ИКИ РАН 1 Идентификация 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 РАН2 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. Аннотация

3 В России раком молочной железы заболевает каждая десятая женщина 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 По представленным данным на совместном совещании министерства здравоохранения США, ЦРУ и НАСА, посвященного проблемам маммологии ( Проблема:

4 Скрининговая маммография Коллиматор МЖ Кассета с пленкой или люминофором Исходное рентгеновское излучение ФЭ КР Кассета с пленкой или люминофором Стол

5 Акты взаимодействия фотонов с МЖ Доля фотонов, претерпевших фотопоглощение Доля рассеянных фотонов Доля фотонов, прошедших МЖ без взаимодействия Доля фотонов, претерпевших взаимодействие с МЖ μ t, μ c, μ ph, - массовые коэффициенты полного поглощения, комптоновского рассеяния и фотопоглощения, ρ - плотность участка молочной железы, d - толщина участка молочной железы

6 Традиционные маммограммы

7 Цитаты Микрокальцинаты – предвестники рака Раковые опухоли характеризуются повышенным эффективным атомным номеров – предвестники рака Важнейшим эффектом в маммографии является фотоэффект …the cancers exhibit a higher effective atomic number than do the normal tissues… …the tiny calcifications that can be the earliest Indicator of breast cancer … …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. … …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.,… 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,… … 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,…. Barbara OConnell

8 Zэф МЖ

9 Рентгенограммы на двух энергиях Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography Document Type and Number: United States Patent Publication Date: 01/27/2004 Human chest phantom (simulation)

10 J.Lewin, P.Isaacs, F. Larke Dual-energy mammography

11 Физическая основа рентгеновской трансмиссионной маммографии 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

12 Пропорциональность атомного номера α =μ 40keV - μ 20keV =k β Zβ =μ 40keV / μ 20keV =k α Z

13

14 где N L d, N H d,- число зарегистрированных фотонов на двух энергиях (индекс L соответствует низкой энергии, H- высокой), N L 0, N H 0,- исходное число фотонов на двух энергиях, μ L, μ H, - массовые коэффициенты поглощения ткани МЖ на двух энергиях ρ - плотность ткани, d - толщина МЖ, k 1,k 2 - коэффициенты пропорциональности. Физическая основа оценки эффективного атомного номера

15 Физическая основа оценки эффективного атомного номера и плотности

16 40 kV 20 kV Здоровая ткань Рак Традиционные маммограммы

17 ТМ ρ Z ZρZρ Распределения Z и плотности (рак)

18 ТМ ρ Z ZρZρ Распределения Z и плотности (рак)

19 ТМ ρ Z ZρZρ Распределения Z и плотности (здоровая ткань)

20 Повышение контрастности визуализации Z Возможные нелинейные преобразования Исходное распределение Z

21 Смещение отсутствуетСмещение dx=0,5мм, dy=4 мм Выявление микрокальцинатов на основе смещенных снимков Z Z μ L,Ca / μ H,Ca μ L,T / μ H,T μ L,T / μ H,Ca μ L,Ca / μ H,T

22 Традиционная маммограмма Распределение Z Е н =33 keV Распределение Zр Е н =25 keV Изменение контрастности изображения за счет снижения высокой энергии при реконструкции

23 Обдасть нормальной экспозиции Цифровая рентгенография на люминофорах (ЦЛР) Пленка Цифровой маммограф Экспозиция (N) Оптическая плотность Зависимость оптической плотности от экспозиции

24 Рентгеновская пленкаЦифровой маммограф Оценка No No Nd Оптическая плотность

25 Примеры изменения контрастности визуализации Z Z1Z1 Z3Z3Z2Z2 Z

26 Примеры изменения контрастности визуализации Z Z1 Z Z2 Z3

ИКИ РАН27 5 мм Z-МаммограммыZ-МаммограммыZ-МаммограммыZ-Маммограммы ТМ Z2-1 Z1-1 Z3-1 0,1 мм

28 Традиционная Визуализация Z Визуализация Z маммограмма (повышенная контрастность) Реконструкция распределения Z

29 J.Lewin Dual-energy mammogram ( J.Lewin ),2003Визуализация Z Сопоставление двух маммограмм

30 Вывод Визуализация распределение эффективного атомного номера представляется полезным средством в арсенале методов диагностики онкологических заболеваний.

ИКИ РАН31 Спасибо за внимание

ИКИ РАН32 Интерфейс рабочей программы

ИКИ РАН33 Интерфейс рабочей программы

ИКИ РАН34 Это не микрокальцинаты и не молочная железа Звезды Туманность Грудь женщины - космос (Козьма Прудков)

ИКИ РАН35 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 врага оттолкнул богиню. Молоко брызнуло на небо, отчего и образовался Млечный Путь. Этим объясняется схожесть проблем маммологии и космологии

ИКИ РАН36 Спасибо

ИКИ РАН37 Приложения

38 Зависимость коэффициентов от Zэф Область вариации Z в МЖ

39 Фантом МЖ

40 MK – 1% MK – 5% Холестерин MK – 5% MK – 1% Холестерин 3Д-представление No= Д-представление Маммограммы на рассеянном и трансмиссионном излучениях (моделирование)