贝洛奥里藏特和阿拉卡茹市数字乳腺断层合成设备中的图像质量评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Image Quality Assessment in Digital Breast Tomosynthesis Equipment in the Cities of Belo Horizonte and Aracaju

基于Tomophan phantom和Smári软件，本研究评估了四款DBT系统在巴西临床设施中的图像质量，发现所有系统均符合国际全局均匀性标准（<15%），但局部均匀性（<10%）和Z分辨率评估存在方法学局限。研究强调需建立标准化质量控制协议以填补巴西DBT法规空白。

　　

D.S. Azevedo|P.L. Squair|E.R. Leite|C. Engler|M.S. Nogueira

核技术发展中心（Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN），米纳斯吉拉斯联邦大学（Federal University of Minas Gerais）- 阿ントニオ·卡洛斯总统大道（Av. Pres. Ant?nio Carlos），6627号 - 无门牌号（S/N）- 贝洛奥里藏特（Belo Horizonte）- 米纳斯吉拉斯州（MG），巴西

摘要

乳腺X线摄影是乳腺癌筛查的金标准，但由于组织重叠的存在，其诊断结果可能存在误差。数字乳腺断层合成技术（Digital Breast Tomosynthesis，DBT）通过在不同角度进行低剂量曝光，生成乳房的伪三维模型，从而提高了乳腺X线摄影的灵敏度，尤其是在乳腺密度较高的情况下。本研究使用Tomophan模体和Smári软件，评估了巴西贝洛奥里藏特和阿拉卡茹（Aracaju）临床机构中四种DBT系统（西门子Mammomat Revelation、西门子Mammomat Inspiration、FUJI Amulet Innovality和VMI Digimamo TM 3D）的图像质量。分析的参数包括整体均匀性、局部均匀性、调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）、胸壁组织损失以及Z轴分辨率。所有系统的整体均匀性均符合国际参考标准（< 15%），具体数值在4.9%至11.7%之间。在局部均匀性方面（< 10%），有三个系统的表现符合标准，而有一个系统接近阈值（9.99%）。MTF分析显示，系统性能差异与探测器像素大小和重建算法有关。有两个系统的胸壁组织损失超过了推荐限值（< 5 mm），但仍符合巴西标准。Z轴分辨率评估发现了一个方法学上的局限：Tomophan假设重建平面与乳房支撑面平行，但某些重建算法并不满足这一条件。这些发现凸显了巴西迫切需要制定标准化质量控制协议的需求，目前该国尚缺乏针对DBT的专门法规，并为制定国家质量标准以支持该技术在临床实践中的安全有效应用奠定了基础。

引言

乳腺X线摄影是乳腺癌筛查的主要工具，早期发现疾病对改善预后至关重要。然而，由于任何二维放射图像形成过程中都会出现自然组织重叠，这给诊断带来了一定的挑战，可能导致假阳性和假阴性结果。

数字乳腺断层合成技术（DBT）通过对乳房进行多次低剂量曝光并采用不同角度的重建算法，生成乳房的三维模型，类似于计算机断层扫描（Computed Tomography）的切片形式进行评估。

最初，数字乳腺断层合成技术（DBT）被引入临床实践，目的是将其性能与二维乳腺X线摄影进行比较。一些研究表明，DBT在准确检测结节、不对称性和乳腺实质结构异常方面具有较高能力（Zuley等人，2013年）。与二维乳腺X线摄影相比，DBT在形态学判断、病变边缘评估以及多灶性、多中心性和双侧病变的检测方面也表现更优（Hooley、Durand和Philpotts，2017年）。

DBT检测乳腺癌的效能范围为30%至33.9%（Ciatto等人，2013年；Skaane等人，2014年），但召回率降低了16%至18%（Friedewald等人，2014年）。

将二维乳腺X线摄影与DBT结合使用非常重要，因为这样可以对比当前图像与患者之前的检查结果，从而监测病变的发展情况。然而，由于需要进行两次影像检查，女性接受的辐射剂量会增加。一种可能的解决方案是合成乳腺X线摄影，即利用重建的DBT切片生成二维图像，以替代传统的二维乳腺X线图像（Bernardi等人，2014年；Garayoa等人，2018年；Skaane等人，2014年）。

数字乳腺断层合成技术（DBT）引入了若干技术复杂性，因此需要不同于传统二维乳腺X线摄影的质量控制（Quality Control，QC）方案。关键因素包括X射线管的运动方式（连续式 vs. 分步式）、系统几何结构（旋转式X射线管 vs. 固定式探测器），以及不同投影中源到乳房的距离变化，这些都给图像采集带来了独特挑战。尽管重建软件能自动校正部分问题，但仍然需要特定的QC测试来验证系统的性能是否在可接受的范围内，以确保诊断的准确性。

像角覆盖范围和投影数量这样的关键采集参数直接影响图像质量，而这些因素在二维乳腺X线摄影中并不明显。更宽的角覆盖范围可以提高Z轴分辨率，但由于半影效应的增加，可能会降低X轴和Y轴的平面分辨率。同样，虽然更多的投影可以提高采样率并减少重建伪影，但为了使总剂量符合标准，必须降低每次投影的剂量，这会导致重建切片中的噪声增加，进而影响对比度与噪声比。因此，质量控制必须评估系统平衡这些竞争因素的能力，以确保最佳的临床图像质量。

