Способ дифференциальной диагностики заболеваний молочной железы

Изобретение относится к области медицины, а именно к рентгенологии, и может быть использовано для маммографического обследования. Для этого молочную железу однократно сканируют рентгеновским излучением, регистрируют рассеянное излучение и излучение, прошедшее без взаимодействия в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения, вычисляют распределение среднего значения коэффициента полного поглощения и условного значения коэффициента рассеяния. При этом условное значение коэффициента рассеяния рассчитывают на основании сопоставления интенсивности регистрации рассеянного молочной железой излучения с данными для эталонной однородной структуры и визуализации распределений числовых значений отношения условного значения коэффициента рассеяния к среднему коэффициенту полного поглощения. Изобретение позволяет получить распределение эффективного атомного номера в молочной железе при однократном ее облучении, что, в свою очередь, дает возможность повысить чувствительность метода и снизить ошибки диагностики при щадящем обследовании. 2 табл., 6 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности для рентгенологического исследования молочных желез, и может быть использовано для ранней диагностики онкологических заболеваний.

Заболеваемость и смертность женщин от онкологических заболеваний (рака молочной железы) занимает одно из первых мест среди всей онкологической патологии и имеет тенденцию к неуклонному росту (см. Н.Н.Трапезников, Е.М.Аксель, 1998).

В последнее время происходит омоложение контингента больных раком молочной железы. По данным Schmidt-Hatthiesen (1996) 30% женщин с выявленными опухолями были моложе 40 лет, более того, отмечается также и то, что течение заболевания этих женщин продолжается более ускоренными темпами, чем женщин, заболевших в постменопаузальном периоде.

При этом ошибки диагностики как первого рода (постановка ложного диагноза рака), так и второго рода (не выявление онкологического заболевания), варьируются от 20-40%.

В этой связи создание эффективных средств ранней диагностики рака молочной железы является основным направлением развития современной маммологии.

Решение данной задачи связано с расширением арсенала диагностического оборудования и повышением его информативности.

В настоящее время на практике применяется значительное число маммографов, основанных на использовании рентгеновского излучения (см., например, General Electric Medical Systems, Philips Medical Sistems, Siemens Medical Sistems, отечественные компании - Амико Рентгенпром, Медицинские технологии ЛТД, ТМО НИИЭМТ).

Однако все данные системы, регистрируя трансмиссионное излучение, прошедшее через молочную железу, по сути, дают инверсную картину распределения полного линейного коэффициента ослабления излучения, определяемого распределением плотности и эффективного атомного номера тканевой структуры, зависящего от химического состава исследуемой молочной железы. По полученному рентгеновскому снимку картине нельзя однозначно идентифицировать причину изменения степени потемнения его отдельных участков: данное изменение вызвано изменением плотности, либо химическим составом, либо плотностью и химическим составом одновременно.

Исследователями отмечается, что раковые образования повышают эффективный атомный номер, в связи с чем, предлагается двойное облучение молочной железы на различных энергиях. Однако это приводит к увеличению радиационной нагрузки на молочную железу.

Наиболее сложными для диагностики являются выявление микрокальцинатов, размером менее 400 микрон, которые могут встречаться и при доброкачественных диффузных заболеваниях, порой имеющие сходные проявления с холестериновыми вкраплениями доброкачественной природы, что диктует необходимость поиска дополнительных возможностей повышения их дифференциальной диагностики.

Однако выявить на ранней стадии их формирования при незначительном повышении локальной плотности практически невозможно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ томографической оценки распределения плотности и эффективного атомного номера вещества (см. патент RU №2168717, МПК G01N 23/04, 09/34 от 10.06.2001), предусматривающий разбиение сечения объекта на i, j-ые пикселы (элементарные прямоугольные элементы) многократное сканирование всех сечений исследуемого объекта узкоколлимированным рентгеновским излучением путем его ввода в различные координаты i₀, j₀,φ₀, регистрации трансмиссионного и неколлимированного рассеянного излучений вдоль вектора i₀, j₀,φ₀, пикселе (участке) объекта, восстановление в плоскости сканирования распределений линейных коэффициентов полного поглощения и рассеяния, по отношению числовых значений которых оценивают распределение эффективного атомного номера, идентифицируя распределения плотности исследуемого объекта, причем распределения линейных коэффициентов полного поглощения и рассеяния определяются на основании решения систем уравнений:

где µ_t(i, j) - линейные коэффициенты полного поглощения в i, j-м пикселе объекта;

µ_C(i, j) - линейный коэффициент рассеяния в i, j объекта j-м пикселе объекта;

h (i, j) - длина траектории фотона в i, j-м пикселе объекта;

N_s (i, j) - число рассеянных фотонов на векторе i₀, j₀,φ₀ объекта;

N_d (i, j) - зарегистрированное число фотонов, прошедших через объект без взаимодействия на векторе i₀, j₀,φ₀;

N₀ - исходное число фотонов;

K(i₀, j₀,φ₀) - множество пар (i, j), которые пересекает вектор i₀, j₀,φ_0, т.е. суммирование произведений линейных коэффициентов на длины траекторий осуществляется вдоль вектора j (i) при начальных координатах i₀, j₀,φ₀.

