光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研.doc

1、XX大学毕业设计（论文）题 目：光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx年六月光子计数探测器在乳腺CT中应用的调研摘要：近年来全世界范围内乳腺癌的发病率表现出了持续的高增长。乳腺癌治疗的关键在于在发病的早期就被发现，早期发现可以大大提高乳腺癌的治愈率，因此乳腺癌的早期诊断显得非常重要。在所有的乳腺癌诊断方式中，乳腺CT具有明显的技术优势。具有能量分辨能力的光子计数探测器已经用于医学CT图像中，运用与当前能量积分探测器完全不同的探测机制，光子计数探测器不仅有潜力提高当前CT图像的质量、减少剂量，还有可

2、能在分子水平CT成像上开发出革命性的应用。本文对早期乳腺癌的诊断方式、光子计数探测器国内外研究现状、光子计数探测器的原理和分类、光子计数探测器性能退化因素、设计探测器时的重要参数、提高光子计数探测器性能的方法、能谱CT的优势、光子计数探测器在乳腺CT中的应用做简要的介绍。 关键词：光子计数探测器 X射线能谱CT 乳腺癌 The Research of Photon Counting Detector Applications in Breast Computed TomographyAbstract:The incidence of breast cancer shows a sustaine

3、d high growth. Early diagnosis can greatly improve the cure rate of breast cancer, so early diagnosis of breast cancer is very important. In all the ways of breast cancer diagnosis, breast computed tomography has obvious advantages.Photon counting detectors with energy discrimination capabilities ha

4、ve been developed for medical x-ray computed tomography (CT) imaging. Using detection mechanisms that are completely different from the current energy integrating detectors, these photon counting detectors have the potential not only to improve the current CT images, dose reduction, but also to deve

5、lop revolutionary molecular CT imaging.In this paper, we introduce the early breast cancer diagnosis methods, the research status of photon counting detectors, the principle and classification of photon counting detectors, the degration factors of photon counting detector performance, important para

6、meters when designing the detector, the methods of improving the detector performance, the advantages of energy spectrum CT, the applications of the photon counting detectors in breast CT.Keywords: Photon Counting Detectors X-ray Spectroscopy CT Breast Cancer目录1 绪论11.1 国内外乳腺癌的发病现状11.2 乳腺癌的早期诊断11.2.1

7、正电子发射乳腺成像11.2.2 乳腺X射线摄影检查21.2.3 数字乳腺断层合成技术31.2.4计算机断层扫描成像技术31.3 光子计数探测器国内外的研究现状41.4 当前乳腺CT中存在的问题及解决方案51.5 论文结构安排52 光子计数探测器72.1 光子计数探测器的原理72.2 光子计数探测器的主要类型82.2.1碲化镉探测器92.2.2碲锌镉探测器102.3 光子计数探测器与积分式探测器的比较142.4 光子计数探测器的构造和探测机制152.5 光子计数探测器性能退化因素172.5.1脉冲堆叠172.5.2电荷共享182.5.3 X射线K层逃逸182.5.4康普顿散射192.5.5电荷俘

8、获192.5.6极化效应和稳定性192.5.7其他的影响因素202.6 探测器设计时的重要参数202.6.1峰值时间的上限202.6.2峰值时间的下限212.6.3像素尺寸的上限212.6.4像素尺寸的下限212.7 提高光子计数探测器性能的方法222.7.1校正和补偿措施222.7.2探测器的退化因素模型232.8 本章小结243 基于光子计数探测器的能谱CT253.1 能谱CT简介253.1.1单球管双探测器技术253.1.2光子计数技术263.1.3单源瞬时KVp切换技术273.2 能谱CT的影像模式303.2.1基物质图像303.2.2单能量图像303.2.3能谱曲线313.2.4有效

9、原子序数图313.3 基于光子计数探测器能谱CT的优点313.3.1低剂量成像313.3.2减轻硬化伪影323.3.3彩色CT图像323.3.4提高图像的空间分辨率323.3.5 利用物质的K-edge特性实现物质鉴别333.4 本章小结334 光子计数探测器在乳腺X射线成像中的应用344.1应用研究成果344.2本章小结405 总结与展望415.1论文总结415.2展望41参考文献43致谢45光子计数型探测器在乳腺CT中应用的调研1绪论1.1 国内外乳腺癌的发病现状近30年乳腺癌的发病率表现出较高的增长态势,因地区、经济状况和生活习惯的差异全世界范围内乳腺癌的发病率差别很大。整体而言，发病率

