软硬件和机械结构有机集成了X射线成像与彩超成像功能，实现对乳腺三维图像信息的实时采集，系统的图像工作站软件算法则对X射线图像和彩超图像进行融合，实现对X射线图像数据的高效融合。该项研究结合X射线和彩超两种技术的优点，从而得到融合了X射线和彩超成像信息的三维乳腺图像，使得临床医生可以更准确更方便地诊断乳腺疾病。

2.重点解决的技术关键问题

本系统研究的主要技术问题有：①乳腺X射线成像层析采集与3D成像重建研究；②乳腺等中心快速旋转定位动态平衡系统研究；③乳腺柔性最优压迫技术研究；④3D乳腺超声成像系统研究；⑤X射线乳腺图像与超声图像的融合方法研究。

3.系统方案

3.1 3D数字乳腺成像系统原理

在对受检者乳房进行压迫定位后，C-臂机头以受检者乳房为中心左右一定角度（一般约±25°）范围内旋转，在每旋转一个比较小的角度（一般约2°）后，在计算机控制下，产生范围为22～35kV的高频可调高压电场，阴极热电极发射电子束高速轰击高速旋转的钨靶，电子束急剧减速产生携带相对较低能量的软X射线，并通过特制的发射焦点穿过滤线器窗口，在透过乳腺软组织后，因人体乳房组织、病变组织具有不同的密度值，软X射线经过衰减将乳房的二维图像投影于数字成像探测器上，转化为数字信号，数据采集系统采集所产生的图像数据并传输到图像工作站软件上进行处理，从而得到扫描图像数据，继而C-臂机头旋转到下一角度继续对受检乳房进行曝光拍照，从而得到多个动态扫描图像数据。工作站软件在收集到所有动态扫描图像数据后，进行3D成像重建处理，最终得到3D乳腺影像。原理框图见图1。

图1.3D数字乳腺成像系统原理框图

3D数字乳腺X射线成像系统主要由X射线光源系统、曝光控制系统、乳腺定位控制系统、X射线成像数据采集系统、3D图像重建系统等构成。①光源系统由X射线球管、高压电源、灯丝电路等组成。②曝光控制系统由准直器、滤光片（滤线栅）、射线测量反馈单元、X射线信息接收采集装置等组成。③乳腺定位控制系统由C-臂升降旋转运动控制单元、乳腺压迫单元等组成。④成像数据采集重建系统由数据采集系统加处理软件等组成。3D数字乳腺X射线成像系统构成图见图2。

图2.3D数字乳腺X射线成像系统构成图

图3.超声成像系统框图

表1.高压发生器

表2.球管

表3.机械结构

3.2 3D彩超成像技术原理

当超声探头获得激励脉冲后，发射超声波，声波在人体组织中传播，遇到不同的组织界面后产生反射回波，经过一段时间延迟后，探头阵元接收反射回波，并将回波转换成电信号，简称回波信号。回波信号经过滤波、对数预放大、TGC放大等处理过程，然后由模数转换电路转换成数字信号，对数字超声回波射频信号进行必要的滤波、解调、自相关等处理，然后进行坐标变换、图像处理，再与图像形成电路和测量电路一起合成复合显示视频信号，送至显示器显示。彩色血流信号采集根据多普勒效应，利用自相关技术获取。

容积探头中有一个马达，带动探头旋转，每旋转一个角度，探头发射接收一次，形成一帧2D超声图像，经过若干次旋转，形成一系列2D图像，称之为原始体数据，然后对原始体数据进行2D和3D插补重构，最后进行渲染操作，形成3D超声图像。超声成像系统框图见图3。

4.技术参数

①乳腺X射线3D成像层析采集数≥20幅；②3D乳腺超声成像系统主要指标：深度≤40mm时，横向分辨力2mm，纵向分辨力≤0.5mm。

表4.压迫器

表5.数字影像系统

表6.彩超成像系统

部分详细技术参数见表1～6。

5.结论

本系统是将光机电一体化、放射影像链控制、数字化影像断层扫描采集、三维图像数据重建处理、X射线图像与彩超图像融合等尖端技术高度集成于一体的现代科技发展最新成果，系统的成功研制可以使得我国企业掌握3D数字影像诊断领域多项核心技术，并可以在整个产业范围内标准化并大力推广，从而大大提高我国医学影像诊断整个产业的研制水平，同时也将培养出乳腺影像研发和诊断领域众多的高端研发人才，使我国企业高端医学影像诊断设备的研制水平有较大的提高，更好地参与国际竞争。