Однако для получения достоверной информации состояния молочной железы необходимо многократное сканирование по всем ее сечениям (20-200 сканирований в зависимости от размеров молочной железы), вызывающее высокую радиационную нагрузку. Это не позволяет использовать данный способ для регулярных периодических профилактических исследований, а тем более для выявления онкологических заболеваний на ранней стадии.

Задачей изобретения является выявление на раннем этапе диагностики областей молочной железы с наиболее вероятным возникновением ранних проявлений онкологических заболеваний.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при щадящем радиационном излучении маммографического обследования при более ярко выраженном визуальном изображении очага - источника образования злокачественной опухоли.

Технический результат достигается тем, что в способе дифференциальной диагностики заболеваний молочной железы, предусматривающем однократное сканирование всей молочной железы рентгеновским излучением, регистрацию рассеянного излучения и излучения, прошедшего без взаимодействия на i, j-й проекции молочной железы i, j-го вектора исходного излучения, вычислений распределений среднего значения коэффициента полного поглощения и условного значения коэффициента рассеяния, рассчитанного на основании сопоставления интенсивности регистрации рассеянного молочной железой излучения с данными для эталонной однородной структуры, используя эталонную математическую или физическую модель объекта с постоянными плотностью и эффективным атомным номером, соответствующими тканевой структуре здоровой молочной железы, по отношению числовых значений которых идентифицируют возникновение онкологических заболеваний, причем распределения среднего значения коэффициента полного поглощения и условного значения коэффициента рассеяния определяют по формулам

где N₀ - исходное число фотонов;

(i, j) - средний линейный коэффициент полного поглощения в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения;

µ^∗ _C(i, j) - условный линейный коэффициент рассеяния в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения;

h (i, j) - толщина молочной железы в i, j-й координате проекции;

N_s (i, j) - число рассеянных фотонов в молочной железе вдоль i-, j-го вектора исходного излучения;

N_d(i, j) - зарегистрированное число фотонов, прошедшее молочную железу вдоль i, j-ro вектора исходного излучения без взаимодействия;

N^C _d (i, j) - число рассеянных фотонов в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения и зарегистрированных детектором;

k - отношение коэффициентов комптоновского рассеяния к полному для заданной энергии исходного излучения;

α (i, j) - доля зарегистрированного детектором рассеянного излучения от всех рассеянных фотонов в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения, определяемая на эталонной математической или физической модели однородной молочной железы.

При этом, чем меньше отношение

тем выше эффективный атомный номер участка молочной железы вдоль i, j-го исходного излучения, т.е. тем более высокая концентрация микрокальцинатов.

Для оценки доли зарегистрированного излучения α (i, j) используется эталонная математическая или физическая модель объекта с постоянными плотностью и эффективным атомным номером, соответствующими тканевой структуре здоровой молочной железы, для которой при заданном N₀ известны N^E _d (i, j) - число рассеянных фотонов в эталонной молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения и зарегистрированное детектором; N^E _S (i, j) -число всех рассеянных фотонов в эталонной молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения; сопоставляя N^E _d (i, j) с N^E _S (i, j), определяется коэффициент α (i, j).

.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Сущность предлагаемого решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала, где на фиг.1 и 2 представлены соответственно реализация способа прототипа и предлагаемого технического решения; на фиг.3 представлены зависимости отношения условного коэффициента рассеяния к коэффициенту полного поглощения от глубины расположения гранулы микрокальцината размером 1 мм, а также линии, представляющие холестерин, здоровую ткань и микрокальцинаты; на фиг.4 представлена маммограмма визуализации распределения среднего значения линейного коэффициента полного поглощения, получаемая традиционным способом; на фиг.5 представлена визуализация отношений условного линейного коэффициента рассеяния к линейному полному коэффициенту поглощения; на фиг.6 представлена 3Д-визуализация отношений условного линейного коэффициента рассеяния к линейному полному коэффициенту поглощения.