10、较高的是欧美发达地区，而发病率较低的是亚洲、拉丁美洲以及非洲等经济落后地区。从全球区域范围看，每一年乳腺癌的发病率在所有国家内以2%8%的幅度上涨，每一年全球范围内被诊断为乳腺癌的患者有140多万人，50万人因该病导致死亡，在所有女性恶性肿瘤类型中乳腺癌是中是最为常见的类型。在过去的十年内中国虽然是乳腺癌的低发区域，然而最近几年国内乳腺癌的发病率增长的十分迅速。据不完全统计，北京、上海等城市最近几年乳腺癌的发病率升高了大约37个百分点，与此同时死亡率升高了近38.9个百分点。需要注意的是，国内乳腺癌的增长速度高于发达国家，每一年以3%5%的速率增加，乳腺癌成为城市恶性肿瘤中死亡率增长最快的类型

11、，同时乳腺癌的发病率也呈现出低龄化的趋势，尤其在上海、北京、天津等沿海地区这一特征格外显著。中国乳腺癌的发病年龄在45岁左右，比欧洲、北美地区早1015年。就乳腺癌发病率而言，城市地区高于农村地区，而经济状况好、高学历的女性发病率更高。国内乳腺癌的检查结果中，早期患者仅占30%，剩下的70%患者在发现时就已经是中晚期，而美国乳腺癌中晚期患者在初次诊断中仅占9%左右。就乳腺癌的临床治愈率而言，早期患者可达到85%左右，而晚期低于40%，因此国内大多数患者在确诊时就已经丧失了最好的治疗时机。因此，乳腺癌的初期诊断显得非常有必要，成为目前社会保障工作的首要任务。1.2 乳腺癌的早期诊断乳腺癌被世界卫

12、生组织确认为具有显著普查效果的恶性肿瘤类型，目前预防与治疗的关键还在于“早发现，早诊断，早治疗”。当前常见的乳腺癌初期诊断方法有：正电子发射乳腺成像（Positron Emission Mammography, PEM），乳腺X射线摄影检查(Mammography, MG)，数字乳腺断层合成技术(Digital Breast Tomosynthesis, DBT)，计算机断层扫描成像技术(Computed Tomography, CT)。以下分别对以上方法做简要介绍：1.2.1正电子发射乳腺成像（Positron Emission Mammography, PEM）近年来，正电子发射断层扫描技

13、术（Positron Emission Tomography, PET）在核医学影像中展现出了重要的应用价值，用于生物医学诊断和研究的PET逐渐得到研究人员的关注，因为各组织和器官的代谢活动具有特异性和PET对代谢活动的特异性具有很高的灵敏度，进而能够进行功能成像，因此PET能够很好地应用于癌症和肿瘤的早期诊断中。PET成像的关键是电子准直技术，其分子成像水平具有较高的特异性，PET能够在分子水平上为病变的组织或器官提供清晰的功能成像。许多研究表明乳腺病变组织在出现形态改变之前，病变组织已经发生了细胞的异常增殖，PET对于这种类型的变化具有很好的功能成像能力，因此在疾病发展的初期PET就可以提

14、供充足的信息，这对乳腺病变的早期诊断具有重大意义。基于正电子核素衰变进行功能成像的设备在核医学发展过程具有里程碑意义，而PEM是专门用于乳腺检测的PET。正电子发射断层扫描成像技术需要首先在患者被检部位注射放射性药物，该物质在病人体内发生衰变并产生信号，信号被探测器接收，经过处理得到组织的影像，这种技术可以新陈代谢的角度诊断出癌变组织或器官异于常态的程度。正电子发射断层扫描成像技术的优点是容易找出癌变组织，缺点是空间位置不清楚，费用较高，因此这种技术不适用于乳腺癌的常规诊断。1.2.2 乳腺X射线摄影检查（Mammography, MG）在过去的二三十年中，在乳腺成像领域技术取得了很大的进步。

15、工业界在努力寻找一种应用于乳腺诊断中便宜、能够有效定位病变组织、低辐射剂量的一种设备。乳腺X线检查是基于乳腺组织中不同成分对X射线的衰减因数不同，在脂肪和腺体中不同的组成和密度在图像中以不同的灰度值来显示。但是正常的腺体和癌变组织中的组成和密度相差不大，因此需要能量在1020 Kev的低能光子照射才可以区分他们。不同组织对能量高于28Kev光子的线性衰减系数差异不大，在这种情况下正常组织和病变组织就很难区分出来。图1.1为乳腺X射线系统的原理图。图1.1 乳腺X射线系统原理图由于传统的乳腺X射线检查技术是把乳腺组织投影到二维的探测器中，所得到的图像中乳腺组织可能会产生重叠，这有可能影响乳腺癌诊断的正确率，甚至检测不到有些种类的病变组织，初期的肿瘤患者容易错过最好的治疗时机。在乳腺X射线检查中利用压板的目的是为了减少扫描的厚度、消除运动产生的伪影、使乳腺前后部分的厚度保持一致，得到高质量的图像，但在利用压板固定的过程中产生的疼痛是目前乳