尽管DBT代表了重要的技术进步，但其在实际应用中的可靠性仍依赖于质量控制（QC）协议的标准化。在巴西，这一领域目前尚缺乏具体的法规。第611号大学委员会决议（Collegiate Board Resolution No. 611）虽然为放射服务设定了要求，但并未针对DBT系统提供具体的参数或评估标准（巴西，2022年）。这种监管空白迫切需要建立经过验证且高效的方法来评估这种技术的图像质量，以确保患者安全和诊断的可靠性。

2014年，研究人员制定了一个用于DBT的质量控制协议，其中包含了与二维乳腺X线摄影相同的参数，如探测器响应线性、信噪比、均匀性等（Oliveira，2014年）。另一项2016年的研究基于欧洲质量保证乳腺筛查和诊断服务组织（EUREF）、英国国家健康服务乳腺筛查计划（NHSBSP）等国际标准，以及更新乳腺X线摄影国家质量计划的第2.898号法令（Messias，2016年），但仍未针对巴西的DBT特性制定具体参数。

数字乳腺断层合成技术（DBT）中图像质量参数的表征对于确保技术效果和优化其诊断能力至关重要。原本为其他成像模式开发的质量参数（如调制传递函数MTF）也被应用于DBT的评估。MTF可以通过多种方法进行测量。Zhao等人（2009年）使用的边缘或金属丝法至少需要两次独立采集来获取三个维度的数据。使用三根金属丝或立方体模体的方法要求金属丝/平面与感兴趣的轴精确对齐，这在实际操作中颇具挑战性。相比之下，基于球体的模体消除了对精确对齐的需求，更加方便。Tomophan模体结合了球体设计，允许通过单次曝光同时测量X轴和Y轴的MTF。

为了进行质量控制，选择合适的模体以可靠地评估图像质量参数至关重要。Hadji等人（2021年）评估了七种用于数字乳腺断层合成系统的商用模体，其中包括Tomophan。他们的研究指出，专为二维乳腺X线摄影设计的模体在应用于DBT时存在局限性，而Tomophan因其结构和设计能够有效减少伪影，从而更适合用于图像评估。本研究选择使用Tomophan，旨在开发一种快速高效的QC方法，能够在单次采集中评估多个参数。

本研究采用了一种简化的数字乳腺断层合成质量控制方法，结合Tomophan模体和Smári软件，通过单次采集快速、便捷地评估图像质量。与其他需要复杂模体设置和多次曝光的方法不同，所提出的方法能够同时评估XY平面和Z轴的几何失真、Z轴分辨率、调制传递函数以及图像均匀性等参数。这些发现有助于巴西建立DBT质量控制标准和方法。

材料与方法

本研究邀请了贝洛奥里藏特提供数字乳腺断层合成服务的医院和诊所（这些机构已通过米纳斯吉拉斯州卫生监督局（Vigilancia Sanitária de Minas Gerais - Visa-MG）的质量控制程序认证）。此外，阿拉卡茹-SE的一些符合国家卫生监督局（Agência Nacional de Vigilancia Sanitária - ANVISA）质量控制标准的乳腺X线摄影设备也参与了研究。

整体均匀性

Smári软件计算了每个感兴趣区域（ROI）相对于平均值的整体均匀性。只有偏差最大的ROI会在表4中显示。

西门子Mammomat Inspiration设备的整体均匀性最佳（-4.9%），而VMI Digimamo TM 3D设备的整体均匀性最差（11.7%）。这些结果证明了图像处理算法在纠正由X射线束（阳极效应等）引起的非均匀性方面的出色性能。

结论

本研究使用Tomophan模体和Smári软件，评估了巴西临床机构中四种不同制造商生产的数字乳腺断层合成（DBT）设备的图像质量。该方法快速高效，能够通过单次采集同时评估多个图像质量参数。

结果显示，所有评估系统的整体均匀性均符合国际参考标准（< 15%）。

CRediT作者贡献声明

Camila Engler：方法学设计、数据整理。Elaine Rodrigues Leite：方法学设计、数据整理。Maria do Socorro Nogueira：验证、监督、资源管理、项目协调、数据分析、概念化。Peterson Lima Squair：监督、方法学设计、数据整理、概念化。Davi Silveira Azevedo：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目协调、方法学设计、调查、数据分析、概念化。

未引用参考文献

Bernardi等人，2012年；国家卫生监督局，2021年；国家卫生监督局，2022年；乳腺断层合成系统质量控制协议，2021年；The Phantom Laboratory，2016年；Vecchio等人，2011年。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究时，作者使用了ChatGPT 3.5工具将文本翻译成英文，使阅读更加流畅。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对已发表文章的合法性负全责。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系和个人关系：Davi Silveira Azevedo表示获得了高等教育人员发展协调机构的财务支持；Davi Silveira Azevedo还表示获得了巴西国家科学技术发展委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的财务利益冲突。

致谢

本研究得到了巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号INCT/INAIS – 406303/2022-3和CNPq Processo 308368/2022-3）、高等教育人员发展协调机构（CAPES）以及米纳斯吉拉斯州研究与发展局（FAPEMIG）的支持。