Причем на фиг.1-6 представлены следующие позиции: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - траектории фотонов в прототипе, 3 - реконструируемое сечение молочной железы, 4 - молочная железа, 5 - микрокальцинаты, 5¹ - 0,2 мм микрокальцинатов, 5² - 1 мм микрокальцинатов, 6 - холестерин, 7 - траектории фотонов в предлагаемом решении, 8 - проекция молочной железы с распределением микрокальцинатов и холестерина, 9 - здоровая ткань, 10 - отношение коэффициента рассеяния к коэффициенту полного поглощения, 11 - область с повышенной на 10% плотностью, но с атомным номером, эквивалентным здоровой железе.

Физической основой подхода к реализации предлагаемого технического решения является различный характер взаимодействия фотонов с холестерином, здоровой тканью и микрокальцинатами, что определяется зависимостью массового коэффициента фотопоглощения от эффективного атомного номера тканевой структуры молочной железы.

В таблице 1 представлен массовый состав тканей молочной железы.

Таблица 1.
Элемент	Z	Здоровая ткань молочных желез	Холестерин	Микрокальцинаты
Водород	1	0.106	0,12	-
Углерод	6	0,332	0,84	0,12
Азот	7	0,03	-	-
Кислород	8	0,527	0,04	0,48
Натрий	11	0,001	-	-
Фосфор	15	0,001	-	-
Сера	16	0,002	-	-
Хлор	17	0,001	-	-
Кальций	20	-	-	0,40

В таблице 2 представлены значения массовых коэффициентов рассеяния µ_C, фотопоглощения µ_р, полного поглощения µ_t и их отношения тканей молочной железы (Е=20 КэВ), рассчитанные на основе таблицы 1.

Таблица 2.
	Холестерин C27H46O	Здоровая ткань молочной железы	Микрокальцинаты
µC	0,18	0,18	0,15
µр	0,015	0,40	5,33
µt	0,195	0,58	5,48
µC/µt	0,925	0,31	0,027
µp/µt	0,08	0,69	0,97

Как видно, массовые коэффициенты рассеяния для рассматриваемых тканей практически постоянны.

Т.к. массовый коэффициент фотопоглощения пропорционален атомному номеру в 5-й степени

значительная доля кальция (Z=20) в микрокальцинатах приводит к тому, что массовый коэффициент фотопоглощения для них существенно выше, чем для холестерина и здоровой ткани молочной железы.

Вместе с этим, как видно из таблицы 2, в холестерине практически отсутствует фотопоглощение.

Именно различный характер влияния холестерина и микрокальцинатов на массовый коэффициент фотопоглощения лежит в основе предлагаемого способа диагностики. Доминирующим эффектом в холестерине является комтоновское рассеяние, в микрокальцинатах - фотопоглощение. Однако на интенсивность регистрации рассеянного излучения и излучения, прошедшего через молочную железу, будет оказывать влияние также и распределение в ней плотности.

Чтобы исключить данное влияние в качестве косвенной характеристики, можно использовать отношения коэффициентов рассеяния либо фотопоглощения к полному коэффициенту поглощения.

При однократном сканировании средний линейный коэффициент полного поглощения число фотонов, прошедших через молочную железу без взаимодействия можно определить как

где - средний линейный коэффициент полного поглощения в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения;

µ_t (x, i, j) - распределение линейного коэффициента полного поглощения в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения;

h (i, j) - толщина молочной железы в i, j-й координате;

N_d (i, j) - зарегистрированное число фотонов, прошедшее в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения без взаимодействия;

N₀ - исходное число фотонов.

Это позволяет определить средний линейный коэффициент полного поглощения в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения как

Однако средний линейный коэффициент рассеяния в молочной железе вдоль i, j-гo вектора исходного излучения может быть определен лишь для однородного объекта (без включений) либо для элемента с размерами, много меньшими длины свободного пробега, как это имеет место в прототипе. Для объекта (размерами, соизмеримыми с длиной свободного пробега) с неоднородностями понятие среднего линейного коэффициента рассеяния физически бессмысленно, так как число рассеянных фотонов зависит от глубины расположения включения (микрокальцината, холестерина).

В этой связи, идентификация эффективного атомного номера по отношению линейных коэффициентов рассеяния и полного поглощения, при однократном сканировании невозможна.

Для разрешения данной проблемы вводится условный линейный коэффициент рассеяния, который реконструируется по зарегистрированному рассеянному излучению в молочной железе исходя из гомогенности ее структуры.

Условный линейный коэффициент рассеяния вычисляется по вышеприведенной формуле с помощью эталонной математической или физической модели молочной железы.

Введение эталонной математической или физической модели молочной железы с постоянными плотностью и эффективным атомным номером существенно повышает чувствительность предлагаемого способа. Пусть на пути i, j-гo вектора исходного излучения находится гранула микрокальцината. Это приводит к увеличению доли фотопоглощенных фотонов, что интерпретируется увеличением среднего коэффициента полного поглощения.

С другой стороны, это приводит к уменьшению числа рассеянных и зарегистрированных фотонов относительно эталонной модели. А поскольку априори полагается однородность по химическому составу исследуемой молочной железы, это интерпретируется понижением плотности вдоль i, j-гo вектора исходного излучения, что приводит к уменьшению линейного коэффициента рассеяния. Это, в свою очередь, еще больше увеличивает отношение условного линейного коэффициента рассеяния к линейному коэффициенту полного поглощения, тем самым увеличивая чувствительность предлагаемого способа диагностики заболевания молочной железы.

На фиг.3 представлена зависимость отношения условного коэффициента рассеяния к коэффициенту полного поглощения от глубины расположения гранулы микрокальцината размером 1 мм, причем видно на всем диапазоне изменения глубины расположения микрокальцината данное отношение меньше аналогичного для здоровой ткани молочной железы, а на больших глубинах имеет место незначительное отличие данного отношения от отношения коэффициентов для здоровой ткани молочной железы. Для выявления микрокальцинатов на этих глубинах необходимо изменение ракурса измерения. Следует отметить, что данные зависимости могут быть распространены на случай наличия колонии микрокальцинатов, существенно меньших размеров, но расположенных вдоль вектора распространения исходного излучения.

На фиг.4 и 5 представлены маммологические снимки с указанием неоднородностей, включенных в фантом молочной железы, произведенные соответственно традиционным и предложенным способами. Как видно на фиг.4, микрокальцинаты размером 1 мм и холестерин проявляются практически одинаково, а также одинаково проявляется и доброкачественная опухоль с повышенной плотностью. На фиг.5 различен характер проявления холестерина и микрокальцинатов, холестерин на проекции темнее здоровой ткани молочной железы, микрокальцинаты - светлее.

На фиг.6 представлена 3Д-визуализация эффективного атомного номера, определенного по отношению условного линейного коэффициента рассеяния к линейному полному коэффициенту поглощения, причем, как видно, идентифицированный эффективный атомный номер холестерина ниже, чем здоровой ткани молочной железы, микрокальцинатов - выше. На границе молочной железы имеет место значительных погрешностей, объясняемое низкой статистикой рассеяния фотонов на малых толщинах молочной железы.

Технико-экономическим эффектом изобретения является получение распределения эффективного атомного номера в молочной железе при однократном ее облучении, что, в свою очередь, дает возможность:

- получать более ярко выраженные визуализированные очаги раковых образований;

- выявлять очаги злокачественной опухоли на ранней стадии ее формирования;

- снижать ошибки диагностики заболеваний молочной железы.

Способ маммографического обследования, предусматривающий однократное сканирование молочной железы рентгеновским излучением, регистрацию рассеянного излучения и излучения, прошедшего без взаимодействия в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения; вычисление распределений среднего значения коэффициента полного поглощения и условного значения коэффициента рассеяния, рассчитанного на основании сопоставления интенсивности регистрации рассеянного молочной железой излучения с данными для эталонной однородной структуры и визуализацию распределений числовых значений отношения условного значения коэффициента рассеяния к среднему коэффициенту полного поглощения, причем распределения среднего значения коэффициента полного поглощения и условного значения коэффициента рассеяния определяют по формулам:


где N₀ - исходное число фотонов;
(i, j) - средний линейный коэффициент полного поглощения в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения;
µ^*c (i, j) - условный линейный коэффициент рассеяния в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения;
h (i, j) - толщина молочной железы в i, j-й координате проекции;
N_d (i, j) - зарегистрированное число фотонов, прошедшее молочную железу вдоль i, j-го вектора исходного излучения без взаимодействия;
N^c _d (i, j) - число рассеянных фотонов в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения и зарегистрированных детектором;
k - отношение коэффициентов комптоновского рассеяния к полному для заданной энергии исходного излучения;
α(i, j) - доля зарегистрированного детектором рассеянного излучения от всех рассеянных фотонов в молочной железе вдоль i, j-го вектора исходного излучения, определяемая на эталонной математической или физической модели однородной молочной железы.